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核 同 质 异 能 素 武 器 — — “ 伽 马 弹 ” 探 究
 从 “ 第 四 代 核 武 器 ” 谈 起 所 谓 “ 第 四 代 核 武 器 ” 是 以 核 子 间 的 作 用 为 基 础 ， 但 性 能 又 不 同 于 现 有 核 武 器 的 新 一 代 核 武 器 。 一 般 认 为 包 括 金 属 氢 武 器 、 核 同 质 异 能 素 武 器 、 反 物 质 武 器 以 及 超 钚 元 素 和 超 重 元 素 武 器 。 下 面 将 重 点 分 析 的 铪 -178“ 伽 马 射 线 武 器 ” （ 简 称 "伽 马 弹 ” ） 就 是 一 种 核 同 质 异 能 素 武 器 。 “ 第 四 代 核 武 器 ” 产 生 的 剩 余 放 射 性 很 小 ， 适 于 在 战 场 上 使 用 ； 而 且 研 制 不 需 要 进 行 核 试 验 ， 不 受 《 全 面 禁 止 核 试 验 条 约 》 的 限 制 。 因 此 在 军 事 和 政 治 方 面 具 有 明 显 优 势 ， 受 到 各 军 事 大 国 的 青 睐 。 但 这 类 武 器 的 研 制 对 基 础 研 究 与 实 验 设 施 的 要 求 非 常 高 ， 只 有 很 少 国 家 具 备 研 制 它 的 实 力 。 “ 第 四 代 核 武 器 ” 概 念 的 提 出 者 并 不 是 美 国 主 要 的 核 武 器 研 制 单 位 和 研 究 人 员 ， 并 没 有 得 到 他 们 的 认 同 和 响 应 。 在 美 国 出 现 了 这 样 的 有 趣 现 象 ： 对 于 “ 第 四 代 核 武 器 ” ， 似 乎 媒 体 的 兴 趣 比 专 业 人 员 要 大 ， 国 防 部 （ 潜 在 的 使 用 者 ） 的 兴 趣 比 能 源 部 （ 可 能 的 研 制 者 ） 要 大 。 即 便 是 对 其 中 最 “ 有 戏 ” 的 “ 核 同 质 异 能 素 武 器 ” 也 大 体 如 此 ， 美 国 有 许 多 科 技 人 员 对 这 种 武 器 持 怀 疑 态 度 ， 发 表 文 章 强 烈 反 对 。 即 使 如 此 ， 美 国 国 防 部 还 是 于 2002年 将 “ 伽 马 射 线 武 器 ” 项 目 列 入 了 “ 军 事 关 键 科 学 技 术 ” 计 划 。 该 项 目 的 研 究 内 容 ， 是 用 X射 线 轰 击 、 触 发 同 核 异 能 素 铪 -178m2， 使 它 以 γ 射 线 的 方 式 释 放 能 量 ， 并 利 用 这 个 原 理 做 成 武 器 。 美 国 国 防 信 息 中 心 认 为 它 “ 有 可 能 使 作 战 的 各 个 方 面 发 生 革 命 性 的 变 化 ” 。 国 防 部 高 级 研 究 计 划 署 对 此 十 分 重 视 ， 设 置 了 一 项 2年 拨 款 3000万 的 铪 同 核 异 能 素 计 划 ， 建 立 了 专 门 研 究 铪 -178m2生 产 问 题 的 小 组 。 让 我 们 深 入 探 究 一 下 这 种 毁 誉 参 半 的 神 秘 武 器 。
设 想 中 的 "伽 马 弹 ” 原 理
所 谓 同 质 异 能 素 ， 是 指 质 量 数 和 原 子 序 数 相 同 、 在 可 测 量 的 时 间 内 具 有 2个 或 多 个 不
同 能 态 的 核 素 。 激 发 态 核 素 在 转 变 为 稳 态 时 释 放 出 能 量 ， 使 之 有 可 能 发 展 为 武 器 。 元 素 铪 （
Hf） 有 铪 -174～ 铪 -180等 几 种 同 位 素 。 自 然 界 中 没 有 的 同 核 异 能 素 铪 -178m2是 同 位 素 铪
-178的 m2激 发 态 ， 它 的 能 级 比 铪 -178的 基 态 高 出 约 2.5兆 电 子 伏 特 ； 其 半 衰 期 为 31年 ， 衰 变 时
发 出 不 同 能 量 的 2.5兆 电 子 伏 特 伽 马 射 线 。 简 单 地 说 ， "伽 马 弹 ” 的 工 作 原 理 是 ： 铪 -178处 于
高 能 态 的 核 素 （ 即 该 元 素 的 同 质 异 能 素 铪 -178m2） 回 到 低 能 态 时 释 放 出 伽 马 射 线 ， 可 以 利 用
它 来 杀 伤 有 生 目 标 。 1999年 ， 美 国 德 克 萨 斯 大 学 柯 林 斯 教 授 等 人 用 医 用 X射 线 机 产 生 的 X射 线 ， 照 射 同 核 异 能 素 铪 -178m2。 在 实 验 中 观 察 到 ， 受 到 X射 线 的 轰 击 后 ， 铪 -178m2的 衰 变 率 比 自 然 衰 变 率 增 加 约 4％ 。 柯 林 斯 的 看 法 是 ： 用 于 轰 击 的 X射 线 平 均 能 量 约 40千 电 子 伏 特 ， 而 每 个 铪 -178m2衰 变 放 出 γ 射 线 能 量 达 2.5兆 电 子 伏 特 ， 放 出 能 量 是 输 入 能 量 的 60倍 。 1克 铪 -178m2的 能 量 瞬 时 全 部 释 放 ， 将 产 生 相 当 于 300千 克 TNT炸 药 的 爆 炸 能 量 。 假 如 能 够 得 到 一 定 数 量 的 铪 -178m2， 就 有 可 能 利 用 这 个 原 理 做 成 炸 弹 。 “ 伽 马 弹 ” 的 技 术 关 键 是 获 得 一 定 数 量 的 铪 -178m2， 并 且 能 实 现 用 低 能 量 的 X射 线 去 触 发 铪 -178m2， 使 它 瞬 时 释 放 γ 射 线 。 自 然 界 不 存 在 铪 178m2， 它 是 由 加 速 器 产 生 的 质 子 轰 击 钽 生 成 的 ， 因 此 很 难 大 量 生 产 ， 生 产 成 本 也 会 很 高 ， 目 前 做 实 验 用 的 铪 -178m2样 品 质 量 还 不 到 1微 克 。 因 此 ， 假 如 “ 伽 马 弹 ” 的 原 理 能 够 成 立 ， 关 键 部 件 是 一 定 数 量 的 铪 -178m2， 以 及 能 够 产 生 足 够 X射 线 的 发 生 器 。 铪 -178m2蕴 含 的 能 量 明 显 小 于 同 样 质 量 的 裂 变 物 质 而 大 大 高 于 高 能 炸 药 。 核 同 质 异 能 素 可 利 用 的 能 量 大 约 是 109焦 耳 /克 ， 是 常 规 高 能 炸 药 所 含 能 量 （ 5× 103焦 耳 /克 ） 的 100万 倍 ， 略 小 于 核 裂 变 反 应 释 放 的 能 量 （ 8× 109焦 /克 ） ， 但 不 产 生 放 射 性 。 因 此 从 理 论 上 说 ， 可 以 用 铪 -178m2制 造 出 体 积 很 小 、 威 力 介 于 常 规 高 能 炸 药 和 核 武 器 之 间 的 炸 弹 。 有 文 献 估 计 ， 一 个 网 球 大 小 、 包 含 铪 -178m2的 炸 弹 可 以 释 放 几 十 吨 TNT的 能 量 ， 这 对 于 军 方 无 疑 有 巨 大 的 吸 引 力 。 美 国 国 防 部 正 是 看 到 这 一 点 ， 决 定 大 力 支 持 这 项 研 究 。
对 "伽 马 弹 ” 原 理 的 异 议
“ 伽 马 弹 ” 的 原 理 提 出 后 ， 美 国 国 防 部 给 予 高 度 重 视 ； 但 能 源 部 并 未 明 确 支 持 ， 许 多
科 学 家 对 它 表 示 怀 疑 ， 包 括 几 个 核 武 器 实 验 室 的 专 家 。 反 对 的 理 由 ， 一 是 怀 疑 “ 伽 马 弹 ” 的
原 理 ， 认 为 理 论 和 实 验 数 据 都 不 足 以 证 明 其 可 行 性 ； 二 是 认 为 即 使 原 理 成 功 也 不 能 成 为 炸 弹
， 而 且 研 究 这 种 炸 弹 不 利 于 军 备 控 制 ， 甚 至 会 引 发 新 的 军 备 竞 赛 。 下 面 就 从 这 两 方 面 谈 谈
。 许 多 科 学 家 不 相 信 柯 林 斯 的 实 验 结 果 和 理 论 解 释 。 持 怀 疑 态 度 的 科 学 家 认 为 ： 铪 -178m2是 铪 -178的 激 发 态 ， 激 发 能 级 为 2.5兆 电 子 伏 特 。 提 出 用 几 十 千 电 子 伏 特 X射 线 去 触 发 铪 -178m2衰 变 ， 违 背 了 人 们 所 熟 悉 的 核 物 理 概 念 。 物 理 学 家 还 提 出 ： 异 常 的 实 验 现 象 应 该 用 超 常 细 致 的 实 验 去 证 实 。 洛 斯 阿 拉 莫 斯 、 利 弗 莫 尔 等 美 国 核 武 器 实 验 室 的 一 些 科 学 家 ， 用 阿 贡 实 验 室 的 同 步 加 速 器 认 真 地 重 复 这 个 实 验 。 他 们 发 现 ， 即 便 所 提 供 的 X射 线 强 度 比 医 用 X射 线 机 大 5个 量 级 ， 触 发 铪 -178m2衰 变 的 概 率 也 比 柯 林 斯 等 宣 布 的 结 果 低 5～ 6个 量 级 。 在 能 源 部 科 学 家 公 布 实 验 结 果 后 ， 柯 林 斯 教 授 等 又 到 日 本 的 同 步 辐 射 加 速 器 上 进 一 步 实 验 ， 宣 称 仍 然 得 到 X射 线 触 发 铪 -178m2衰 变 的 肯 定 结 果 。 并 解 释 说 ， 能 源 部 科 学 家 所 用 的 X射 线 能 量 太 高 ， 因 此 没 有 能 看 到 共 振 触 发 的 现 象 。 对 于 柯 林 斯 的 新 实 验 结 果 ， 仍 然 有 科 学 家 提 出 怀 疑 ， 认 为 公 布 的 数 据 不 充 分 ， 无 法 看 出 整 个 实 验 数 据 的 稳 定 程 度 ； 而 且 柯 林 斯 的 理 论 解 释 不 符 合 已 经 存 在 的 核 物 理 原 理 ， 很 值 得 怀 疑 。 从 实 验 上 讲 ， 是 否 真 正 存 在 X射 线 触 发 铪 -178m2衰 变 的 共 振 现 象 ？ 共 振 触 发 截 面 是 否 比 理 论 预 计 的 截 面 高 出 几 个 量 级 ？ 科 学 家 仍 然 存 在 严 重 分 歧 ， 看 来 还 不 是 很 快 能 得 到 统 一 认 识 。 总 之 ， 用 X射 线 触 发 铪 -178m2同 核 异 能 态 衰 变 的 实 验 本 身 存 在 着 疑 点 ， 对 同 核 异 能 态 受 激 衰 变 的 理 论 存 在 着 争 论 ， 铪 -178m2弹 的 原 理 尚 没 有 得 到 确 切 的 证 实 。
对 "伽 马 弹 ” 武 器 化 的 争 论
除 了 原 理 上 的 争 论 外 ， 科 学 家 对 "伽 马 弹 ” 否 能 成 为 实 用 的 武 器 也 存 在 不 同 看 法 。 现
阶 段 获 得 核 同 质 异 能 素 的 方 法 ， 主 要 是 通 过 重 离 子 （ 如 质 子 ） 碰 撞 来 产 生 。 生 产 足 够 量 （ 如
几 十 克 ） 的 铪 -178m2会 非 常 困 难 、 成 本 要 很 高 。 而 且 ， 即 使 铪 -178m2能 生 产 出 来 、 能 用 X射 线
触 发 衰 变 ， 能 否 做 成 武 器 也 还 有 许 多 关 键 问 题 要 解 决 ：  ⑴ "伽 马 弹 ” 能 否 瞬 时 爆 炸 。 铪 -178m2不 但 要 能 放 出 能 量 而 且 要 瞬 时 释 放 ， 才 能 实 现 爆 炸 。 而 用 X射 线 很 难 将 处 于 激 发 态 的 铪 -178m2同 时 退 激 、 释 放 能 量 ， 更 何 况 铪 -178m2衰 变 到 基 态 前 先 要 衰 变 到 铪 -178m态 ， 而 铪 -178m态 的 半 衰 期 为 4秒 ， 因 此 很 难 实 现 瞬 时 爆 炸 。 ⑵ "伽 马 弹 ” 的 能 量 得 失 。 柯 林 斯 教 授 的 实 验 结 果 表 明 ， 打 入 约 600个 X射 线 光 子 ， 可 以 触 发 一 次 铪 -178m2的 受 激 发 射 。 以 X射 线 平 均 能 量 30千 电 子 伏 特 计 算 ， 输 入 能 量 为 18兆 电 子 伏 特 ， 而 输 出 能 量 仅 为 2.5兆 电 子 伏 特 ， 能 量 是 亏 损 的 。 用 这 样 的 原 理 制 造 武 器 ， 其 可 行 性 显 然 有 问 题 。 ⑶ "伽 马 弹 ” 的 重 量 体 积 。 包 含 铪 -178m2的 爆 炸 装 置 可 以 做 得 很 小 ， 如 文 献 中 描 述 的 高 尔 夫 球 大 小 。 然 而 能 够 瞬 时 产 生 强 X射 线 的 机 器 就 难 做 得 轻 巧 ， 如 何 把 包 括 X射 线 机 在 内 的 设 备 做 成 一 个 重 量 和 体 积 都 可 以 接 受 的 炸 弹 将 是 一 大 难 题 。 由 于 支 持 方 和 反 对 方 都 各 持 己 见 ， 激 烈 的 争 论 延 续 至 今 。 核 同 质 异 能 素 武 器 尚 处 于 概 念 研 究 阶 段 ， 研 究 重 点 主 要 集 中 在 核 同 质 异 能 素 的 特 性 以 及 如 何 控 制 能 量 释 放 。 美 空 军 研 究 实 验 室 正 在 研 究 这 种 武 器 。 铪 -178m2由 SRS技 术 公 司 从 剩 余 的 核 材 料 中 提 取 ， 已 获 得 的 数 量 不 足 万 分 之 一 克 。 笔 者 认 为 ， 铪 -178m2或 其 他 类 似 的 同 质 异 能 态 核 素 受 X射 线 触 发 衰 变 的 现 象 ， 是 核 物 理 基 础 理 论 中 的 有 趣 问 题 ， 值 得 作 为 基 础 研 究 来 进 行 ； 但 目 前 将 它 与 高 新 技 术 武 器 联 系 起 来 则 过 于 盲 目 。 由 于 基 本 原 理 和 武 器 化 方 面 都 存 在 着 严 重 的 问 题 ， 铪 -178m2弹 的 前 景 是 黯 淡 的 ， 成 功 的 可 能 性 很 小 。 有 关 铪 -178m2问 题 的 争 议 仍 在 进 行 ， 让 我 们 密 切 关 注 它 的 进 展 。 |
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