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核同质异能素

核同质异能素（英语：Nuclear isomer），亦称同质异能素、同核异构体、同核异构物、核异构素、异构核，是指原子核处于亚稳态的核素。当原子核中的一个或多个核子处于比基态更高的能阶，会使原子核处于激发态，这种状态下原子核内的核子会占用能量更高的核子轨道。激发态原子核通常会在无法直接测量的极短时间内（约10−12秒）以γ射线的形式放出能量（γ衰变或内转换（英语：Internal conversion））而回复到基态，而某些激发态原子核的半衰期比一般的激发态原子核的半衰期要长（通常达到100~1000倍的时间），因此被称作处于“亚稳态”（英语：Metastability）。[1]“亚稳态”一词通常指半衰期大于10−9秒的激发态原子核，一些文献中以5 × 10−9秒为界限来区分亚稳态原子核和一般的“瞬间”衰变激发态原子核。[2]亚稳态原子核由于具有可测量的较长半衰期，在核物理学上被视为和基态原子核不同的核素，称作核同质异能素[3]，并在核素的质量数后附上“m”作为标记，如𨱏-99m（99m
Tc
）、钴-60m（60m
Co
）等。[1]若某原子存在多个亚稳态时，则使用m1、m2、m3等，按照激发能量从低到高进行标记，如钴-58m1（58m1
Co
）、铪-177m2（177m2
Hf
）。

核同质异能素发生的γ衰变也被称为同质异能跃迁、异构物跃迁、异构素跃迁、核异构跃迁或同质异能递移，不过除了发生衰变前的原子的亚稳态能持续较长时间外，这一过程和一般激发态原子核的γ衰变没有区别。

核同质异能素最早由奥托·哈恩于1921年在铀-238的衰变链中发现，当时发现的核同质异能素及其基态核素被命名为“铀X2”和“铀Z”，今日称作镤-234m（234m
Pa
）和镤-234（234
Pa
）。[4]

稳定性

核同质异能素的半衰期大多不到一秒，有些种类可以达到数分钟、数小时甚至数年。也有非常极端的例子，比如钽-180m1（180m1
Ta
）的半衰期就长到至今都没能观测到其衰变（推测至少有1.2×1015年，已经超过了宇宙已存在的时间），是最长寿的核同质异能素，也是核同质异能素中唯一的稳定核素。也有少数核同质异能素的半衰期超过其对应的基态核素的半衰期，例如前述的钽-180m1（180m1
Ta
）在观测上是稳定的，然而其基态核素钽-180（180
Ta
）的半衰期仅约8小时。同样的例子还有铼-186m（186m
Re
）、铱-192m2（192m2
Ir
）、铋-210m（210m
Bi
）、钋-212m（212m
Po
）、鋂-242m1（180m1
Ta
）和多种钬的核同质异能素等。

核同质异能素之所以能比一般的激发态原子核存续更长的时间，通常是因为从亚稳态进行γ衰变需要的核自旋改变量较大，使得其发生极为困难甚至是不可能，例如医疗中常用的𨱏-99m（99m
Tc
）自旋为1/2+，其基态𨱏-99（英语：Technetium-99）（99
Tc
）自旋为9/2+，99m
Tc
衰变时会放出能量为140keV的γ射线（与医疗用X射线差不多），半衰期约6.01小时。

另外，激发态的激发能量的高低也会关系到衰变速率，当激发能量很低的时候衰变同样会变慢。钍-229m（229m
Th
）是目前发现的激发能量最低的核同质异能素，仅有8.28 ± 0.17 eV。[5]180m1
Ta
的自旋为−9，而其基态180
Ta
的自旋为1+，同时其激发能量也非常低（77keV），所以γ衰变和β衰变都几乎不可能发生，导致其半衰期极长。

衰变过程

同质异能跃迁

如同一般的激发态原子核，核同质异能素也会以γ射线的形式放出能量并衰变为较低的核能态。核同质异能素的γ衰变也被称为同质异能跃迁、异构物跃迁、异构素跃迁、核异构跃迁或同质异能递移（英语：isomeric transition，IT），分为以下两种类型：[6][7][3][1]

只有在原子的内层的电子才能参与内转换，这些电子的运动轨迹可能会穿过原子核，在电子靠近的过程中，二者间会产生极强的电场力，导致核子的重新排布和电子飞出。

某些情况下，通过γ衰变产生的光子会直接命中原子核外的电子，并使其获得足以脱离原子核束缚的能量而电离（此即光电效应）。注意不要将内转换和光电效应混淆，内转换的过程中没有光子这一中间产物。

其他衰变途径

除了以同质异能跃迁的方式衰变回基态外，有些核同质异能素也可能以其他衰变途径衰变成其他元素，比如镏-177m3（177m3
Lu
）有78.3%的机率直接通过半衰期为160.4天的β衰变变成铪-177（177
Hf
，过程中伴随着γ衰变），或者有21.7%的机率先通过半衰期为160.4天的同质异能跃迁变成基态镏-177（177
Lu
），然后再通过一个半衰期为6.68天的β衰变变成177
Hf
。[8]锡-121m1（121m1
Sn
）则有22.4%的机率直接通过半衰期为43.9年的β衰变变成锑-121（121
Sb
），或者有77.6%的机率先通过半衰期为43.9年的同质异能跃迁变成基态锡-121（121
Sn
），然后再通过一个半衰期为27.03小时的β衰变变成121
Sb
。此外铌还有多种核同质异能素只会通过β衰变变成锆的同位素，而不会发生同质异能跃迁回到基态。

裂变同质异能素

除了由于核子的激发造成的同质异能情况外，还有一种由于原子核结构造成的同质异能。比如，很多锕系元素在基态下，原子核并不是球形的，而是类球面结构，其中最常见的是类似于橄榄球的长球面，不过更接近球形。在这种情况下，按照量子力学，核子的可能分布中会出现较长的长球面分布（和橄榄球差不多），这种分布模式会严重阻碍原子核向基态衰变，而倾向于发生自发分裂。通常其裂变半衰期只有几纳秒到几毫秒，但是相对一个激发态原子核通常能存在的极短时间来说，已经很长了。这种同质异能素称作裂变同质异能素（英语：fission isomer）或形状同质异能素（英语：shape isomer），通常以“f”附加在质量数后表示，以区别核子激发造成的同质异能，例如钚-240，可表示为钚-240f（240f
Pu
）[来源请求]。

应用

铪的核同质异能素（主要为178m2
Hf
）可能可以被诱导产生极强的γ射线，因此或许可以被用于规避不扩散核武器条约的限制[9][10]。美国国防高等研究计划署曾经有对这一应用做过调研[11]。

不过，截至2004年，只有180m1
Ta
被成功地诱导衰变[12][13]，并且诱导所需要的X射线的能量超过了衰变所放出的能量[8]。尽管如此，由12个成员组成的HIPP已经开始评估各种量产铪核同质异能素的方法了。[14]

锝的核同质异能素99m
Tc
（半衰期6.01小时）和95m
Tc
（半衰期61天）在医疗和工业领域中有所应用。

核电池

 
177m
Lu
转变为177
Hf
的核衰变途径

核电池会使用极微量的高能量放射性核素。有一种设计是把放射性材料放在PN结上，材料产生的电离辐射便会在结中产生电子空穴。核同质异能素可以用于替代这些放射材料，并且随着科技发展，我们将有能力控制使用核同质异能素的核电池的开关。目前的候选核素包括108
Ag
、166
Ho
、177
Lu
和241
Am
。[8]

177
Lu
等核素的原子核内部经过一系列的衰变，会放出许多γ射线。研究认为，若是能够掌握在这一系列能量级之间跃迁的条件，我们能够做出比现有的化学电池的能量密度高106倍的储能设备。[8]比如178m2
Hf
自然衰变时会放出2.45MeV的能量，也就是说1g的178m2
Hf
内含有的能量相当于315kg的TNT，而且它可以以很高的功率输出能量（1018W）。目前正在研究以其他种类的核同质异能素来诱导178m2
Hf
衰变的方法。[15][16]

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 魏明通. 核化學. 五南图书出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5. 
  2. ^ Walker, Philip M.; Carroll, James J. Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future (PDF). Nuclear Physics News. 2007, 17 (2): 11–15 [2013-06-04]. doi:10.1080/10506890701404206. （原始内容存档 (PDF)于2016-03-03）. 
  3. ^ 3.0 3.1 叶锡溶 蔡长书. 放射化學（第二版）. 台湾台北县: 新文京开发出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（台湾））. 
  4. ^ Hahn, Otto. Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran. Die Naturwissenschaften. 1921, 9 (5): 84. Bibcode:1921NW......9...84H. doi:10.1007/BF01491321. 
  5. ^ S.B. Utter; et al. Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in 229Th. Phys. Rev. Lett. 1999, 82 (3): 505–508. Bibcode:1999PhRvL..82..505U. doi:10.1103/PhysRevLett.82.505. 
  6. ^ Darling, David. isomeric transition. Encyclopedia of Science. [2019-08-16]. （原始内容存档于2023-11-29）. 
  7. ^ Gardiner, Steven. How to read nuclear decay schemes from the WWW Table of Radioactive Isotopes (PDF). University of California. 2017-08-12 [2019-08-16]. （原始内容 (PDF)存档于2018-09-21）. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 M.S. Litz and G. Merkel. Controlled extraction of energy from nuclear isomers (PDF). 2004-12-00 （原文如此） [2013-06-04]. （原始内容存档于2013-07-12）. 
  9. ^ David Hambling. Gamma-ray weapons. Reuters EurekAlert. New Scientist. 16 August 2003 [12 December 2010]. （原始内容存档于2013-07-12）. 
  10. ^ Jeff Hecht. A perverse military strategy. New Scientist. 19 June 2006 [12 December 2010]. （原始内容存档于2013-07-12）. 
  11. ^ S. Weinberger. Scary things come in small packages. Sunday Supplement Magazine. 华盛顿邮报. 28 March 2004 [2009-05-03]. （原始内容存档于2010年12月29日）. 
  12. ^ C.B. Collins; et al. Depopulation of the isomeric state 180Tam by the reaction 180Tam(γ,γ′)180Ta (PDF). Phys. Rev. C. 1988, 37 (5): 2267–2269 [2013-06-06]. Bibcode:1988PhRvC..37.2267C. doi:10.1103/PhysRevC.37.2267. （原始内容 (PDF)存档于2007-09-28）. 
  13. ^ D. Belic; et al. Photoactivation of 180Tam and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope. Phys. Rev. Lett. 1999, 83 (25): 5242. Bibcode:1999PhRvL..83.5242B. doi:10.1103/PhysRevLett.83.5242. 
  14. ^ Superbomb ignites science dispute. San Francisco Chronicle. 2003-09-28. （原始内容存档于2012-06-15）. 
  15. ^ UNH researchers search for stimulated gamma ray emission. UNH Nuclear Physics Group. 1997 [1 June 2006]. （原始内容存档于2006年9月5日）. 
  16. ^ P. M. Walker and J. J. Carroll. Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future. Nuclear Physics News. 2007, 17 (2): 11. doi:10.1080/10506890701404206. [永久失效链接]

外部链接

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