同核異構物
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同核異構物(英語: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種。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態。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」(英語:Metastability)。[1]「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。[2]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種,稱作同核異構物[3],並在核種的質量數後附上「m」作為標記,如鍀-99m(99m
Tc
)、鈷-60m(60m
Co
)等。[1]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(58m1
Co
)、鉿-177m2(177m2
Hf
)。
同核異構物發生的γ衰變也被稱為異構物躍遷、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。
同核異構物最早由奧托·哈恩於1921年在鈾-238的衰變鏈中發現,當時發現的同核異構物及其基態核種被命名為「鈾X2」和「鈾Z」,今日稱作鏷-234m(234m
Pa
)和鏷-234(234
Pa
)。[4]
同核異構物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(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),是最長壽的同核異構物,也是同核異構物中唯一的穩定核種。也有少數同核異構物的半衰期超過其對應的基態核種的半衰期,例如前述的鉭-180m1(180m1
Ta
)在觀測上是穩定的,然而其基態核種鉭-180(180
Ta
)的半衰期僅約8小時。同樣的例子還有錸-186m(186m
Re
)、銥-192m2(192m2
Ir
)、鉍-210m(210m
Bi
)、釙-212m(212m
Po
)、鎇-242m1(180m1
Ta
)和多種鈥的同核異構物等。
同核異構物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,例如醫療中常用的鍀-99m(99m
Tc
)自旋為1/2+,其基態鍀-99(99
Tc
)自旋為9/2+,99m
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(229m
Th
)是目前發現的激發能量最低的同核異構物,僅有8.28 ± 0.17 eV。[5]180m1
Ta
的自旋為−9,而其基態180
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。
如同一般的激發態原子核,同核異構物也會以γ射線的形式放出能量並衰變為較低的核能態。同核異構物的γ衰變也被稱為異構物躍遷、同質異能躍遷、異構素躍遷、核異構躍遷或同質異能遞移(英語:isomeric transition,IT),分為以下兩種類型:[6][7][3][1]
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,導致核子的重新排佈和電子飛出。
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。
除了以異構物躍遷的方式衰變回基態外,有些同核異構物也可能以其他衰變途徑衰變成其他元素,比如鑥-177m3(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(177
Hf
,過程中伴隨着γ衰變),或者有21.7%的機率先通過半衰期為160.4天的異構物躍遷變成基態鑥-177(177
Lu
),然後再通過一個半衰期為6.68天的β衰變變成177
Hf
。[8]錫-121m1(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(121
Sb
),或者有77.6%的機率先通過半衰期為43.9年的異構物躍遷變成基態錫-121(121
Sn
),然後再通過一個半衰期為27.03小時的β衰變變成121
Sb
。此外鈮還有多種同核異構物只會通過β衰變變成鋯的同位素,而不會發生異構物躍遷回到基態。
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,而傾向於發生自發裂變。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(英語:fission isomer)或形狀同質異能素(英語: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,例如鈈-240,可表示為鈈-240f(240f
Pu
)[來源請求]。
鉿的同核異構物(主要為178m2
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[9][10]。美國國防高等研究計劃署曾經有對這一應用做過調研[11]。
不過,截至2004年,只有180m1
Ta
被成功地誘導衰變[12][13],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[8]。儘管如此,由12個成員組成的HIPP已經開始評估各種量產鉿同核異構物的方法了。[14]
鍀的同核異構物99m
Tc
(半衰期6.01小時)和95m
Tc
(半衰期61天)在醫療和工業領域中有所應用。
核電池會使用極微量的高能量放射性核種。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電洞。同核異構物可以用於替代這些放射材料,並且隨着科技發展,我們將有能力控制使用同核異構物的核電池的開關。目前的候選核種包括108
Ag
、166
Ho
、177
Lu
和241
Am
。[8]
177
Lu
等核種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。[8]比如178m2
Hf
自然衰變時會放出2.45MeV的能量,也就是說1g的178m2
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同核異構物來誘導178m2
Hf
衰變的方法。[15][16]