核同质异能素

核同质异能素（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的核素。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衰变或内转换）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”（Metastability）。“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。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，并在核素的质量数后附上“m”作为标记，如锝-99m（Tc）、钴-60m（Co）等。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-58m1（Co）、铪-177m2（Hf）。由裂变过程产生的异构体，则将标记“m”换作“f”，如钚-240f（Pu）。

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、异构物跃迁、异构素跃迁、核异构跃迁或同质异能递移，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的衰变链中发现，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-234m（Pa）和镤-234（Pa）。

## 稳定性

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-180m1（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（Ta）在观测上是稳定的，然而其基态核素钽-180（Ta）的半衰期仅约8小时。同样的例子还有铼-186m（Re）、铱-192m2（Ir）、铋-210m（Bi）、钋-212m（Po）、镅-242m1（Am）和多种钬的核同质异能素等。

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，例如医疗中常用的锝-99m（Tc）自旋为1/2+，其基态锝-99（Tc）自旋为9/2+，Tc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-229m（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。Ta的自旋为−9，而其基态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

### 同质异能跃迁

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、核异构跃迁或同质异能递移（isomeric transition，IT），分为以下两种类型：

- 纯γ发射：原子核放出γ射线（高能光子）
- 内转换：原子核将能量转移给核外电子，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-177m3（Lu）有78.3%的几率直接通过半衰期为160.4天的β衰变变成铪-177（Hf，过程中伴随着γ衰变），或者有21.7%的几率先通过半衰期为160.4天的同质异能跃迁变成基态镏-177（Lu），然后再通过一个半衰期为6.68天的β衰变变成Hf。锡-121m1（Sn）则有22.4%的几率直接通过半衰期为43.9年的β衰变变成锑-121（Sb），或者有77.6%的几率先通过半衰期为43.9年的同质异能跃迁变成基态锡-121（Sn），然后再通过一个半衰期为27.03小时的β衰变变成Sb。此外铌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

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（fission isomer）或形状同质异能素（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（Pu）。

## 应用

铪的核同质异能素（主要为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。美国国防高等研究计划署曾经有对这一应用做过调研。

不过，截至2004年，只有Ta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Tc（半衰期6.01小时）和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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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Ag、Ho、Lu和Am。

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。比如Hf自然衰变时会放出2.45MeV的能量，也就是说1g的Hf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Hf衰变的方法。

## 外部链接

- Research group which presented initial claims of hafnium nuclear isomer de-excitation control. – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
- JASON (顾问团体) report on high energy nuclear materials mentioned in the Washington Post story above
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- 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.