En 1921, le physicien allemand Otto Hahn fut assez surpris par ses études sur la désintégration bêta de l'uranium-X1 (comme on appelait alors le thorium-234). Il a reçu une nouvelle substance radioactive, qu'il a baptisée uranium-Z. Le poids atomique et les propriétés chimiques de la nouvelle substance coïncidaient avec l'uranium-X2 précédemment découvert (le nom désormais familier du protactinium-234). Mais la demi-vie était plus longue. En 1935, un groupe de physiciens soviétiques dirigé par Igor Kurchatov a obtenu un résultat similaire avec l'isotope brome-80. Après ces découvertes, il est devenu clair que la physique mondiale était confrontée à quelque chose d'inhabituel.
Ce phénomène s'appelle l'isomérie des noyaux atomiques. Il se manifeste par l'existence de noyaux d'éléments qui sont dans un état excité, mais qui vivent assez longtemps. Ces noyaux métastables ont une probabilité beaucoup plus faible de transition vers un état moins excité, car ils sont contraints par les règles d'exclusion de spin et de parité.
A notre époque, plusieurs dizaines d'isomères ont déjà été découverts, qui peuvent passer dans l'état habituel d'un élément au moyen d'un rayonnement radioactif, ainsi que d'une fission spontanée ou d'une émission d'un proton; une conversion interne est également possible.
Parmi tous les isomères, 178m2Hf ont suscité le plus grand intérêt.
Cet isomère d'hafnium a une demi-vie d'un peu plus de 31 ans, et l'énergie latente dans sa transition vers son état normal dépasse 300 kg en équivalent TNT par kilogramme de masse. Autrement dit, s'il est possible de transférer rapidement 1 kg de la masse d'hafnium isomérique, alors il brûlera comme 3 centièmes de TNT. Et cela promet déjà une utilisation militaire décente. La bombe se révélera très puissante et ne peut pas être appelée nucléaire - après tout, il n'y a pas de fission nucléaire, juste l'élément change sa structure isomérique en une structure normale.
Et la recherche a commencé …
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En 1998, Karl Collins et ses collègues de l'Université du Texas se sont lancés dans une recherche systématique. Ils ont irradié un morceau de l'isomère d'hafnium susmentionné reposant sur un verre inversé avec des rayons X avec des paramètres spécifiés. L'isomère a été irradié pendant plusieurs jours et des capteurs sensibles ont enregistré sa réponse au rayonnement. Ensuite, l'analyse des résultats obtenus a commencé.
Dr Karl Collins dans son laboratoire de l'Université du Texas.
Quelque temps plus tard, un article de Collins parut dans Physical Review Letters, dans lequel il parlait d'une expérience pour «extraire» l'énergie d'une transition isomérique sous l'influence de rayons X avec des paramètres donnés. Il semble qu'une augmentation du rayonnement gamma de l'isomère ait été obtenue, ce qui indique une accélération de la transition de l'isomère à l'état normal non excité.
Bombe Hafnium
Souvent, ce qui n'est qu'un jeu d'esprit pour les physiciens, pour les militaires, est une nouvelle façon de détruire leur propre espèce. Non seulement il était possible d'obtenir des explosifs puissants (un kilogramme de 178 m2Hf équivaut à trois centièmes de TNT), mais aussi la majeure partie de l'énergie devait être libérée sous forme de rayonnement gamma, ce qui permettait théoriquement de désactiver l'électronique radio d'un ennemi potentiel.
Expérience pour obtenir un rayonnement gamma induit à partir d'un échantillon de Hf-178-m2.
Les aspects juridiques de l'utilisation d'une bombe au hafnium semblaient également très tentants: lorsque des bombes explosent sur des isomères nucléaires, il n'y a pas de transformation d'un élément chimique en un autre. En conséquence, l'isomère ne peut être considéré comme une arme nucléaire et, par conséquent, selon l'accord international, il ne relève pas de l'interdiction.
Le Pentagone a alloué des dizaines de millions de dollars à des expériences et les travaux sur la bombe au hafnium ont commencé à bouillir. Un morceau de 178m2Hf a été irradié dans plusieurs laboratoires militaires, mais sans résultat. Collins a convaincu les expérimentateurs que la puissance de leur rayonnement était insuffisante pour obtenir un résultat, et la puissance a été constamment augmentée. Il est arrivé au point qu'ils ont essayé d'irradier l'isomère en utilisant le synchrotron du Brookhaven National Laboratory. En conséquence, l'énergie de l'irradiation initiale a été augmentée des centaines de fois, mais il n'y avait toujours aucun effet tangible.
L'insensé du travail est devenu clair même pour les militaires - après tout, même si l'effet apparaît, vous ne pouvez pas placer un synchrotron à l'avance sur le territoire d'un ennemi potentiel. Et puis les économistes ont pris la parole. Ils ont calculé que la production d'un gramme d'isomère coûterait 1,2 million de dollars. De plus, pour préparer cette production devra dépenser une coquette somme de 30 milliards de dollars.
Hafnium.
En 2004, le financement du projet a été fortement réduit et, après quelques années, il a été complètement réduit. Collins était d'accord avec les conclusions de ses collègues sur l'impossibilité de créer une bombe basée sur l'isomère de hafnium, mais estime que cette substance peut être utilisée pour traiter les patients cancéreux.
