Знаете ли вы об ядерных изомерах

В последнее время пристальное внимание ученых привлекают ядерные изомеры. Если в химии изомером называется молекула с тем же составом, но другим геометрическим упорядочением атомов, то в физике ядерным изомером называется иное возбужденное, но стабильное состояние ядра химического элемента с тем же количеством протонов и нейтронов. Ядерный изомер — это стабильное и относительно долгоживущее возбужденное состояние атомного ядра с замедленным обратным распадом в основное состояние. Изомер представляет собой прекрасный аккумулятор энергии, и если учёные смогут найти способ её контролированного высвобождения, то у инженеров появится совершенно новый тип аккумуляторных батарей — ядерных батарей. Дело в том, что переход из возбужденного состояния в основное можно инициировать электромагнитным воздействием, т.е. бомбардируя ядерный изомер пучком фотонов.
Кроме того, исследования изомеров могут позволить проследить за процессами образования новых химических элементов внутри звезд и оценить время жизни и эволюции,а это - один из важнейших вопросов всей астрофизики. Длительность возврата в основное состояние объясняется тем, что в процессе возврата изомер должен претерпеть значительные изменения структуры (так ведут себя изомеры формы) или углового момента (так ведут себя спиновые изомеры). Период полураспада ядерных изомеров находится в очень широком диапазоне: от пикосекунд до миллиардов лет.

Например, изомер гафния 178mHf имеет период полураспада около 31 года и энергию перехода в основное состояние около 2,4 МэВ. Таким образом, всего 1 г гафния 178mHf аккумулирует около 109 Джоулей энергии. По некоторым оценкам, в результате ускоренного распада такого количества чистого гафния 178mHf может высвободиться столько же энергии, сколько высвобождается при детонации 200 кг тротила! Естественно, что такие материалы и технологии вызывают повышенный интерес у создателей оружия.
В 2003 г. Министерство обороны США громогласно заявило о разработке принципиально нового вида оружия. Оно основано на способности ядер атомов некоторых элементов при сравнительно небольшом внешнем возбуждении выделять гораздо большие количества энергии. Ранее было известно, что ядра некоторых элементов могут находиться в высокоэнергетическом состоянии, из которого постепенно переходят в обычное, излучая при этом энергию в виде гамма-лучей.

Как уже упоминалось выше, изомер гафния 178mHf имеет «период полураспада» около 31 года. Возможность значительного ускорения этого процесса вплоть до взрыва была продемонстрирована группой под руководством Карла Коллинза из Университета штата Техас (США). Они облучали ядра высокоэнергетического изомера гафния рентгеновскими лучами, генерированными обычным рентгеновским аппаратом, которым пользуются медики. Причем в качестве усилителя использовали обычный усилитель, которым пользуются рок-музыканты. В результате они зафиксировали выделение энергии в 60 раз больше, чем было затрачено в эксперименте.

Этот результат вызвал огромный резонанс в печати, ведущие ученые мира засомневались в этих результатах и не смогли их воспроизвести в своих научных лабораториях, обладая несравненно более надежным и точным оборудованием. Коллинз не сдавался и апеллировал к тому, что его оппоненты используют не те режимы и условия эксперимента. Он обещал привести окончательные и убедительные доводы на японском источнике синхротронного излучения с очень мощным и точным источником рентгеновского излучения SPRINT-8.

Несмотря на неоднозначность его результатов и скептические оценки многих ведущих ученых, Коллинзу удалось получить одобрение на финансирование со стороны Министерства обороны США в размере около 30 млн долл.! Чем же ему удалось убедить и покорить военных? Дело в том, что энергия, которая освобождается в виде гамма-излучения при возбуждении 1 г гафния, в тысячи раз больше обычного взрыва. Например, «взрыв» 1 г гафния будет эквивалентен взрыву 50 кг тротила. В отличие от атомных бомб, для взрыва «гафниевой бомбы» не требуется критической массы, т.е. из нее можно делать миниатюрные заряды: снаряды, мины, гранаты и, возможно, даже пули!

Кроме критики принципиальной возможности индуцированного перехода в основное состояние изомера гафния, вызывает скепсис и сама возможность коммерческой добычи изомера гафния. Чтобы использовать изомер гафния, нужно сгенерировать его, поскольку в природе он присутствует в чрезвычайно малых количествах. Из-за технологических сложностей в атомных реакторах и ускорителях элементарных частиц пока можно получать не более десятитысячных долей грамма изомера гафния в год.

Ещё более обещающие перспективы открываются для создателей новых типов портативных и долговременных источников питания. В настоящее время ученые стремятся создать прототип ядерной батареи для космических аппаратов на основе этого эффекта. Фантазии это или реальность — ответ на данный вопрос будет известен уже в ближайшем будущем. А пока можно сказать, что американская военная исследовательская программа была закрыта спустя некоторое время, официальное финансирование прекращено. Но так ли это на самом деле?
-----------------------------------------------

Как видим, этот изомер по своим свойстам очень напоминает якобы мифическую накуаду. Хотя может быть сценаристы знали об этом и, когда писали об накуаде, имели в виду ядерные изомеры? Кстати, кроме Гафния, есть еще изомер Тантала 180m, который имеет такой большой период полураспада (100 триллионов лет), что существует в земной коре с момента ее зарождения, правда в мизерном соотношении (1:8300) к обычному Танталу. Впрочем, где-то в галактике вполне могли сформироватся условия, способствующие генерации или самообогащению такого изомера. Так что там могут встречатся более богатые его месторождения.
Так же как и Гафний изомерный Тантал тоже может быть переведен в основноме состояние (с периодом полураспада 8,5 часов) гамма-излучением. Ну и, конечно же, выделится энергия. Которую можно перевести в электроэнергию. Например, создав мощное магнитное поле, в котором разлетающиеся разнозаряженные частицы будут попадать на разные электроды (типа МГД-генератора), ну и создадут разность потенциалов. Вот вам и наквад-генератор.