核同質異能素，亦稱同質異能素、zhcn 同核異構體；zhtw 核同質異能素、zhcn 同核異構物；zhtw 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，會使原子核處於激發態，這種狀態下原子核內的核子會佔用能量更高的核子軌道。激發態原子核通常會在無法直接測量的極短時間內（約 1012 秒）以 γ 射線的形式放出能量（γ 衰變或）而回復到基態，而某些激發態原子核的半衰期比一般的激發態原子核的半衰期要長（通常達到 1001000 倍的時間），因此被稱作處於 亞穩態。亞穩態 一詞通常指半衰期大於 109 秒的激發態原子核，一些文獻中以 5 109 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，稱作核同質異能素 ，並在核素的質量數後附上 m 作為標記，如鎝 99m、鈷 60m等。若某原子存在多個亞穩態時，則使用 m1、m2、m3 等，按照激發能量從低到高進行標記，如鈷 58m1、鉿 177m2。 核同質異能素髮生的 γ 衰變也被稱為同質異能躍遷、zhcn 異構物躍遷；zhtw 同質異能躍遷、異構素躍遷、核異構躍遷或同質異能遞移，不過除了發生衰變前的原子的亞穩態能持續較長時間外，這一過程和一般激發態原子核的 γ 衰變沒有區別。 核同質異能素最早由奧托哈恩於 1921 年在鈾 238 的衰變鏈中發現，當時發現的核同質異能素及其基態核素被命名為 鈾 X2 和 鈾 Z，今日稱作鏷 234m和鏷 234。 穩定性 核同質異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。也有非常極端的例子，比如鉭 180m1的半衰期就長到至今都沒能觀測到其衰變（推測至少有 121015 年，已經超過了宇宙已存在的時間），是最長壽的核同質異能素，也是核同質異能素中唯一的穩定核素。也有少數核同質異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和多種鈥的核同質異能素等。 核同質異能素之所以能比一般的激發態原子核存續更長的時間，通常是因為從亞穩態進行 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，例如醫療中常用的鎝 99m自旋為 12，其基態自旋為 92，衰變時會放出能量為 140keV 的 γ 射線（與醫療用 X 射線差不多），半衰期約 601 小時。 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。釷 229m是目前發現的激發能量最低的核同質異能素，僅有 828 017 eV。的自旋為9，而其基態的自旋為 1，同時其激發能量也非常低（77keV），所以 γ 衰變和 β 衰變都幾乎不可能發生，導致其半衰期極長。 衰變過程 同質異能躍遷 如同一般的激發態原子核，核同質異能素也會以 γ 射線的形式放出能量並衰變為較低的核能態。核同質異能素的 γ 衰變也被稱為同質異能躍遷、zhcn 異構物躍遷；zhtw 同質異能躍遷、異構素躍遷、核異構躍遷或同質異能遞移（，IT），分為以下兩種型別： 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，使之電離、放出 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。 某些情況下，透過 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而電離（此即光電效應）。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。 其他衰變途徑 除了以同質異能躍遷的方式衰變回基態外，有些核同質異能素也可能以其他衰變途徑衰變成其他元素，比如鎦 177m3有 783 的機率直接透過半衰期為 1604 天的 β 衰變變成鉿 177（，過程中伴隨著 γ 衰變），或者有 217 的機率先透過半衰期為 1604 天的同質異能躍遷變成基態鎦 177，然後再透過一個半衰期為 668 天的 β 衰變變成。錫 121m1則有 224 的機率直接透過半衰期為 439 年的 β 衰變變成銻 121，或者有 776 的機率先透過半衰期為 439 年的同質異能躍遷變成基態錫 121，然後再透過一個半衰期為 2703 小時的 β 衰變變成。此外鈮還有多種核同質異能素只會透過 β 衰變變成鋯的同位素，而不會發生同質異能躍遷回到基態。 裂變同質異能素 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，核子的可能分佈中會出現較長的長球面分佈（和橄欖球差不多），這種分佈模式會嚴重阻礙原子核向基態衰變，而傾向於發生自發分裂。通常其裂變半衰期只有幾納秒到幾毫秒，但是相對一個激發態原子核通常能存在的極短時間來說，已經很長了。這種同質異能素稱作裂變同質異能素或形狀同質異能素，。 應用 鉿的核同質異能素（主要為）可能可以被誘導產生極強的 γ 射線，因此或許可以被用於規避不擴散核武器條約的限制。美國國防高等研究計劃署曾經有對這一應用做過調研 。 不過，截至 2004 年，只有被成功地誘導衰變，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。儘管如此，由 12 個成員組成的 HIPP 已經開始評估各種量產鉿核同質異能素的方法了。 鎝的核同質異能素（半衰期 601 小時）和（半衰期 61 天）在醫療和工業領域中有所應用。 核電池 核電池會使用極微量的高能量放射性核素。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，我們將有能力控制使用核同質異能素的核電池的開關。目前的候選核素包括、、和。 等核素的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 倍的儲能裝置。比如自然衰變時會放出 245MeV 的能量，也就是說 1g 的內含有的能量相當於 315kg 的 TNT，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核同質異能素來誘導衰變的方法。 參考文獻 外部連結 Research group which presented initial claims of hafnium nuclear isomer deexcitation 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 原子核物理學