In 1921 was de Duitse natuurkundige Otto Hahn behoorlijk verrast door zijn onderzoek naar het bèta-verval van uranium-X1 (zoals thorium-234 toen heette). Hij ontving een nieuwe radioactieve stof, die hij de naam uranium-Z gaf. Het atoomgewicht en de chemische eigenschappen van de nieuwe stof vielen samen met het eerder ontdekte uranium-X2 (de inmiddels bekende naam van protactinium-234). Maar de halfwaardetijd was langer. In 1935 behaalde een groep Sovjetfysici onder leiding van Igor Kurchatov een vergelijkbaar resultaat met de isotoop broom-80. Na deze ontdekkingen werd duidelijk dat de wereldfysica voor iets ongewoons stond.
Dit fenomeen wordt isomerie van atoomkernen genoemd. Het manifesteert zich in het bestaan van kernen van elementen die in een aangeslagen toestand zijn, maar vrij lang leven. Deze metastabiele kernen hebben een veel kleinere kans op overgang naar een minder geëxciteerde toestand, aangezien ze worden beperkt door de spin- en pariteitsuitsluitingsregels.
Inmiddels zijn er al enkele tientallen isomeren ontdekt die door middel van radioactieve straling in de voor een element gebruikelijke toestand kunnen komen, evenals spontane splitsing of emissie van een proton; interne conversie is ook mogelijk.
Van alle isomeren wekte 178m2Hf de meeste belangstelling.
Dit hafnium-isomeer heeft een halfwaardetijd van iets meer dan 31 jaar en de latente energie bij de overgang naar een normale toestand is meer dan 300 kg in TNT-equivalent per kilogram massa. Dat wil zeggen, als het mogelijk is om snel 1 kg van de massa isomeer hafnium over te brengen, dan zal het branden als 3 centres TNT. En dit belooft al een behoorlijk militair gebruik. De bom zal erg krachtig blijken te zijn, en het kan niet nucleair worden genoemd - er is tenslotte geen kernsplijting, alleen het element verandert zijn isomere structuur in normaal.
En het onderzoek begon …
Promotie video:
In 1998 begonnen Karl Collins en collega's van de Universiteit van Texas met systematisch onderzoek. Ze bestraalden een stuk van het bovengenoemde hafnium-isomeer dat op een omgekeerd glas rustte met röntgenstraling met gespecificeerde parameters. Het isomeer werd een aantal dagen bestraald en gevoelige sensoren registreerden zijn reactie op straling. Toen begon de analyse van de verkregen resultaten.
Dr. Karl Collins in zijn laboratorium aan de Universiteit van Texas.
Enige tijd later verscheen een artikel van Collins in Physical Review Letters, waarin hij sprak over een experiment om de energie van een isomere overgang onder invloed van röntgenstraling met gegeven parameters te 'extraheren'. Het leek erop dat een toename van de gammastraling van het isomeer werd verkregen, wat duidde op een versnelling van de overgang van het isomeer naar de normale niet-geëxciteerde toestand.
Hafnium-bom
Wat voor natuurkundigen vaak slechts een denkspel is, is voor het leger een nieuwe manier om hun eigen soort te vernietigen. Het kon niet alleen mogelijk zijn om krachtige explosieven te krijgen (een kilogram van 178m2Hf is gelijk aan drie centen TNT), maar ook moest de meeste energie vrijkomen als gammastraling, wat het theoretisch mogelijk maakte om de radio-elektronica van een potentiële vijand uit te schakelen.
Experimenteer om geïnduceerde gammastraling te verkrijgen uit een monster van Hf-178 m2.
De juridische aspecten van het gebruik van een hafniumbom leken ook erg verleidelijk: wanneer bommen ontploffen op nucleaire isomeren, is er geen transformatie van het ene chemische element in het andere. Dienovereenkomstig kan het isomeer niet als een kernwapen worden beschouwd en valt het bijgevolg volgens de internationale overeenkomst niet onder het verbod.
Het Pentagon wees tientallen miljoenen dollars uit voor experimenten, en het werk aan de hafniumbom begon te koken. In verschillende militaire laboratoria werd een stuk van 178m2Hf bestraald, maar dat leverde geen resultaat op. Collins overtuigde de onderzoekers dat de kracht van hun straling onvoldoende was om een resultaat te verkrijgen, en het vermogen werd constant verhoogd. Het kwam op het punt dat ze probeerden het isomeer te bestralen met de synchrotron van het Brookhaven National Laboratory. Als resultaat werd de energie van de eerste bestraling honderden keren verhoogd, maar er was nog steeds geen tastbaar effect.
De zinloosheid van het werk werd zelfs voor het leger duidelijk - zelfs als het effect optreedt, kun je immers niet van tevoren een synchrotron op het grondgebied van een potentiële vijand plaatsen. En toen namen economen het woord. Ze berekenden dat de productie van 1 gram van de isomeer $ 1,2 miljoen zou kosten. Bovendien zal om deze productie voor te bereiden een mooi bedrag van $ 30 miljard moeten uitgeven.
Hafnium.
In 2004 werd er fors op de financiering van het project gekort, en na een paar jaar werd het volledig ingekort. Collins was het eens met de conclusies van zijn collega's over de onmogelijkheid om een bom te maken op basis van de hafnium-isomeer, maar gelooft dat deze stof kan worden gebruikt om kankerpatiënten te behandelen.
