鉿彈

鉿彈，它又被稱為同質異能素彈(isomer bomb)。據它的提議者介紹，這是一種極其先進的未來武器，能利用所謂“同質異能素”的亞原子粒子中的巨大能量，小小一包就能釋放出1,000噸TNT 當量；另一些人則說，同質異能素能使功率強大的雷射武器的威力更上一層樓。

基本介紹

• 中文名：鉿彈
• 外文名：(isomer bomb
• 又名：同質異能素彈
• 作用：武器

鉿彈

上世紀90年代，DARPA投資700萬美元，用於研究一種可以釋放強大伽馬射線，卻不會釋放放射性塵埃的大殺傷性炸彈。提議者稱，用X光轟擊貴金屬鉿的一種亞穩態異構物（由同種元素相同質量數組成，但因原子的排列上的差異而在性質上相異的物質）將釋放巨大能量。但沒有任何證據顯示，這一構想能夠實現。

核同質異能素

核同質異能素（亦稱同核異構體）指的是由於某個原子的原子核核心子（質子或中子）處於激發態，而產生原子核的亞穩態，這種狀態下原子核內的核子會占用能量更高的核子軌道。由於這些在亞穩態的核子的半衰期比常見的激發態的核子的半衰期要長（通常達到100~1000倍的時間），因此被稱作處於“亞穩態”（英語：Metastability），並在原子的質量數後附上“m”作為標記，如^58m₂₇Co。在有多個亞穩態時，使用^m1、^m2、^m3等，按照激發能量從低到高進行標記，如^177m2₇₂Hf。通常，這一術語只指那些半衰期在10⁻⁹秒以上的狀態，一些學術文章中更是推薦以5×10⁻⁹秒作為最短的半衰期。

某些情況下，這種狀態可以持續數小時到數年，也有非常極端的例子，比如^180m1₇₃Ta的半衰期就長到至今都沒能觀測到其衰變（推測至少有1.2×10¹⁵年，已經超過了宇宙已存在的時間）。核同質異能素髮生的γ衰變有時會被稱為同質異能躍遷，不過除了衰變發生前的原子的亞穩態能持續較長時間外，這一過程和普通的γ衰變沒有區別。

核同質異能素之所以可以存續較長的時間，通常是因為從這一狀態進行γ衰變需要的核自旋改變數較大，使得其發生極為困難甚至是不可能，例如醫療中常用的^99m₄₃Tc自旋為+1/2，其基態自旋為+9/2，衰變時會放出能量為140keV的γ射線（與醫療用X射線差不多），並擁有6.01小時的半衰期。

另外，激發態的激發能量的高低也會關係到衰變速率，當激發能量很低的時候衰變同樣會變慢。²²⁹₉₀Th是目前發現的激發能量最低的同質異能素，僅有7.6±0.5 eV，因此至今未觀測到其γ衰變，不過如果它發生γ衰變的話，其放出的γ射線的能量僅僅會與紫外線相當。^180m1₇₃Ta的自旋為-9，而其基態¹⁸⁰₇₃Ta的自旋為+1，同時其激發能量非常低（75keV），所以γ衰變和β衰變都幾乎不可能，導致其半衰期極長。

除了由於核子的激發造成的同質異能情況外，還有一種由於原子核結構造成的同質異能。比如，很多錒系元素在基態下，原子核並不是球形的，而是類球面結構，其中最常見的是類似於橄欖球的長球面，不過更接近球形。在這種情況下，按照量子力學，核子的可能分布中會出現較長的長球面分布（和橄欖球差不多），這種分布模式會嚴重阻礙原子核向基態衰變，而傾向於發生自發裂變。通常其裂變半衰期只有幾納秒到幾毫秒，但是相對一個激發態原子核通常能存在的時間來說，已經很長了。這種同質異能素通常以“f”附加在質量數後，以區別核子激發造成的同質異能，如^240f₉₄Pu。

核同質異能素最早由奧托·哈恩發現於1921年，當時發現的兩個核同質異能素被稱為“鈾X₂”和“鈾Z”，而換做現在的命名方式，即^234m₉₁Pa和²³⁴₉₁Pa。

套用

鉿的同質異能素可能可以被誘導產生極強的γ射線，因此或許可以被用於繞過不擴散核武器條約的限制。美國國防高等研究計畫署曾經有對這一套用做過調研。

不過，截至2004年，只有^180m1₇₃Ta被成功地誘導衰變，並且誘導所需要的X射線的能量超過了衰變所放出的能量。儘管如此，由12個成員組成的HIPP已經開始評估各種量產鉿同質異能素的方法了。

鎝的同質異能素^99m₄₃Tc（半衰期6.01小時）和^95m₄₃Tc（半衰期61天）在醫療和工業領域中有所套用。

核電池

鑥和鉿的各種核同質異能素的能量級

核電池會使用極微量的高能量放射性同位素。有一種設計是把放射性材料放在PN結上，材料產生的電離輻射便會在結中產生電子空穴。核同質異能素可以用於替代這些放射材料，並且隨著科技發展，我們可能能夠控制使用核同質異能素的核電池的開關。目前的候選包括¹⁰⁸₄₇Ag、¹⁶⁶₆₇Ho、¹⁷⁷₇₁Lu和²⁴¹₉₅Am。

生產¹⁷⁷₇₁Lu時，原子核內部經過一系列的衰變，會放出許多γ射線。研究認為，若是能夠掌握在這一系列能量級之間躍遷的條件，我們能夠做出比現有的化學電池的能量密度高10倍的儲能設備。比如^178m2₇₂Hf自然衰變時會放出2.45MeV的能量，也就是說1g的^178m2₇₂Hf內含有的能量相當於315kg的TNT，而且它可以以很高的功率輸出能量（10¹⁸W）。目前正在研究以其他種類的同質異能素來誘導^178m2₇₂Hf衰變的方法。

衰變過程

核同質異能素可以通過兩種方式衰變：

1. γ衰變，即放出一個高能光子
   
2. 內轉換，即用衰變能量電離自身
   

核同質異能素可能會有多條衰變途徑，比如^177m₇₁Lu可以直接通過半衰期為160.4天的β衰變變成¹⁷⁷₇₂Hf（過程中伴隨著γ衰變），或者先通過半衰期為160.4天的內轉換變成¹⁷⁷₇₁Lu，然後再通過一個半衰期為6.68天的β衰變變成¹⁷⁷₇₂Hf。

某些情況下，通過γ衰變產生的光子會直接命中原子核外的電子，並使其獲得足以脫離原子核束縛的能量，產生光電效應。注意不要將內轉換和光電效應混淆，內轉換的過程中沒有光子這一中間產物。

只有在原子的內層的電子才能參與內轉換，這些電子的運動軌跡可能會穿過原子核，在電子靠近的過程中，二者間會產生極強的電場力，導致核子的重新排布和電子飛出。