核同質異能素

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核同質異能素(亦稱同核異構體)指的是由於某個原子原子核核子質子中子)處於激發態,而產生原子核的亞穩態英語Metastability,這種狀態下原子核內的核子會佔用能量更高的核子軌道。這通常是核反應的產物。由於這些在激發態的核子的半衰期比常見的激發態的核子的半衰期要長(通常達到100~1000倍的時間),因此被稱作處於「亞穩態」(英語Metastability),並在原子的質量數後附上「m」作為標記,如58m
27
Co
。在有多個亞穩態時,使用m1、m2、m3等,按照激發能量從低到高進行標記,如177m2
72
Hf
。通常,這一術語只指那些半衰期在10−9秒以上的狀態,一些學術文章中更是推薦以5×10−9秒作為最短的半衰期。[1]

某些情況下,這種狀態可以持續數小時到數年,也有非常極端的例子,比如180m1
73
Ta
的半衰期就長到至今都沒能觀測到其衰變(推測至少有1.2×1015年,已經超過了宇宙存在的時間)。核同質異能素發生的γ衰變有時會被稱為同質異能躍遷,不過除了衰變發生前的原子的亞穩態能持續較長時間外,這一過程和普通的γ衰變沒有區別。

核同質異能素之所以可以存續較長的時間,通常是因為從這一狀態進行γ衰變需要的核自旋改變數較大,使得其發生極為困難甚至是不可能,例如醫療中常用的99m
43
Tc
自旋為+1/2,其基態自旋為+9/2,衰變時會放出能量為140keVγ射線(與醫療用X射線差不多),並擁有6.01小時的半衰期。

另外,激發態的激發能量的高低也會關係到衰變速率,當激發能量很低的時候衰變同樣會變慢。229
90
Th
是目前發現的激發能量最低的同質異能素,僅有7.6±0.5 eV,因此至今未觀測到其γ衰變[2],不過如果它發生γ衰變的話,其放出的γ射線的能量僅僅會與紫外線相當[3]180m1
73
Ta
的自旋為-9,而其基態180
73
Ta
的自旋為+1,同時其激發能量非常低(75keV),所以γ衰變和β衰變都幾乎不可能,導致其半衰期極長。

除了由於核子的激發造成的同質異能情況外,還有一種由於原子核結構造成的同質異能。比如,很多錒系元素在基態下,原子核並不是球形的,而是類球面結構,其中最常見的是類似於橄欖球的長球面,不過更接近球形。在這種情況下,按照量子力學,核子的可能分布中會出現較長的長球面分布(和橄欖球差不多),這種分布模式會嚴重阻礙原子核向基態衰變,而傾向於發生自發裂變。通常其裂變半衰期只有幾奈秒到幾毫秒,但是相對一個激發態原子核通常能存在的時間來說,已經很長了。這種同質異能素通常以「f」附加在質量數後,以區別核子激發造成的同質異能,如240f
94
Pu

核同質異能素最早由奧托·哈恩發現於1921年,當時發現的兩個核同質異能素被稱為「鈾X2」和「鈾Z」,而換做現在的命名方式,即234m
91
Pa
234
91
Pa
[4]

應用[編輯]

的同質異能素可能可以被誘導產生極強的γ射線,因此或許可以被用於繞過不擴散核武器條約的限制[5][6]。美國國防高等研究計劃署曾經有對這一應用做過調研[7]

不過,截至2004年,只有180m1
73
Ta
被成功地誘導衰變[8][9],並且誘導所需要的X射線的能量超過了衰變所放出的能量[10]。儘管如此,由12個成員組成的HIPP已經開始評估各種量產鉿同質異能素的方法了。[11]

的同質異能素99m
43
Tc
(半衰期6.01小時)和95m
43
Tc
(半衰期61天)在醫療和工業領域中有所應用

核電池[編輯]

鑥的各種核同質異能素的能量級

核電池會使用極微量的高能量放射性同位素。有一種設計是把放射性材料放在PN結上,材料產生的電離輻射便會在結中產生電子空穴。核同質異能素可以用於替代這些放射材料,並且隨著科技發展,我們可能能夠控制使用核同質異能素的核電池的開關。目前的候選包括108
47
Ag
166
67
Ho
177
71
Lu
241
95
Am
[10]

生產177
71
Lu
時,原子核內部經過一系列的衰變,會放出許多γ射線。研究認為,若是能夠掌握在這一系列能量級之間躍遷的條件,我們能夠做出比現有的化學電池的能量密度高106倍的儲能設備。[10]比如178m2
72
Hf
自然衰變時會放出2.45MeV的能量,也就是說1g178m2
72
Hf
內含有的能量相當於315kgTNT,而且它可以以很高的功率輸出能量(1018W)。目前正在研究以其他種類的同質異能素來誘導178m2
72
Hf
衰變的方法。[12][13]

衰變過程[編輯]

核同質異能素可以通過兩種方式衰變:

  1. γ衰變,即放出一個高能光子
  2. 內轉換英語Internal conversion,即用衰變能量電離自身

核同質異能素可能會有多條衰變途徑,比如177m
71
Lu
可以直接通過半衰期為160.4天的β衰變變成177
72
Hf
(過程中伴隨著γ衰變),或者先通過半衰期為160.4天的內轉換變成177
71
Lu
,然後再通過一個半衰期為6.68天的β衰變變成177
72
Hf
[10]

某些情況下,通過γ衰變產生的光子會直接命中原子核外的電子,並使其獲得足以脫離原子核束縛的能量,產生光電效應。注意不要將內轉換和光電效應混淆,內轉換的過程中沒有光子這一中間產物。

只有在原子的內層的電子才能參與內轉換,這些電子的運動軌跡可能會穿過原子核,在電子靠近的過程中,二者間會產生極強的電場力,導致核子的重新排布和電子飛出。

參考[編輯]

  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. 華盛頓郵報. 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. Phys. Rev. C. 1988, 37 (5): 2267–2269. 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. 2004-12-00 [sic]. 
  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]. (原始內容存檔於5 September 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.