核同质异能素

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核同质异能素（亦称同核异构体）指的是由于某个原子的原子核内核子（质子或中子）处于激发态，而产生原子核的亚稳态，这种状态下原子核内的核子会占用能量更高的核子轨道。这通常是核反应的产物。由于这些在激发态的核子的半衰期比常见的激发态的核子的半衰期要长（通常达到100~1000倍的时间），因此被称作处于“亚稳态”（英语：Metastability），并在原子的质量数后附上“m”作为标记，如58m27Co。在有多个亚稳态时，使用m1、m2、m3等，按照激发能量从低到高进行标记，如177m272Hf。通常，这一术语只指那些半衰期在10−9秒以上的状态，一些学术文章中更是推荐以5×10−9秒作为最短的半衰期。[1]

某些情况下，这种状态可以持续数小时到数年，也有非常极端的例子，比如180m173Ta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）。核同质异能素发生的γ衰变有时会被称为同质异能跃迁，不过除了衰变发生前的原子的亚稳态能持续较长时间外，这一过程和普通的γ衰变没有区别。

核同质异能素之所以可以存续较长的时间，通常是因为从这一状态进行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99m43Tc自旋为+1/2，其基态自旋为+9/2，衰变时会放出能量为140keV的γ射线（与医疗用X射线差不多），并拥有6.01小时的半衰期。

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。22990Th是目前发现的激发能量最低的同质异能素，仅有7.6±0.5 eV，因此至今未观测到其γ衰变[2]，不过如果它发生γ衰变的话，其放出的γ射线的能量仅仅会与紫外线相当[3]。180m173Ta的自旋为-9，而其基态18073Ta的自旋为+1，同时其激发能量非常低（75keV），所以γ衰变和β衰变都几乎不可能，导致其半衰期极长。

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，而倾向于发生自发裂变。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时间来说，已经很长了。这种同质异能素通常以“f”附加在质量数后，以区别核子激发造成的同质异能，如240f94Pu。

核同质异能素最早由奥托·哈恩发现于1921年，当时发现的两个核同质异能素被称为“铀X2”和“铀Z”，而换做现在的命名方式，即234m91Pa和23491Pa。[4]

应用

铪的同质异能素可能可以被诱导产生极强的γ射线，因此或许可以被用于绕过不扩散核武器条约的限制[5][6]。美国国防高等研究计划署曾经有对这一应用做过调研[7]。

不过，截至2004年，只有180m173Ta被成功地诱导衰变[8][9]，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[10]。尽管如此，由12个成员组成的HIPP已经开始评估各种量产铪同质异能素的方法了。[11]

锝的同质异能素99m43Tc（半衰期6.01小时）和95m43Tc（半衰期61天）在医疗和工业领域中有所应用。

核电池

镥的各种核同质异能素的能量级

核电池会使用极微量的高能量放射性同位素。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，我们可能能够控制使用核同质异能素的核电池的开关。目前的候选包括10847Ag、16667Ho、17771Lu和24195Am。[10]

生产17771Lu时，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。[10]比如178m272Hf自然衰变时会放出2.45MeV的能量，也就是说1g的178m272Hf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同质异能素来诱导178m272Hf衰变的方法。[12][13]

衰变过程

核同质异能素可以通过两种方式衰变：

  1. γ衰变，即放出一个高能光子
  2. 内转换，即用衰变能量电离自身

核同质异能素可能会有多条衰变途径，比如177m71Lu可以直接通过半衰期为160.4天的β衰变变成17772Hf（过程中伴随着γ衰变），或者先通过半衰期为160.4天的内转换变成17771Lu，然后再通过一个半衰期为6.68天的β衰变变成17772Hf。[10]

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，产生光电效应。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。

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。

参考

  1. ↑ Nuclear isomers
  2. ↑ 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. 
  3. ↑ R.W. Shaw, J.P. Young, S.P. Cooper, O.F. Webb. Spontaneous Ultraviolet Emission from 233Uranium/229Thorium Samples. Physical Review Letters. 1999-02-08, 82 (6): 1109–1111. Bibcode:1999PhRvL..82.1109S. doi:10.1103/PhysRevLett.82.1109. 
  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. ↑ David Hambling. Gamma-ray weapons. Reuters EurekAlert. New Scientist. 16 August 2003 [12 December 2010]. 
  6. ↑ Jeff Hecht. A perverse military strategy. New Scientist. 19 June 2006 [12 December 2010]. 
  7. ↑ S. Weinberger. Scary things come in small packages. Sunday Supplement Magazine. 华盛顿邮报. 28 March 2004 [2009-05-03]. 
  8. ↑ 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. 
  9. ↑ 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. 
  10. ↑ 10.0 10.1 10.2 10.3 M.S. Litz and G. Merkel. Controlled extraction of energy from nuclear isomers (PDF). 2004-12-00 [原文如此]. 
  11. ↑ Superbomb ignites science dispute. San Francisco Chronicle. 2003-09-28. 
  12. ↑ UNH researchers search for stimulated gamma ray emission. UNH Nuclear Physics Group. 1997 [1 June 2006]. 
  13. ↑ 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]
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