W 1921 roku niemiecki fizyk O. Gann odkrył nieznany dotąd izotop uranu, który natychmiast nazwał uranem-Z. Pod względem masy atomowej i właściwości chemicznych nie różnił się od już znanych. Nauka była zainteresowana jego okresem półtrwania - był on nieco dłuższy niż w przypadku innych izotopów uranu. W 1935 roku bracia Kurchatov, L. I. Rusinov i L. V. Mysovskiy uzyskał specyficzny izotop bromu o podobnych właściwościach. Dopiero potem światowa nauka zajęła się ściśle problemem zwanym izomeria jąder atomowych. Od tamtej pory znaleziono kilkadziesiąt izomerycznych izotopów o stosunkowo długim okresie życia, ale teraz interesuje nas tylko jeden, a mianowicie 178m2Hf (izotop hafnu o masie atomowej 178 jednostek. M2 w indeksie pozwala rozróżnić masa, ale inne wskaźniki).
Ten izotop hafnu różni się od innych jego izomerycznych odpowiedników okresem półtrwania wynoszącym ponad rok największą energią wzbudzenia - około 1,3 TJ na kilogram masy, co w przybliżeniu odpowiada eksplozji 300 kilogramów trotylu. Uwolnienie całej tej masy energii następuje w postaci promieniowania gamma, chociaż proces ten jest bardzo, bardzo powolny. Zatem militarne zastosowanie tego izotopu hafnu jest teoretycznie możliwe. Konieczne było jedynie wymuszenie przejścia atomu lub atomów ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego z odpowiednią prędkością. Wtedy uwolniona energia mogłaby w efekcie przewyższyć każdą istniejącą broń. Teoretycznie mógłbym.
Zaczął ćwiczyć w 1998 roku. Następnie grupa pracowników University of Texas pod kierownictwem Karla B. Collinsa założyła w jednym z budynków uniwersytetu „Center for Quantum Electronics”. Pod poważnym i pretensjonalnym znakiem znajdował się zestaw wyposażenia obowiązkowy dla takich laboratoriów, góry entuzjazmu i coś, co zdalnie przypominało rentgen z gabinetu dentystycznego i wzmacniacz do systemu audio, który wpadł w ręce złego geniusza. Z tych urządzeń naukowcy z „Centrum” zbudowali niezwykłą jednostkę, która miała odegrać główną rolę w ich badaniach.
Wzmacniacz generował sygnał elektryczny o wymaganych parametrach, który został przetworzony na promieniowanie rentgenowskie w aparacie rentgenowskim. Skierowano go do maleńkiego kawałka 178m2Hf leżącego na odwróconym szkle jednorazowego użytku. Szczerze mówiąc, wydaje się to dalekie od tego, jak powinna wyglądać nowatorska nauka, do której w rzeczywistości odnosiła się grupa Collinsa. Przez kilka dni urządzenie rentgenowskie naświetlało preparat hafnu, a czujniki beznamiętnie rejestrowały wszystko, co „czuły”. Analiza wyników eksperymentu zajęła jeszcze kilka tygodni. I tak Collins w czasopiśmie Physical Review Letters publikuje artykuł o swoim eksperymencie. Jak w nim powiedziano, celem badań było wydobycie energii atomów na polecenie naukowców. Sam eksperyment miał potwierdzić lub obalić teorię Collinsa dotyczącą możliwości zrobienia takich rzeczy za pomocą promieni rentgenowskich. W trakcie badań aparatura pomiarowa odnotowała wzrost poziomu promieniowania gamma. Było to znikome, co jednocześnie nie przeszkodziło Collinsowi w wyciągnięciu wniosku o fundamentalnej możliwości „sztucznego” wprowadzenia izotopu w stan przyspieszonego rozpadu. Główny wniosek pana Collinsa wyglądał następująco: skoro proces uwalniania energii można w niewielkim stopniu przyspieszyć, to muszą istnieć warunki, w których atom szybciej pozbywa się rzędów energii. Najprawdopodobniej, uważał Collins, wystarczy po prostu zwiększyć moc emitera promieniowania rentgenowskiego, aby spowodować eksplozję. W trakcie badań aparatura pomiarowa odnotowała wzrost poziomu promieniowania gamma. Było to znikome, co jednocześnie nie przeszkodziło Collinsowi w wyciągnięciu wniosku o fundamentalnej możliwości „sztucznego” wprowadzenia izotopu w stan przyspieszonego rozpadu. Główny wniosek pana Collinsa wyglądał następująco: skoro proces uwalniania energii można w niewielkim stopniu przyspieszyć, to muszą istnieć warunki, w których atom szybciej pozbywa się rzędów energii. Najprawdopodobniej, uważał Collins, wystarczy po prostu zwiększyć moc emitera promieniowania rentgenowskiego, aby spowodować eksplozję. W trakcie badań aparatura pomiarowa odnotowała wzrost poziomu promieniowania gamma. Było to znikome, co jednocześnie nie przeszkodziło Collinsowi w wyciągnięciu wniosku o fundamentalnej możliwości „sztucznego” wprowadzenia izotopu w stan przyspieszonego rozpadu. Główny wniosek pana Collinsa wyglądał następująco: skoro proces uwalniania energii można w niewielkim stopniu przyspieszyć, to muszą istnieć warunki, w których atom szybciej pozbywa się rzędów energii. Najprawdopodobniej, uważał Collins, wystarczy po prostu zwiększyć moc emitera promieniowania rentgenowskiego, aby spowodować eksplozję. Główny wniosek pana Collinsa wyglądał następująco: skoro proces uwalniania energii można w niewielkim stopniu przyspieszyć, to muszą istnieć warunki, w których atom szybciej pozbywa się rzędów energii. Najprawdopodobniej, uważał Collins, wystarczy po prostu zwiększyć moc emitera promieniowania rentgenowskiego, aby spowodować eksplozję. Główny wniosek pana Collinsa wyglądał następująco: skoro proces uwalniania energii można w niewielkim stopniu przyspieszyć, to muszą istnieć warunki, w których atom szybciej pozbywa się rzędów energii. Najprawdopodobniej, uważał Collins, wystarczy po prostu zwiększyć moc emitera promieniowania rentgenowskiego, aby spowodować eksplozję.
To prawda, światowa społeczność naukowa z ironią przeczytała artykuł Collinsa. Choćby dlatego, że wypowiedzi były zbyt głośne, a technika eksperymentalna była wątpliwa. Niemniej jednak, jak zwykle, wiele laboratoriów na całym świecie próbowało powtórzyć eksperyment Teksańczyków, ale prawie wszystkie z nich się nie powiodły. Wzrost poziomu promieniowania z preparatu hafnu mieścił się w zakresie błędu czułości instrumentów, co nie przemawiało dokładnie na korzyść teorii Collinsa. Dlatego kpiny nie ustały, ale nawet się nasiliły. Ale wkrótce naukowcy zapomnieli o nieudanym eksperymencie.
A wojsko - nie. Naprawdę spodobał im się pomysł bomby na izomery jądrowe. Za taką bronią przemawiały następujące argumenty:
- „gęstość” energii. Jak już wspomniano, kilogram 178m2Hf odpowiada trzem centom trotylu. Oznacza to, że w rozmiarze ładunku jądrowego można uzyskać mocniejszą bombę.
Film promocyjny:
- wydajność. Eksplozja jest eksplozją, ale większość energii hafnu jest uwalniana w postaci promieniowania gamma, które nie boi się fortyfikacji wroga, bunkrów itp. W ten sposób bomba hafnowa może zniszczyć zarówno elektronikę, jak i personel wroga bez większych uszkodzeń.
- cechy taktyczne. Kompaktowe rozmiary stosunkowo potężnej bomby pozwolą na dostarczenie jej dosłownie w walizce. To oczywiście nie jest bomba Q z książek L. Vibberly'ego (cudowna broń wielkości piłki nożnej, która może zniszczyć cały kontynent), ale jest też bardzo użyteczna.
- strona prawna. Kiedy bomba wybucha na izomerach jądrowych, nie zachodzi przemiana jednego pierwiastka chemicznego w inny. W związku z tym broń izomeryczna nie może być uznana za broń jądrową, w związku z czym nie jest objęta umowami międzynarodowymi zakazującymi tej drugiej.
Niewiele było do zrobienia: przydzielić pieniądze i wykonać wszystkie niezbędne prace. Jak mówią, zacznij i zakończ. DARPA w swoim planie finansowym na kilka następnych lat zapisała linię dotyczącą bomb hafnowych. Nie wiadomo, ile ostatecznie wydano na to wszystko pieniędzy. Według plotek, konto sięga dziesiątek milionów, ale liczba ta nie została oficjalnie ujawniona.
Przede wszystkim postanowili powtórzyć eksperyment Collinsa, ale teraz pod skrzydłami Pentagonu. Początkowo zlecono Argonne National Laboratory zweryfikowanie jego pracy, ale nawet podobne wyniki nie wyszły. Collins odniósł się jednak do niewystarczającej mocy promieni rentgenowskich. Został zwiększony, ale ponownie nie uzyskano oczekiwanych rezultatów. Collins nadal odpowiedział, mówią, że sami są winni - przekręć pokrętło mocy. W rezultacie naukowcy z Argonne próbowali nawet naświetlić preparat hafnu za pomocą jednostki dużej mocy APS. Nie trzeba dodawać, że wyniki znowu nie były tym, o czym mówili Teksańczycy? Niemniej jednak DARPA uznała, że projekt ma prawo do życia, tylko trzeba je dobrze wykonać. W ciągu następnych kilku lat eksperymenty przeprowadzono w kilku laboratoriach i instytutach. Apoteozą było napromieniowanie 178m2Hf "z" synchrotronu NSLS w Brookhaven National Laboratory. I tam również, pomimo setek krotnego wzrostu energii promieniowania, promieniowanie gamma izotopu było, delikatnie mówiąc, małe.
Równolegle z fizykami jądrowymi problemem zajęli się także ekonomiści. Na początku XXI wieku wydali prognozę, która brzmiała jak werdykt na całe przedsięwzięcie. Jeden gram 178m2Hf nie może kosztować mniej niż 1-1,2 miliona dolarów. Ponadto około 30 miliardów trzeba będzie zainwestować w produkcję nawet tak znikomych ilości. Do tego trzeba doliczyć koszty samego stworzenia amunicji i jej produkcji. Otóż ostatnim gwoździem do trumny bomby hafnowej był fakt, że nawet gdyby NSLS mogło sprowokować „eksplozję”, to praktyczne zastosowanie takiej bomby nie wchodzi w rachubę.
Tak więc urzędnicy DARPA, spóźnieni kilka lat i wydający dużo pieniędzy publicznych, w 2004 r. Drastycznie obcięli fundusze na program badania broni izomerycznej. Wycięli go, ale nie zatrzymali: przez kolejne półtora roku lub dwa trwały badania nad „laserowym” emiterem gamma działającym według tego samego schematu. Wkrótce jednak ten kierunek również został zamknięty.
W 2005 roku w czasopiśmie „Uspekhi fizicheskikh nauk” ukazał się artykuł E. V. Tkal, zatytułowany „Indukowany rozpad izomeru jądrowego 178m2Hf i bomby izomerycznej”. W nim szczegółowo rozważono teoretyczną stronę skrócenia czasu uwalniania energii przez izotop. Krótko mówiąc, może się to zdarzyć tylko na trzy sposoby: oddziaływanie promieniowania z jądrem (w tym przypadku rozpad następuje na poziomie pośrednim), oddziaływanie promieniowania i powłoki elektronowej (ta ostatnia przekazuje wzbudzenie do jądra atomu) oraz zmiana prawdopodobieństwa samoistnego rozpadu. Jednocześnie na obecnym i przyszłym poziomie rozwoju nauki i techniki, nawet przy dużych i super-optymistycznych założeniach w obliczeniach, po prostu niemożliwe jest osiągnięcie wybuchowego uwolnienia energii. Ponadto w wielu punktach Tkalya uważa,Teoria Collinsa stoi w sprzeczności ze współczesnymi poglądami na temat podstaw fizyki jądrowej. Można to oczywiście uznać za swego rodzaju rewolucyjny przełom w nauce, ale eksperymenty nie budzą takiego optymizmu.
Teraz Karl B. Collins ogólnie zgadza się z wnioskami kolegów, ale nadal nie zaprzecza praktycznym zastosowaniom izomerów. Uważa na przykład, że ukierunkowane promieniowanie gamma może być stosowane w leczeniu pacjentów z rakiem. Powolne, niewybuchowe promieniowanie energii przez atomy może w przyszłości dać ludzkości akumulatory o dużej pojemności o ogromnej mocy.
Jednak wszystko to nastąpi dopiero w przyszłości, blisko lub daleko. A potem, jeśli naukowcy zdecydują się ponownie zająć się problemem praktycznego zastosowania izomerów jądrowych. Jeśli te prace zakończą się sukcesem, możliwe jest, że szkło z eksperymentu Collinsa (obecnie zwane „Stojakiem pamięci dla eksperymentu dr K.”) przechowywane pod szkłem na University of Texas na University of Texas zostanie przeniesione do większego i bardziej szanowanego muzeum.
Autor: Ryabov Kirill