迎接中空的原子，它拥有美好的未来。物理学家们认为，他们可以开发它的能用以制造任何东西，从X线全息图到CD。

把自然界的建筑材料放回到制图板上：原子正在被重建。在美国和荷兰的实验室里，物理学家正在剥除包住原子核的电子，把它们重新排成一系列中空的外壳。这些中空的原子已给正在运转的量子世界带来一线光明。终于，它们能在技术世界中留下自己的标记，开拓了一条通向新一代装满信息的CD和最早的实用X射线激光的道路。

原子可被想象成微型的太阳系，有一个核在中心，电子在其周围一定距离沿轨道运行。带负电的电子通常尽可能靠近带正电的核绕行。这表明，使它们远离原子核，进入外层轨道必须吸收能量，例如光能。当这样的情况发生时，光能作为势能有效地存贮于原子，如果电子落回到原来的轨道，能量又会释放出来。实际上，量子理论认为，电子并不像绕着太阳转的行星一样真有清晰的轨道，真实的图像要模糊一些，能够确定的只是电子出现位置的概率，但原理是一样的。

一个中空的原子是很容易想象的，属于最里层轨道的电子被移至较远的轨道上，但制造中空的原子是很复杂的，因为你不可能仅仅挖出最里面的电子，放到你要它们去的地方。问题出在原子吸收能量时外层电子将首先移动，内层电子仍牢牢地留在原处。这是因为电子离核越近，受的束缚越强，移动它越困难。

因此，物理学家采用一种不同的方法——从一个赤裸的原子核开始，他们用1987年由加利福尼亚的劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验室的莫特 · 利文（Mort Levine）和罗斯 · 玛尔斯（Ross Marrs）研制的电子束离子捕获机（EBIT）做到这一点。EBIT体积不大，可以放在工作台上，它能从强烈的高能电子束中捕捉原子，这电子束把原子的电子撞击出去，产生了带电的离子。去年，玛尔斯和他的同事们报告说，他们已成功地剥去铀原子的全部92个电子。原子失去电子越多，对剩余原子的束缚越牢固，这不是一件容易的工作。

正是在研究这些有外壳的原子核间相互作用时，格兰诺贝尔原子核研究中心的吉恩-皮埃尔 · 布莱德（Jean-Pierre Briand）首次发现中空的原子。裸露的原子核有这么高的正电荷，因而它们能捕获任何能找到的带负电的电子。田纳西州奥克 · 里奇国家实验室的弗雷德 · 迈耶（Fred Meyer）说：“一个裸露原子核的基本性质是对电子的亲和。”

金属表面提供了理想的机会，使裸核满足这一渴望，因为它包含大量松散的电子。事实上，高电荷离子俘获电子是如此的高效，以至于获得和其电荷数等额数目的电子而变为电中性，这远发生在离子撞击金属表面以前。事实证明，原子外层电子的结合能与金属表面的差不多。迈耶说：“真正有趣的是电子俘获最易发生在原子外层。”结果是产生一个绝大多数或所有电子都远离原子核的一个中性原子——一个中空的原子。

这样的结构高度不稳定。中空的原子一旦形成就立即蜕变成其正常状态，电子回到最里层轨道，在这过程中失去能量。外层电子不是直接跳回去，必须依次经过每一个连续轨道，像踏着横档走下梯子一样，其间失去势能。但这一过程需要时间，且在它蜕变结束前原子就击中靶表面了。这意味着中空的原子击中靶时还带有势能，且大部分能量传到靶面上。

这一发现鼓舞了科学家去探索这势能可否应用于实际。当劳伦斯 · 利弗莫尔实验室的戴特 · 施耐尔德（Dieter Schneider）和同事们用氙和铀的中空原子轰击云母表面时，发现其表面上生成直径只有几毫微米的微小砂眼，他们说，这些砂眼最终可用于存贮数字资料，S为它们的直径还不到目前的CD上代表一个字节信息的凹坑的百分之一，这将给信息存储技术带来惊人的进步，使存储数字的密度增加10000倍以上。莎士比亚的全部著作可以存在边长不到0.2毫米的正方形上。

同时，科学家们通过研究中空的原子如何蜕变进一步了解了原子的基本物理结构。一个原子的外层电子轨道间距离比内层近得多，因此外层不同轨道上电子常常相互影响，有时会有奇怪的结果。1992年在荷兰Gronigen核物理加速器研究所工作的卢克 · 福尔科兹（Luuk Folkerts）和里赫德 · 摩根斯特（Reinhand Mogenstem），发现了这样一种作用，称为三电子Arger过程。其中两个外层电子同时从外层向内层轨道向下跃迁。由此释放的能量被第三个电子得到。这些能量足以使这个电子脱离原子。通过研究中空原子的这种集体过程，物理学家能检验量子理论关于电子能互相“通讯”的预言，

去年，人们发现了另一制造中空原子的途径。芝加哥伊利诺斯大学的查尔斯 · 罗兹（Charles Rhodes）和他的研究小组采用最新的紫外激光器产生的极强烈的光粉碎约有100个原子的原子簇，制造中空原子。其激光脉冲有高至800千兆瓦的功率——超过全英国高峰动力的10倍——聚焦成直径约3毫米的光线。这种极端情况只存在3×10^-13秒，但已证明这刚好是产生中空原子所需的。然而，到底是什么样的机制在起作用呢？

看上去，答案就藏在入射激光辐射波与原子簇的外层电子相互作用的方式里。虽然光对内层电子几乎没有影响，它们被牢固地束缚着，外层电子被松散地束缚着，在由波动产生的交变电场力作用下自由振动。在足够高强度下，激光辐射可加速这些外层电子到极高能量。罗兹推测，激光脉冲可在仅20毫微米的距离内加速一个外层电子至10000电子伏特一比脱离原子核束缚所需能量大几千倍。原子簇内所有外层电子的运动看上去是完全相同的，电子们一同从原子簇一面转到另一面，每半个入射波周期转变一次。许多外层电子以这种方式一致地运动时，罗兹说，它们共同的能量可能通过某种未知机理聚焦在牢固束缚着的内层电子上，逐出它们，形成中空原子。

这种方式制成的中空原子迅速放射X射线，变回普通原子。这使他们产生开发第一个实用X射线激光器的希望。例如用高强度的光把电子从离核近的低能状态激发到远处，以此使激光工作大量原子被如此激发，当它们返回原状的同时射出光线。由于每个原子中的激发电子经历了相同的向下跃迁，射出的光具有单一波长（即颜色），而且所有的波峰和波谷也步调一致。

红外、可见光和紫外激光器现已广泛应用，但是迄今为止，X射线激光器的发展充满困难。X射线能量远比可见光大，所以必须给原子中的电子以足够的能量才能使之从内层的牢牢束缚着的能级移出。罗兹工作的关键一点是由强激光辐射导致的电子一致移动在足够短的时间里聚集足够多的能量在内层电子上，以产生X射线。大量中空原子靠得很近是产生纯X射线辐射所需的。

如同目前用于从超市结账处的条形码阅读机到纠正近视的激光器，放出强大纯光的X射线激光器几乎一定能得到广泛的应用，一个令人激动的可能性是用于研究显微生物结构如蛋白质和病毒，揭示比以往更多的细节。有个问题是使用普通的、不那么强的X射线源进行成像，辐射，常在曝光前就破坏了生物材料，打断了许多化学键，改变了它的结构。但在X射线激光器发出的近毫微秒的极强大辐射下，曝光可在任何变化发生前结束。通过把几个激光器的X射线图像结合起来，甚至可以制成生物内部结构的三维图像——X射线综合衍射图。

X射线激光器还可能是CD发展的重要一步。今天的CD播放器用红外激光器阅读数据。X射线激光器的波长短得多，将能阅读未来CD上密集得多的信息。有朝一日可能会用中空原子来记录信息，不管结果怎样，这些古怪的、重新设计的原子将来一定会引起更多的惊奇。

[New Scientist，1995年6月3日]