在电子显微镜中观察大气变化：把单原子抓进原子阱
在电子显微镜中观察大气变化：把单原子抓进原子阱定年上有一个有效定年范围，这是一个碳的衰变曲线，年龄远小于半衰期的时候，同位素变化非常小，测不准，这一部分不灵敏。当年龄远大于半衰期的时候，碳-14就衰变完了，非常低不好测，这一部分也不能用。就好比我们拿个尺子去量，如果这根尺子我要你量头发丝多粗？你说不行刻度太粗了没有办法测。然后说拿这个尺测整栋楼多长？那也不行，这个尺子太短，要换长一点的尺子，尺子能够测量的距离跟尺子刻度、长度有关系，要对应起来。我们定年也是一样，半衰期决定了可以定年的有效范围，不能太长也不能太短，碳-14有效定年范围在几百年到几万年。水文学家想知道流向流速怎么办呢？通过定年，在不同地方把年龄定出来，然后可以画出来，从年轻到年老的水流线，流向、流速、补给情况，我们做定年是为水资源管理提供科学的数据。类似这样的工作用碳-14定年已经做了很多了，碳-14在地球考古方面是不可缺少的工具，当年芝加哥大学Willard Libby
卢征天：我们这里有一个水瓶，水已经全倒掉了，我们看一下现在瓶子里面装了多少个原子？有的朋友问，这是空的，没有原子。但是里面有空气，有空气分子，空气原子。这个水瓶是1.5升，1.5升的空气是里面有8×10E22个原子，就是8后面22个0，这样数起来太麻烦了，所以有科学的表达式10E22，好多原子。里面有氮，有氧，有二氧化碳，有水，还有惰性气体，今天我们讲惰性气体元素氪。
氪元素在元素周期表最右侧，有氦、氖、氩、氪、氙、氡，这一组是惰性气体，他们不参加化学反应，化学家嫌他们什么事不做，懒惰，所以叫他们惰性气体，在英文里面是“高贵的气体noble gases”，不做事我们看是懒惰，人家偏说是高贵。
氪又有不同的同位素，比如说氪-83是主要的同位素，原子质量相当于83个氢原子那么重，这个同位素是完全稳定的，如果把它的核里拿掉两个中子，原子就相当于81个氢原子这么重，这个同位素我们叫氪-81。这两个原子电子数目完全一样，都是36个，电子结构极其类似，化学性质极其类似，但是核不一样重，不光不一样重，核的稳定性有很大差别。
2015年回到母校和胡水明、蒋蔚教授一起创建了中科大激光痕量探测与精密测量实验室。这是我们实验室网址，atta.ustc.edu.cn，待会儿会解释为什么叫ATTA。我们实验室得到了中科院、科技部和基金委的支持。
通过数原子实现同位素定年，为研究全球和区域水循环提供关键的时间信息，这是我们工作的核心目标。地球表面水时间尺度非常不同，跨度相当大，比如说洋流时间尺度在几年到几千年，冰川时间尺度在几年到几十万年，地下水浅层的就几年，深层的可以上百万年，你研究一个水循环过程，时间尺度是一个基本信息，必须要知道的，需要同位素定年。
我们以地下水为例，解释一下同位素定年的应用，氪-81同位素是宇宙射线在高空中产生，一方面在不断地产生，另外一方面核在不断的衰变，两方面达到平衡，因为是气体，所以在空气中得到充分的混合，均匀分布，大气当中不管上海空气、合肥的空气、南极洲、芝加哥空气都测过，它里面同位素丰度是一样的，是一个常数I0，表面水里（的气体）和空气不断的交换，表面水里同位素丰度等于大气值，这样有非常好的起始值建立了。但是一旦水和空气隔绝了，比如说当水流入地下，或者当水结成了冰，从那个时候开始就不再有新鲜的氪原子进来了，好比刚才的瓶子盖子拧紧了，那个时候开始同位素丰度按照核衰变的规律逐年减少。
现在，我们在不同的地方可以把水取出来，分析里面的同位素丰度，这样可以知道这包水体的年龄，水本身没有年龄，水不会变老。我们所说的水体的年龄，（是指）这包水和空气已经隔绝了多少年了。这条水流线，刚开始的时候年龄等于0，刚刚诞生，然后随着水流线年龄会越来越老，从年轻到老。这条水流线直接看看不出来的，流的非常慢，有的时候一年流一米。
水文学家想知道流向流速怎么办呢？通过定年，在不同地方把年龄定出来，然后可以画出来，从年轻到年老的水流线，流向、流速、补给情况，我们做定年是为水资源管理提供科学的数据。类似这样的工作用碳-14定年已经做了很多了，碳-14在地球考古方面是不可缺少的工具，当年芝加哥大学Willard Libby教授因为碳-14方面的工作获得了诺贝尔化学奖。碳-14成功的重要原因是，它是一个气体同位素。可能有同学说不对，碳不是气体。是的，碳本身不是气体，但是大气当中的碳会氧化成二氧化碳，在大气当中待很长时间，得到均匀混合，这是（碳-14定年）非常重要的一点。
定年上有一个有效定年范围，这是一个碳的衰变曲线，年龄远小于半衰期的时候，同位素变化非常小，测不准，这一部分不灵敏。当年龄远大于半衰期的时候，碳-14就衰变完了，非常低不好测，这一部分也不能用。就好比我们拿个尺子去量，如果这根尺子我要你量头发丝多粗？你说不行刻度太粗了没有办法测。然后说拿这个尺测整栋楼多长？那也不行，这个尺子太短，要换长一点的尺子，尺子能够测量的距离跟尺子刻度、长度有关系，要对应起来。我们定年也是一样，半衰期决定了可以定年的有效范围，不能太长也不能太短，碳-14有效定年范围在几百年到几万年。
如果水循环过程超出这个范围之外怎么办呢？索性在大气当中另外还有三种放射性气体同位素，分别是氪-85原子，氩-39，氪-81，这几个同位素半衰期落在不同的数量级，所以他们的有效定年期范围，也就一个接着一个接着一个，连续覆盖了几年一直到130万年的范围。目前碳-14定年问题已经被完全解决了，我们在做原子阱单原子探测，为的就是解决氪、氩同位素的检测问题。这几个都是惰性气体，不参加化学反应，刚才我说它们懒惰。但其实作为环境示踪同位素来说是理想的性质，因为它们的环境输运过程很简单，从这一点来说比碳-14还要好，所以我们说它们是理想的定年同位素。
他们的重要性早在六几年就提出来了，由地球科学家——瑞士的Hans Oeschger和他当年的学生Hugo Loosli提出来，但是检测问题一直没有得到解决，难在什么地方呢？他们同位素丰度极其低，远远低于质谱仪所能达到的探测极限。氪-85同位素丰度是10E-11，氪-81是10E-13，一公斤表面水大概含1000个氪-81原子，1000个原子本身还不算难，难的是他的1000个氪-81原子，混合在比他多12个数量级的其他氪原子里面，这要怎么分开检测？这就变得特别难了。氩-39就更少，他的同位素丰度是10-16，60年代提出来以后，国际上许多单位试过各种各样的光谱方法、质谱方法，但是一直没有找到很好的方案，以至于绝大多数应用没有办法开展。我们原子阱的方法，目前在原理上已经证实这三个同位素都能够检测。
我们能做前人做不了的检测，是因为我们用了新的物理方法，新的物理方法运用到地球科学在过去发生了多次，比如上世纪20年代，质谱仪发展起来了，可以测稳定同位素，现在100年过去了，质谱议可以说是实验室里的通用仪器了。70年代的时候加速器质谱出现，加速器质谱的方法，对碳-14定年来说是革命性颠覆性的技术，大大推动碳-14定年的发展。这个方法有一个苛刻的要求，要求这几个同位素形成负离子，因为正离子本体太高，要形成负离子才能够测（量），碳-14，铍-10，氯-36都能形成负离子，所以加速器质谱把他们检测问题解决了，但是惰性气体氪和氩不形成负离子，所以一直做不好，这也是为什么加速器质谱没有把氪氩定年问题解决。我们原子阱恰好能做惰性气体，所以我相信通过今后5到10年的努力，可以解决将近50年的探测难题，使同位素定年的技术又出现一次飞跃式的发展。
把原子阱拿过来做痕量分析，这个想法是我在国际上首先提出来的，我们给它起一个名字，英文简称ATTA，氪原子或者氩原子以气体的形式，从管子里注入真空腔，我们用激光束分两次，旁边打上去，做原子素准值，让原子往前走，这一束把激光迎头打上去，让原子慢下来，最后用六束激光把原子抓住，抓在原子阱里面，用激光操纵原子，这是70、80年代的时候在原子物理里面发展起来的，我们这个领域里面有一位杰出的华人物理学家叫朱棣文，他因为原子阱方面的工作，获得了97年的诺贝尔物理学奖。
光对原子的作用力，把原子想象成大篮球，激光束比作乒乓球，好多好多乒乓球打上去，每一个乒乓球打到原子上，推动大篮球一点点，但是好多乒乓球密集打到篮球上，可以把篮球停住，下一次小朋友可以试试看，让你朋友篮球传给你的时候，你就把乒乓球扔过去，一定要扔得快，扔得足够多足够快的话，完全可以让篮球半空中停住，可以试一下。
可以来算一下，需要多快才能把篮球停住，大家知道我们骑自行车也好，开车也好，你一刹车，想把车停住，有一个刹车距离，我们原子也需要有一个刹车距离，我们可以计算一下，把原子停下来需要多长的距离。
我们要用到玻耳兹曼的公式，他是19世纪一位伟大的物理学家，首先把我们所熟悉的宏观的温度的概念和微观的原子运动给联系起来，原子运动能量和原子的质量M，和原子的速度V有关系。前几天温度高几度，大家觉得暖和，就是空气里原子运动的稍微快了一点。原子动量和温度成正比，中间的转换系数，为了纪念玻耳兹曼我们叫做玻耳兹曼常数。通过玻尔兹曼公式，我们可以计算出原子的运动速度是每秒钟200米，每小时720公里。我们上海的磁悬浮列车达到430公里/小时，原子（运动速度）比磁悬浮列车还要快，基本上是飞机的速度（720公里/小时）。
小朋友可能说不对啊，我妈妈在厨房烧饭，我如果在客厅里，香气原子没有以200米/秒的速度传过来，好像慢慢飘过来的，您的直觉是对的，空气当中是个非常拥挤的环境，充满分子和原子，香气原子没有办法直接从锅直接飞到你那里，得东撞西撞，撞过来。比如你到城隍庙，大家挤满人在街上，大家都跑100米，再快也跑不快，要东撞，西撞，撞过来，就把速度降下来了，但是原子瞬时的速度是200米/秒。
我们的工作要把空气给抽走才能做原子阱。这是一套真空装置，这是一个真空泵，其实就是非常高级的风扇，可以把腔里分子抽出来，这样原子可以走直线，后面是光学平台，上面放着各种各样的激光，你看着比较乱，每一样都经过精细调节的，这是我们组研究生储艳青同学，我们实验室是开放的，欢迎大家来参观，但是您看的时候只要看不要碰，每个东西都调过。
接下去我们看光撞上去有多大的劲，这里用到爱因斯坦的光子动量公式，大家知道光是一种波，和光一样，无线电也是一种波，微波还有X射线，和光在一起，属于同一类型的波，叫电磁波，它们的区别是波长不一样。无线电的波长可以是几米，甚至十几米，微波的波长，和我们微波炉差不多大，光的波长更短，比我们头发丝还要小几百倍，光里面不同的光波长不一样，红光波长比较长，700纳米，紫颜色的光380纳米，不同的波长我们眼睛看起来是不同的颜色。爱因斯坦之前觉得光是连续的波，爱因斯坦提出来，光撞在原子上的劲是量子化的，图像里可以想象成一个一个小球，这个图像是爱因斯坦提出来的，这个小球叫做光量子，或者简称光子。
这是一个光子撞在原子上的劲，另外要计算一下，一个原子每秒最多和多少个光子发生撞击？这个爱因斯坦也算过，用这个公式算出来大概每秒1000万次。刚才跟小朋友说了乒乓球要扔得快，光子扔上去以每秒1000万次的速度向原子撞上去，这计算当中又用到几个基本的物理常数，电子电核、电子质量、光速都用上去了，有了这两个公式我们要算原子的刹车距离，要把原子停下来，到底要多长的距离，是这么一个表达式。然后我把基本物理常数都找出来，都代进去，这些物理常数是用各个不同的物理实验测出来的。物理里面不同的分支领域测出来，最小的数，比如eE2等于10E-38，大的数比如说光速是10E8，我们全部代进去你猜结果是什么？结果等于1。
这么多数字代进去，算出来等于1，怎么这么凑巧？如果算出来是100米或者一公里，我们这个实验非常难做了，这个领域发展起来也会很困难。如果我出这个题目给同学们做，同学们说老师把数字凑好给我们，其实不是的，这个是大自然把数字全凑好，交给我们一个礼物，搭仪器的人说要最舒服的尺寸，就是一米的尺寸。有了这个礼物我们把原子阱建出来了。
（原子阱）这头把原子抓住以后，原子发光的，以每秒1000万/次的速率闪射光子，用CCD相机可以直接探测到单个光子，我们原子阱也非常灵敏，可以直接对单原子进行计数。
原子阱还有超高的选择性，这个图纵轴是捕获原子的速率，横轴是光的波长，只有当光的波长和原子跃迁所需要的波长相等（共振）的时候原子阱才工作。就好像收音机调电台的时候，把激光波长随意调，调到这原子阱只抓氪-83原子，调到那只抓氪-81原子。这样把不同的同位素分开了，同位素共振波长稍微有差别。
这两张图没有画在一起，因为氪-81原子是极其稀有的不稳定的同位素，这两个峰的峰高相差11个数量级，如果我们按比例画在一张图上，氪-81原子算30公分，按比例算这边要乘以11个数量级，一下子涨上去了，远远超过地球，超过月亮，可能快到太阳这么高。平常的光谱方法很难把这三个分开，因为中间有主峰，它两边的两翼，把旁边的两个小峰完全盖住。但是原子阱没有这个问题，这边氪-81峰，那边氪-85峰，清清楚楚没有受到中间的主峰的干扰。原子阱有超高的选择性，其他没有任何办法有这个特性。
我们从原理上证实可以看到氪-85，可以看到氪-81，同时也证实了，可以看到氩-39，接下去还有很多工作要做，要把原子阱的性能提高，把效率提高了，把样品量减少，这样使得应用得以开展起来。
这是实验室场景，老师同学工作的场景，凑近看光学平台上，有各种各样光学元件，就是为了准备几束激光，然后打过去，在真空腔上做原子阱工作。
定年的流程这样，首先水和冰拿过来，我们要把里面的气体提出来，我们用的脱气膜的办法，水不会透过脱气膜，但是气可以透过脱气膜。这样就把气从水里给分开，这是第一步。这个经常在野外直接做，这样我们不用把水从野外搬过来，把气体搬回来就可以了。提出来的气体里面有各种各样的化学成份，我们需要提纯，这个惰性气体比较容易提纯，因为不会化学反应，你可以采取化学反应的办法，把别的东西全部反应掉，剩下来的就是氪和氩，我们用气相色谱的办法把氪和氩分开。氪气和氩气拿到之后，接下去测量里面稀有同位素的分布，这个用我们原子阱来做，得到同位素分布之后，用简单的公式把水或者冰的年龄算出来，就是这个过程。
我们在发展仪器的同时，国内外地球科学家行动起来和我们合作，这些是我们已经研究过的地点，工作其实才刚刚开始，这是一些早期展示性的应用研究，我们看几个例子，在澳大利亚Outback，上面是荒漠，荒漠底下有大型地下水系统，可能是世界上最大的地下水系统，叫GAB，我和水文学家Andy Love参加取水工作。这个井是早已经打好的，给畜牧业用的，我参加这个工作感觉研究地下水是非常好的事情，这是一个荒漠，方圆几十里没有水，只有这个地方有水井，不但我们知道，野生动物鸟类都知道这个地方，早上起来帐篷一拉开你就看到野生动物，鸟都在这个地方喝水，都不用去找，他们都会来。
这是以色列NegevDesert，这是工业的井，现在井（钢管）下去2000米，可以把地下水引上来。这是和以色列水科学家一起合作的工作。
在新疆伊犁合作的水文学家是陈宗宇老师，中国地质科学院的，可以看到取水的机器，水井是农业灌溉用的，现在取一个水样一小时左右，仪器也比较小，我和我学生们讲，我们刚开始做的时候需要5吨水，仪器就非常庞大，一个大卡车，然后每次出去，就是浩浩荡荡的一大堆人，好几辆车开出去到一个地方，需要一天两天，非常耗时耗力的事情，但是效率低有效率低的好处，到了那个地方，搭起来需要2天时间，我们轮班有人看这个仪器，别的人没有事情，就可以聊天，在沙漠里走走，现在不可以，现在忙，高效率有高效率的好处，好像效率高了以后，每个人更加忙了，这个现代社会的通病，我们在取水上反应出来了。
水的年龄定出来之后，我们水文学家就可以用它建地下水系统的动态模型，这是关中盆地的地下水模型，作者是庞忠和老师，中科院地质地球所，我们看到百万年的老水非常激动，赶紧写文章，Million-year-old groundwater，但是从水资源利用的角度来说，其实古老的水不是好消息，因为古老的水运动很慢，补给非常少，甚至没有，你把这个水用掉就没了，再也不来了。这种水一定要严格控制。年轻的水反而好，用掉可以很快补给进来。
有一个地方希望看到古老的水，是甘肃北山，我们国家高放射性核废料地质处置的首选预选区，这个工作和核工业北京地质研究院一起做的。核废料埋在地上，有一个重要的考虑，就是担心地下水慢慢把污染物带到周边环境去，这个地方地下水越老，说明运动得越慢，周边环境隔离得更好，所以我们专门要找地下水老的地方。
我们国家正在挑这么一个地方，所以用得上我们这个新工具，另外国际上像日本、瑞典科学家也向我们申请，要我们帮助他们国家的核废料存储地做地下水研究。将来我认为氪-81会变成标准的国际上分析工具，为核废料存储地安全评估做贡献。
国际原子能组织，在2016年提供一个合作项目，用氪-81原子给古水定年，这里面全部是水文学家，只有我一个是做物理的，做仪器的。12个国家遍布六大洲，和我们实验室合作，给地下水定年，成功之后，希望在全球范围推广。
同样原理，我们给海洋、海水定年，来测洋流，研究洋流的垂向结构，水体来源与去向。这项工作刚刚开始，中科院海洋所在菲律宾海域地段不同的深度取水，然后送到我们实验室来。
国家海洋局有一个向阳红一号，目前正在做环球海洋综合科学科考，综合科学考察，昨天晚上我们问了，这条船到哪了？他们现在在太平洋东南角取水。甲板上发来一个新闻消息，叫海水和煤气罐的故事，有人拿煤气罐取水，大家觉得很好玩。这两位是合作伙伴，这两位原来素不相识，工作走在一起。一位姓腾名飞，另外一位姓徐名腾飞。
别人拿塑料瓶取海水就够了，我们要海水里面的惰性气体，拿到以后要密封的，所以想用煤气罐，又便宜，密封又好。我们这个方法可以给古老的冰样定年，我们用氪-81的方法，在南极洲泰勒冰川冰样定年，找到了12万年的冰。给冰样定年，当时做的时候我们仪器效率不是很高，需要几百公斤的冰，要拿一个大桶到南极洲化冰，把气体样取出来。
这是我们合作的同事，不知道他在做什么事情，现在我们仪器效率提高了，现在我们只有10公斤就可以定冰样了，现在我们仪器锅小很多了，再想钻进去，就钻不进去了。
这是我们实验室一位博士后FlorianRitterbusch博士，他是德国人，他带着这口锅，为什么叫它锅呢，我们真的在下面点火，要把冰化了，把里面气给取出来，Florian背着这口锅走南闯北，他去过青藏高原，来过上海，去过法国巴黎，把气体提出来。去巴黎应欧盟科学家、俄罗斯科学家邀请到巴黎，去给储存在那边的南极洲冰芯化冰取样。
俄罗斯科学家在Vostok上头已经打了很深的冰芯，打了3500米，把最深、最宝贵的冰拿出来化，就是为了知道最底部的冰哪一年结的，我们结果刚刚出来。
同时我们和我国极地研究中心科学家合作，在南极洲格罗夫山找老的冰，我们找到13万年的冰，极地中心的科学家在今后的几年中会在南极洲跟更多的蓝冰区找老的冰。大家可知道，我们国家的极地研究中心座落在哪个城市？有可能想极地研究最北端、最南端，这些科学家确实到北极南极工作，但是他们的家在上海，在上海浦东，今天我们也非常有幸请到了极地中心冰川学家史贵涛老师在这儿，待会儿给大家讲冰芯取样的故事。
我们和中科院青藏高原研究所的同事合作，在找青藏高原上古老的冰，一方面想知道，青藏高原冰川到底什么时候开始发育的，另外冰样定了年龄以后，可以和南极洲的冰互相比对，看地球中纬度的气候和极地的气候记录是不是对得上。
冰川学家估计，最老的冰可能在冰川的末端，他们就在边上，从这儿挖进去的。是（科学家）手工做的，这个工作非常辛苦，也有点危险，2016年的时候湖南卫视给冰川学家的田立德老师做了一个跟踪报道，实验室所有老师同学在一起观看了这个节目，这个节目栏目叫《平民英雄》，我们看了非常感动，因为田老师手工挖进去把冰样取出来。
我们合作伙伴当中有许多像田老师这样的平民英雄，他们去高原，去极地，去远洋去荒漠，把珍贵的水样冰样取回来，有时候非常少，只有一个微升的氪气让我们去做检测，所以我们要仔细再仔细，千万不能出错，辜负同事的辛苦。现在国际上对我们的工作有较好的评价，最好的评价就是把东西送过来一起合作。
2014年美国科学院院报上对我们工作的评述，题目叫《放射性氪定年终于起飞了》。作者是德国海德堡大学Aeschbach教授，（文章中说）将来ATTA的影响可以与今天加速器质谱在碳-14定年上的成功相比拟，会成为一个被广泛使用的分析方法，但是ATTA需要进一步提高才能达到这个预期目标。我完全同意这个说法。我们一方面继续发展仪器，提高各项指标性能，让他成为地球科学当中不可缺少的工具，在这个基础上我们计划在合肥建立一个面向国际的同位素检测中心，协助我国的地球科学家做出重大的原创性结果，将来在国际合作当中起到主导的作用。我就讲到这儿。谢谢大家！
