核同質異能素

核同質異能素（Nuclear isomer），亦稱同質異能素、核同質異能素、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占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10−12秒）以γ射線的形式放出能量（γ衰變或內轉換）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100~1000倍的時間），因此被稱作處於「亞穩態」（Metastability）。「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，稱作核同質異能素，並在核素的質量數後附上「m」作為標記，如鎝-99m（Tc）、鈷-60m（Co）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（Co）、鉿-177m2（Hf）。由裂變過程產生的異構體，則將標記「m」換作「f」，如鈽-240f（Pu）。

同核異構體可以分為三類：自旋異構體（spin isomer），K異構體（K isomer），裂變或形狀異構體（fission/shape isomer）。

核同質異能素發生的γ衰變也被稱為同質異能躍遷、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（Pa）和鏷-234（Pa）。

## 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（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（Ta）在觀測上是穩定的，然而其基態核素鉭-180（Ta）的半衰期僅約8小時。同樣的例子還有錸-186m（Re）、銥-192m2（Ir）、鉍-210m（Bi）、釙-212m（Po）、鋂-242m1（Am）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量較大，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（Tc）自旋為1/2+，其基態鎝-99（Tc）自旋為9/2+，Tc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6.01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（Th）是目前發現的激發能量最低的核同質異能素，僅有8.28 ± 0.17 eV。Ta的自旋為−9，而其基態Ta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、同質異能躍遷、異構素躍遷、核異構躍遷或同質異能遞移（isomeric transition，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）
- 內轉換：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，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（Lu）有78.3%的機率直接通過半衰期為160.4天的β衰變變成鉿-177（Hf，過程中伴隨著γ衰變），或者有21.7%的機率先通過半衰期為160.4天的同質異能躍遷變成基態鎦-177（Lu），然後再通過一個半衰期為6.68天的β衰變變成Hf。錫-121m1（Sn）則有22.4%的機率直接通過半衰期為43.9年的β衰變變成銻-121（Sb），或者有77.6%的機率先通過半衰期為43.9年的同質異能躍遷變成基態錫-121（Sn），然後再通過一個半衰期為27.03小時的β衰變變成Sb。此外鈮還有多種核同質異能素只會通過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（fission isomer）或形狀同質異能素（shape isomer），通常以「f」附加在質量數後表示，以區別核子激發造成的同質異能，例如鈽-240，可表示為鈽-240f（Pu）。

## 應用

鉿的核同質異能素（主要為Hf）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Ta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Tc（半衰期6.01小時）和Tc（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Ag、Ho、Lu和Am。

Lu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倍的儲能設備。比如Hf自然衰變時會放出2.45MeV的能量，也就是說1g的Hf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Hf衰變的方法。

## 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.
- JASON (顧問團體) 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.