Der deutsche Physiker Otto Hahn war 1921 ziemlich überrascht von seinen Studien zum Beta-Zerfall von Uran-X1 (wie Thorium-234 damals genannt wurde). Er erhielt eine neue radioaktive Substanz, die er Uran-Z nannte. Das Atomgewicht und die chemischen Eigenschaften der neuen Substanz stimmten mit dem zuvor entdeckten Uran-X2 (dem heute bekannten Namen von Protactinium-234) überein. Aber die Halbwertszeit war länger. 1935 erzielte eine Gruppe sowjetischer Physiker unter der Leitung von Igor Kurchatov mit dem Isotop Brom-80 ein ähnliches Ergebnis. Nach diesen Entdeckungen wurde klar, dass die Weltphysik mit etwas Ungewöhnlichem konfrontiert war.
Dieses Phänomen nennt man Isomerie von Atomkernen. Es manifestiert sich in der Existenz von Kernen von Elementen, die sich in einem angeregten Zustand befinden, aber ziemlich lange leben. Diese metastabilen Kerne haben eine viel geringere Wahrscheinlichkeit des Übergangs in einen weniger angeregten Zustand, da sie durch die Regeln des Spin- und Paritätsausschlusses eingeschränkt sind.
Zu unserer Zeit wurden bereits mehrere Dutzend Isomere entdeckt, die durch radioaktive Strahlung sowie durch spontane Spaltung oder Emission eines Protons in den für ein Element üblichen Zustand übergehen können. Eine interne Umwandlung ist ebenfalls möglich.
Unter allen Isomeren erregten 178 m2Hf das größte Interesse.
Dieses Hafniumisomer hat eine Halbwertszeit von etwas mehr als 31 Jahren, und die beim Übergang in einen Normalzustand latente Energie übersteigt 300 kg TNT-Äquivalent pro Kilogramm Masse. Das heißt, wenn es möglich ist, 1 kg der Masse an isomerem Hafnium schnell zu übertragen, brennt es wie 3 Centner TNT. Und das verspricht bereits einen anständigen militärischen Einsatz. Die Bombe wird sich als sehr mächtig herausstellen und kann nicht als nuklear bezeichnet werden - schließlich gibt es keine nukleare Spaltung, nur das Element ändert seine isomere Struktur in normal.
Und die Forschung begann …
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Im Jahr 1998 begannen Karl Collins und Kollegen an der University of Texas mit systematischer Forschung. Sie bestrahlten ein Stück des oben genannten Hafniumisomers, das auf einem invertierten Glas mit Röntgenstrahlen mit festgelegten Parametern ruhte. Das Isomer wurde mehrere Tage lang bestrahlt, und empfindliche Sensoren zeichneten seine Reaktion auf Strahlung auf. Dann begann die Analyse der erhaltenen Ergebnisse.
Dr. Karl Collins in seinem Labor an der University of Texas.
Einige Zeit später erschien ein Artikel von Collins in Physical Review Letters, in dem er über ein Experiment sprach, um die Energie eines isomeren Übergangs unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen mit gegebenen Parametern zu "extrahieren". Es schien, dass eine Zunahme der Gammastrahlung des Isomers erhalten wurde, was auf eine Beschleunigung des Übergangs des Isomers in den normalen nicht angeregten Zustand hinwies.
Hafniumbombe
Was für Physiker oft nur ein Gedankenspiel ist, ist für das Militär ein neuer Weg, ihre eigene Art zu zerstören. Es konnte nicht nur möglich sein, starken Sprengstoff zu erhalten (ein Kilogramm 178 m2Hf entspricht drei Zentnern TNT), sondern es musste auch der größte Teil der Energie als Gammastrahlung freigesetzt werden, was es theoretisch ermöglichte, die Funkelektronik eines potenziellen Feindes zu deaktivieren.
Experimentieren Sie, um induzierte Gammastrahlung aus einer Probe von Hf-178-m2 zu erhalten.
Die rechtlichen Aspekte der Verwendung einer Hafniumbombe sahen ebenfalls sehr verlockend aus: Wenn Bomben auf Kernisomeren explodieren, erfolgt keine Umwandlung eines chemischen Elements in ein anderes. Dementsprechend kann das Isomer nicht als Atomwaffe betrachtet werden und fällt daher gemäß dem internationalen Abkommen nicht unter das Verbot.
Das Pentagon stellte zig Millionen Dollar für Experimente zur Verfügung, und die Arbeiten an der Hafniumbombe begannen zu kochen. Ein Stück 178m2Hf wurde in mehreren Militärlabors bestrahlt, aber es gab kein Ergebnis. Collins überzeugte die Experimentatoren, dass die Leistung ihrer Strahlung nicht ausreichte, um ein Ergebnis zu erzielen, und die Leistung wurde ständig erhöht. Es kam zu dem Punkt, dass sie versuchten, das Isomer mit dem Synchrotron des Brookhaven National Laboratory zu bestrahlen. Infolgedessen wurde die Energie der anfänglichen Bestrahlung hunderte Male erhöht, aber es gab immer noch keinen greifbaren Effekt.
Die Sinnlosigkeit der Arbeit wurde sogar dem Militär klar - schließlich können Sie, selbst wenn der Effekt auftritt, kein Synchrotron im Voraus auf dem Territorium eines potenziellen Feindes platzieren. Und dann haben die Ökonomen das Wort ergriffen. Sie errechneten, dass die Produktion von 1 Gramm Isomer 1,2 Millionen US-Dollar kosten würde. Darüber hinaus muss für die Vorbereitung dieser Produktion eine ordentliche Summe von 30 Milliarden US-Dollar ausgegeben werden.
Hafnium.
Im Jahr 2004 wurden die Mittel für das Projekt stark gekürzt und nach einigen Jahren vollständig gekürzt. Collins stimmte den Schlussfolgerungen seiner Kollegen über die Unmöglichkeit der Herstellung einer Bombe auf der Basis des Hafniumisomers zu, glaubt jedoch, dass diese Substanz zur Behandlung von Krebspatienten verwendet werden kann.
