核同质异能素

核同质异能素（），亦稱同质异能素、-{zh-cn:同核异构体;zh-tw:核同質異能素}-、-{zh-cn:同核异构物;zh-tw:同核異構體}-、核異構素、異構核，是指原子核處於亞穩態的核素。當原子核中的一個或多個核子處於比基態更高的能階，會使原子核處於激发态，这种状态下原子核内的核子会占用能量更高的核子轨道。激發態原子核通常會在無法直接測量的極短時間內（約10−12秒）以γ射線的形式放出能量（γ衰變或）而回復到基態，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”（）。“亞穩態”一詞通常指半衰期大於10−9秒的激發態原子核，一些文獻中以5 × 10−9秒為界限來區分亞穩態原子核和一般的“瞬間”衰變激發態原子核。亞穩態原子核由於具有可測量的較長半衰期，在核物理學上被視為和基態原子核不同的核素，稱作核同质异能素，并在核素的质量数后附上“m”作为标记，如鎝-99m（）、鈷-60m（）等。若某原子存在多个亚稳态时，則使用m1、m2、m3等，按照激发能量从低到高进行标记，如鈷-58m1（）、鉿-177m2（）。由裂变过程产生的异构体，则将标记“m”换作“f”，如钚-240f（）。

同核异构体可以分为三类：自旋异构体（spin isomer），K异构体（K isomer），裂变或形状异构体（fission/shape isomer）。

核同质异能素发生的γ衰变也被称为同质异能跃迁、-{zh-cn:异构物跃迁;zh-tw:同質異能躍遷}-、異構素躍遷、核異構躍遷或同質異能遞移，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年在鈾-238的衰變鏈中发现，当时发现的核同质异能素及其基態核素被命名为“铀X2”和“铀Z”，今日稱作鏷-234m（）和鏷-234（）。

 穩定性 
核同质异能素的半衰期大多不到一秒，有些種類可以達到數分鐘、數小時甚至數年。也有非常极端的例子，比如鉭-180m1（）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），是最長壽的核同质异能素，也是核同质异能素中唯一的穩定核素。也有少數核同质异能素的半衰期超過其對應的基態核素的半衰期，例如前述的鉭-180m1（）在觀測上是穩定的，然而其基態核素鉭-180（）的半衰期僅約8小時。同樣的例子還有錸-186m（）、銥-192m2（）、鉍-210m（）、釙-212m（）、鋂-242m1（）和多種鈥的核同质异能素等。

核同质异能素之所以能比一般的激發態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，例如医疗中常用的鎝-99m（）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），半衰期約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。釷-229m（）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。的自旋为−9，而其基态的自旋为1+，同时其激发能量也非常低（77keV），所以γ衰变和β衰变都几乎不可能發生，导致其半衰期极长。

 衰变过程 
 同质异能跃迁 
如同一般的激發態原子核，核同质异能素也會以γ射線的形式放出能量並衰變為較低的核能態。核同质异能素的γ衰变也被称为同质异能跃迁、-{zh-cn:异构物跃迁;zh-tw:同質異能躍遷}-、異構素躍遷、核異構躍遷或同質異能遞移（，IT），分為以下兩種類型：
 純γ發射：原子核放出γ射線（高能光子）
 ：原子核將能量轉移給核外電子，使之电离、放出

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變回基態外，有些核同质异能素也可能以其他衰變途徑衰變成其他元素，比如鎦-177m3（）有78.3%的機率直接通过半衰期为160.4天的β衰变变成鉿-177（，过程中伴随着γ衰变），或者有21.7%的機率先通过半衰期为160.4天的同质异能跃迁变成基態鎦-177（），然后再通过一个半衰期为6.68天的β衰变变成。錫-121m1（）則有22.4%的機率直接通过半衰期为43.9年的β衰变变成銻-121（），或者有77.6%的機率先通过半衰期为43.9年的同质异能跃迁变成基態錫-121（），然后再通过一个半衰期为27.03小時的β衰变变成。此外鈮還有多種核同质异能素只會通過β衰變變成鋯的同位素，而不會發生同质异能跃迁回到基態。

 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，而是類球面结构，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，而倾向于发生自發分裂。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極短时间来说，已经很长了。这种同质异能素稱作裂变同质异能素（）或形状同质异能素（），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，可表示為钚-240f（）。

 应用 
铪的核同质异能素（主要為）可能可以被诱导产生极强的γ射线，因此或许可以被用于規避不扩散核武器条约的限制。美国國防高等研究計劃署曾经有对这一应用做过调研。

不过，截至2004年，只有被成功地诱导衰变，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。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。

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

 核电池 
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，我们將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、、和。

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。比如自然衰变时会放出2.45MeV的能量，也就是说1g的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衰变的方法。

 參考文獻 

 外部連結 
Research group which presented initial claims of hafnium nuclear isomer de-excitation control.  – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
 report on high energy nuclear materials  mentioned in the Washington Post story above
 login required?
Confidence for Hafnium Isomer Triggering in 2006. – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
Reprints of articles about nuclear isomers in peer reviewed journals. – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.

Category:原子核物理学