激發(fā)態(tài)：原子核的多米諾骨牌

核同質(zhì)異能素是什么？它為什么有如此驚人的能量密度，卻不需要核聚變的苛刻條件？這要從它的原理談起。

顧名思義，核同質(zhì)異能素是有相同質(zhì)子和中子數(shù)，卻有不同能量的核素。它是原子核的“激發(fā)態(tài)”。

“激發(fā)態(tài)”在我們的生活中很常見。譬如，火焰的光芒便來自核外電子的“激發(fā)”和“退激發(fā)”。燃燒發(fā)生時，電子從激發(fā)態(tài)軌道躍遷到基態(tài)軌道1，軌道間的能量差轉(zhuǎn)化為光子，這便是火光。幾乎所有發(fā)生能量變化的化學反應，都涉及了電子的激發(fā)和退激發(fā)。

其實，原子核也可以被激發(fā)，形成“核同質(zhì)異能素”。它釋放的能量可達化學燃燒的1萬倍以上。但想可控地利用它，還需要解決兩個難題。

圖1 核外電子和原子核的激發(fā)態(tài)和躍遷（示意圖）

第一個問題是“壽命”。自1921年奧托·哈恩和莉澤·邁特納發(fā)現(xiàn)核異能素以來，核物理學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近2500種原子核激發(fā)態(tài)[2]。但常見的高能激發(fā)態(tài)壽命都在皮秒（10～12秒）到毫秒量級；部分激發(fā)態(tài)壽命很長，但能量很低，能量密度甚至不如普通的化學電池。僅有少量核同質(zhì)異能素的壽命、能量都滿足核電池的要求。例如，鉿178m2半衰期長達31年，衰變時釋放2.5MeV的高能伽馬射線。《三體》中人類艦隊裝備的伽馬射線激光炮，炮膛很可能是由這種材料填充的。

第二個問題是“同步”，即讓“大量”原子核同時釋放能量。1938年，人們就知道鈾核裂變會釋放能量，但反應僅局限在少量的原子核。直到1942年費米等人利用中子誘發(fā)了鏈式反應，“一整塊”鈾才有了制成原子彈的可能性。核同質(zhì)異能素也是類似的：個別原子核的激發(fā)相對容易，但大量原子核（1023個以上）的激發(fā)是隨機和不可控的。這就像一個一邊注水、一邊隨機地漏水的水池。很顯然，沒人想要一塊這樣的電池！

固體激光器提供了一種解決問題的思路：1960年，美國科學家梅曼成功讓“一整塊”紅寶石里的原子在一瞬間“同步”地釋放能量。這利用了核外電子的“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”。

什么是“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”呢？不妨把原子核視為一個“三角形骨牌”（圖2）。“基態(tài)”的骨牌平放在地面上，能量最低，也最穩(wěn)定，任何擾動都無法改變它的姿態(tài)；“激發(fā)態(tài)”的骨牌尖端朝下豎起，能量最高，但也最不穩(wěn)定，任何擾動都會讓它倒下。對于核同質(zhì)異能素而言，這個“擾動”和“倒下”的時間大多在皮秒到毫秒量級（圖3），因為過快而完全不可利用。

圖2 不同激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性（示意圖）

圖3 從基態(tài)向不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)的躍遷（示意圖）

但某些原子核可能具有“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”——它可以被視為一塊尖端朝上豎起的三角形骨牌（圖2）。它的能量比不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)低，但穩(wěn)定性更好，小擾動無法撼動，必須足夠大的擾動才能把它放倒。因此，當外來能量注入時，原子核將陸續(xù)充能到“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”，不會馬上退激發(fā)。于是，這樣的“亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)”原子核越來越多，直到其數(shù)量遠遠超過基態(tài)原子核，達到所謂的“布居數(shù)反轉(zhuǎn)”狀態(tài)，“一整塊”核同質(zhì)異能素便完成了充能（圖 4）。

圖4 從基態(tài)向亞穩(wěn)定激發(fā)態(tài)的躍遷（示意圖）

接下來，就是能量的受控釋放了。一些實驗表明，使用0.2 MeV的低能X射線轟擊鉿-178m2有一定概率誘導其退激至基態(tài)，釋放2.447 MeV的伽馬射線，輸出能量是輸入的100倍[3]。據(jù)研究者推測，這可能是某種“鏈式反應”的體現(xiàn)——大量原子核被激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)后，形成了“多米諾骨牌”效應（圖4）。只要一塊被推倒，能量便會“雪崩”式地釋放。

如果這個推測成立，那么，一個“美好”的新世界，或一個恐怖的大變局，可能將在短短幾十年內(nèi)轟然降臨。