第四代核武器
原子核從“第四代核武器”談起
根據工作原理和性能，有人把核武器分為四代。第一代核武器是利用重原子核（如鈾-235和鈽-239）
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裂變反應原理製成的核子彈，也稱裂變彈。第二代核武器是利用輕元素原子核（如氘、氚）在高溫高壓下發生聚變反應原理製成的氫彈，也稱聚變彈。氫彈由初級和次級兩部分構成，初級引發聚變反應，次級則發生聚變反應並引發重核裂變放出更多能量。第三代核武器是核爆炸驅動的定向能武器，主要包括核爆激勵X雷射武器、核爆激勵高功率微波武器和核動能武器。
所謂“第四代核武器”是以核子間的作用為基礎，但性能又不同於現有核武器的新一代核武器。一般認為包括金屬氫武器、核同質異能素武器、反物質武器以及超鈽元素和超重元素武器。下面將重點分析的鉿-178“伽馬射線武器”（簡稱"伽馬彈”）就是一種核同質異能素武器。“第四代核武器”產生的剩餘放射性很小，適於在戰場上使用；而且研製不需要進行核試驗，不受《全面禁止核試驗條約》的限制。因此在軍事和政治方面具有明顯優勢，受到各軍事大國的青睞。但這類武器的研製對基礎研究與實驗設施的要求非常高，只有很少國家具備研製它的實力。
伽馬射線-內部結構模型圖“第四代核武器”概念的提出者並不是美國主要的核武器研製單位和研究人員，並沒有得到他們的認同和回響。在美國出現了這樣的有趣現象：對於“第四代核武器”，似乎媒體的興趣比專業人員要大，國防部（潛在的使用者）的興趣比能源部（可能的研製者）要大。即便是對其中最“有戲”的“核同質異能素武器”也大體如此，美國有許多科技人員對這種武器持懷疑態度，發表文章強烈反對。
即使如此，美國國防部還是於2002年將“伽馬射線武器”項目列入了“軍事關鍵科學技術”計畫。該項目的研究內容，是用X射線轟擊、觸發同核異能素鉿-178m2，使它以γ射線的方式釋放能量，並利用這個原理做成武器。美國國防信息中心認為它“有可能使作戰的各個方面發生革命性的變化”。國防部高級研究計畫署對此十分重視，設定了一項2年撥款3000萬的鉿同核異能素計畫，建立了專門研究鉿-178m2生產問題的小組。
伽馬彈的原理
構想中的“伽馬彈”原理
所謂同質異能素，是指質量數和原子序數相同、在可測量的時間內具有2個或多個不同能態的核素。激發態核素在轉變為穩態時釋放出能量，使之有可能發展為武器。元素鉿（Hf）有鉿-174～鉿-180等幾種同位素。自然界中沒有的同核異能素鉿-178m2是同位素鉿-178的m2激發態，它的能級比鉿-178的基態高出約2.5兆電子伏特；其半衰期為31年，衰變時發出不同能量的2.5兆電子伏特伽馬射線。簡單地說，"伽馬彈”的工作原理是：鉿-178處於高能態的核素（即該元素的同質異能素鉿-178m2）回到低能態時釋放出伽馬射線，可以利用它來殺傷有生目標。
1999年，美國德克薩斯大學柯林斯教授等人用醫用X射線機產生的X射線，照射同核異能素鉿-178m2。在實驗中觀察到，受到X射線的轟擊後，鉿-178m2的衰變率比自然衰變率增加約4％。柯林斯的看法是：用於轟擊的X射線平均能量約40千電子伏特，而每個鉿-178m2衰變放出γ射線能量達2.5兆電子伏特，放出能量是輸入能量的60倍。1克鉿-178m2的能量瞬時全部釋放，將產生相當於300千克TNT炸藥的爆炸能量。假如能夠得到一定數量的鉿-178m2，就有可能利用這個原理做成炸彈。
“伽馬彈”的技術關鍵是獲得一定數量的鉿-178m2，並且能實現用低能量的X射線去觸發鉿-178m2，使它瞬時釋放γ射線。自然界不存在鉿178m2，它是由加速器產生的質子轟擊鉭生成的，因此很難大量生產，生產成本也會很高，目前做實驗用的鉿-178m2樣品質量還不到1微克。因此，假如“伽馬彈”的原理能夠成立，關鍵部件是一定數量的鉿-178m2，以及能夠產生足夠X射線的發生器。
鉿-178m2蘊含的能量明顯小於同樣質量的裂變物質而大大高於高能炸藥。核同質異能素可利用的能量大約是109焦耳/克，是常規高能炸藥所含能量（5×103焦耳/克）的100萬倍，略小於核裂變反應釋放的能量（8×109焦/克），但不產生放射性。因此從理論上說，可以用鉿-178m2製造出體積很小、威力介於常規高能炸藥和核武器之間的炸彈。有文獻估計，一個網球大小、包含鉿-178m2的炸彈可以釋放幾十噸TNT的能量，這對於軍方無疑有巨大的吸引力。美國國防部正是看到這一點，決定大力支持這項研究。
武器化的爭論
對“伽馬彈”武器化的爭論
除了原理上的爭論外，科學家對"伽馬彈”否能成為實用的武器也存在不同看法。現階段獲得核同質異能素的方法，主要是通過重離子（如質子）碰撞來產生。生產足夠量（如幾十克）的鉿-178m2會非常困難、成本要很高。而且，即使鉿-178m2能生產出來、能用X射線觸發衰變，能否做成武器也還有許多關鍵問題要解決（第一、二代核武器已經是客觀存在，而第三、四代核武器還是霧裡看花。）：
核武器核武器
1、“伽馬彈”能否瞬時爆炸
鉿-178m2不但要能放出能量而且要瞬時釋放，才能實現爆炸。而用X射線很難將處於激發態的鉿-178m2同時退激、釋放能量，更何況鉿-178m2衰變到基態前先要衰變到鉿-178m態，而鉿-178m態的半衰期為4秒，因此很難實現瞬時爆炸。
2、“伽馬彈”的能量得失
柯林斯教授的實驗結果表明，打入約600個X射線光子，可以觸發一次鉿-178m2的受激發射。以X射線平均能量30千電子伏特計算，輸入能量為18兆電子伏特，而輸出能量僅為2.5兆電子伏特，能量是虧損的。用這樣的原理製造武器，其可行性顯然有問題。
3、“伽馬彈”的重量體積
包含鉿-178m2的爆炸裝置可以做得很小，如文獻中描述的高爾夫球大小。然而能夠瞬時產生強X射線的機器就難做得輕巧，如何把包括X射線機在內的設備做成一個重量和體積都可以接受的炸彈將是一大難題。
由於支持方和反對方都各持己見，激烈的爭論延續至今。核同質異能素武器尚處於概念研究階段，研究重點主要集中在核同質異能素的特性以及如何控制能量釋放。美空軍研究實驗室正在研究這種武器。鉿-178m2由SRS技術公司從剩餘的核材料中提取，已獲得的數量不足萬分之一克。
筆者認為，鉿-178m2或其他類似的同質異能態核素受X射線觸發衰變的現象，是核物理基礎理論中的有趣問題，值得作為基礎研究來進行；但目前將它與高新技術武器聯繫起來則過於盲目。由於基本原理和武器化方面都存在著嚴重的問題，鉿-178m2彈的前景是黯淡的，成功的可能性很小。有關鉿-178m2問題的爭議仍在進行，讓我們密切關注它的進展。
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只要1克這種物質被引爆，就能產生相當於50公斤烈性炸藥（TNT）的爆炸當量，甚至帶來相當於常規彈頭數千倍的殺傷力——這就是美國國防部《軍用關鍵技術清單》中“伽馬射線彈”的威力。美軍方正野心勃勃地計畫在5年內研製成功這種不亞於核彈卻幾乎沒有核污染的新型武器，完全罔顧軍事分析人士對此舉可能引發全球軍備競賽再度升級的警告。
據《新科學家》雜誌13日披露，事實上多年以來，科學界早已知道某些元素如鉿的核心存在一種高能狀態，在它向低能狀態過渡的漫長衰變期內，原子核可以持續輻射出高能伽馬射線，其強度數千倍於常規化學炸藥。例如，鉿178的一種同位素異形體“鉿178m2”,半衰期為31年，正是伽馬彈的絕佳原材料。
然而，處於自然狀態下的“鉿178m2”自發進行的伽馬射線輻射太耗時、低效。在這一背景下，1999年，位於德克薩斯州達拉斯的得州大學專家卡爾·柯林斯宣布，他率領的研究團隊利用低能X光引爆“178m2”，成功地人工激發了60倍的射線輻射，從理論上說，激發的輻射能量還可大規模提高。
近日，阿拉巴馬州的“SRS科技”公司已獲訂單，要求他們從核廢料中分離、再生“鉿178m2”,但必須嚴格限定在0.0001克以內。該公司首席科學家希爾·羅伯茨自豪地宣稱，5年內一定會掌握大批量生產鉿178m2的技術，以便以“克”為量級製造鉿178m2。
雖然鉿178m2作為超級炸彈原料的價格也會如同濃縮鈾般不菲，每公斤估計不下數萬美元，但與濃縮鈾不同的是，任何劑量的178m2都可作為原料，不像製造核彈對濃縮鈾用量有臨界值要求。
更令人關注的是，迷你伽馬彈頭可安裝在常規武器上，不易引起外界關注，卻能爆發出遠超常規彈頭的即時殺傷力，將一定距離內的有機生命盡數殺死。尤其令美軍方滿意的是，伽馬彈的射線“幾乎不會產生”輻射污染。但國際軍事界普遍對美國秘密研發伽馬彈表示關注，他們擔心此舉可能引發新一輪的軍備競賽。
美國國防部內一些技術專家也承認，由於核心技術難題的攻關仍未完成，要想實際部署伽馬彈，最快也得在數十年後。但《軍用關鍵技術清單》提醒人們，“從人類首次發現核聚變原理到1945年引爆第一枚核子彈，只不過用了6年時間。”
