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核同质异能素

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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-99m99m
Tc
)、钴-60m60m
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-58m158m1
Co
)、铪-177m2177m2
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-234m234m
Pa
)和镤-234234
Pa
)。[4]

稳定性

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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-180m1180m1
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-186m186m
Re
)、铱-192m2192m2
Ir
)、铋-210m210m
Bi
)、钋-212m212m
Po
)、鋂-242m1180m1
Ta
)和多种的核同质异能素等。

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-99m99m
Tc
)自旋为1/2+,其基态𨱏-99英语Technetium-9999
Tc
)自旋为9/2+,99m
Tc
衰变时会放出能量为140keVγ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-229m229m
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

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同质异能跃迁

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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同质异能递移(英语:isomeric transitionIT),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

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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-177m3177m3
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-177177
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-121m1121m1
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-121121
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-121121
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

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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
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应用

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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]

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

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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
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1g178m2
Hf
内含有的能量相当于315kgTNT,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

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  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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