用激光制造重元素

我们的宇宙中有118种元素，它们的原子核由不同数量的质子和中子组成。质子带正电，中子不带电，它们通过强相互作用粘在一起，形成原子核。但是，质子之间也有静电斥力，当原子核的质子数太多时，它们就会抵消强相互作用，导致原子核不稳定，发生衰变或裂变。所以，我们不能随便把质子堆在一起，就能制造出更重的元素。那么，我们怎么才能制造出更重的元素呢？

一个办法是用中子。中子不带电，所以它们不会受到静电斥力的影响，它们可以轻易地进入原子核，和质子结合，形成更重的同位素。这就是中子俘获，它是核合成的一种方式。如果中子俘获的速度足够快，就可以超过原子核的衰变速度，从而制造出一些非常稀有的重元素。这些元素在自然界中几乎不存在，因为它们的半衰期太短，很快就会衰变掉。但是，它们在核反应堆和核武器中有重要的应用，所以人们一直想找到一种有效的方法来合成它们。

但是，这种中子俘获的核反应，并不是那么容易实现的。因为，要让原子核吸收中子，我们首先需要有一个强大的中子源，就是能够产生大量中子的装置。而且，这些中子还要有足够的能量，才能够打破原子核的屏障，进入原子核内部。这就需要我们有一个高能的中子束，就是能够将中子加速到很高的速度的装置。而且，这些中子还要有足够的密度，才能够和原子核发生足够多的碰撞，从而增加中子俘获的概率。

那么，这样的中子源，我们有吗？答案是，目前还没有。我们现在能够产生中子的主要方式有两种：一种是用核反应堆，就是利用核裂变产生的中子，再用一些物质来减慢中子的速度，使其适合进行中子俘获。另一种是用粒子加速器，就是利用高能的质子或电子束轰击一些物质，产生中子，再用一些物质来聚焦中子束，使其适合进行中子俘获。

这两种方式，都有各自的优缺点。核反应堆的优点是，能够产生持续的中子源，而且中子的能量比较低，更容易被原子核吸收。但是，核反应堆的缺点是，中子的流强和密度都比较低，而且核反应堆的安全性和环境影响都是需要考虑的问题。粒子加速器的优点是，能够产生高能、高流强、高密度的中子束，而且粒子加速器的控制性和灵活性都比较好。但是，粒子加速器的缺点是，中子的能量比较高，更难被原子核吸收，而且粒子加速器的体积和成本都比较大，而且只能产生脉冲式的中子源。

那么，有没有一种新的方式，能够克服这些困难，产生一个更理想的中子源呢？这就是我们今天要讲的主题：用激光制造中子源。激光可以产生中子的原理很简单。就是利用激光的强电场，加速一些带电的粒子，比如电子或质子，然后让这些粒子撞击一些物质，产生中子。

这就相当于用激光作为一个微型的粒子加速器，只不过比传统的粒子加速器更小、更快、更强。这种用激光产生中子的方法，已经在实验室中得到了验证，而且随着激光技术的发展，激光产生的中子的能量、流强和密度，都有望达到或超过传统的粒子加速器的水平。所以，激光可能是一种非常有前途的中子源，能够为中子俘获提供一个新的平台。

那么，用激光制造重元素，具体是怎么做的呢？一篇最近发表在《物理评论C》上的论文，对用激光制造重元素的可行性，做了一个定量的研究。他们的思路是这样的：首先，他们选择了一种特殊的激光，叫做超强激光。这种激光，能够产生非常高能的电子束。然后，他们让这些电子束撞击一些重金属的靶材，比如铅、铋、铀等等。

这些重金属，本身就含有很多的中子，当它们被电子束轰击的时候，就能够产生很多的中子。最后，他们让这些中子源照射一些轻元素的靶材，这样他们就能够实现一种连续的中子俘获的过程，就是一个原子核不断地吸收中子，从而不断地增加原子核的质量数，产生一个新的同位素。这种连续的中子俘获，能够制造出一些比原来的元素更重的同位素，甚至是一些超重元素，就是那些原子序数超过92的元素，比如钚、锕、锔等等。