核同質異能素

核同質異能素（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（英語：Internal conversion））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素，稱作核同質異能素^[3]，並在核素的質量數後附上「m」作為標記，如鎝-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
）。

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（234m
Pa
）和鏷-234（234
Pa
）。^[4]

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（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（180m1
Ta
）在觀測上是穩定的，然而其基態核素鉭-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
）、鋂-242m1（180m1
Ta
）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（99m
Tc
）自旋為1/2+，其基態鎝-99（英語：Technetium-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核同質異能素，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。

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（英語：isomeric transition，IT），分為以下兩種類型：^[6]^[7]^[3]^[1]

純γ發射：原子核放出γ射線（高能光子）
內轉換（英語：Internal conversion）：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（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天的同質異能躍遷變成基態鎦-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年的同質異能躍遷變成基態錫-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（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]}。

應用

鉿的核同質異能素（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核同質異能素的方法了。^[14]

鍀的核同質異能素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

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，並且隨着科技發展，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108
Ag
、166
Ho
、177
Lu
和241
Am
。^[8]

177
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。^[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核同質異能素來誘導178m2
Hf
衰變的方法。^[15]^[16]

參考文獻

^ ^1.0 ^1.1 ^1.2 魏明通. 核化學. 五南圖書出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5.
^ Walker, Philip M.; Carroll, James J. Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future (PDF). Nuclear Physics News. 2007, 17 (2): 11–15 [2013-06-04]. doi:10.1080/10506890701404206. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-03）.
^ ^3.0 ^3.1 葉錫溶蔡長書. 放射化學（第二版）. 台灣台北縣: 新文京開發出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（臺灣））.
^ Hahn, Otto. Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran. Die Naturwissenschaften. 1921, 9 (5): 84. Bibcode:1921NW......9...84H. doi:10.1007/BF01491321.
^ S.B. Utter; et al. Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in ²²⁹Th. Phys. Rev. Lett. 1999, 82 (3): 505–508. Bibcode:1999PhRvL..82..505U. doi:10.1103/PhysRevLett.82.505.
^ Darling, David. isomeric transition. Encyclopedia of Science. [2019-08-16]. （原始內容存檔於2023-11-29）.
^ Gardiner, Steven. How to read nuclear decay schemes from the WWW Table of Radioactive Isotopes (PDF). University of California. 2017-08-12 [2019-08-16]. （原始內容 (PDF)存檔於2018-09-21）.
^ ^8.0 ^8.1 ^8.2 ^8.3 M.S. Litz and G. Merkel. Controlled extraction of energy from nuclear isomers (PDF). 2004-12-00 （原文如此） [2013-06-04]. （原始內容存檔於2013-07-12）. 請檢查|date=中的日期值 (幫助)
^ David Hambling. Gamma-ray weapons. Reuters EurekAlert. New Scientist. 16 August 2003 [12 December 2010]. （原始內容存檔於2013-07-12）.
^ Jeff Hecht. A perverse military strategy. New Scientist. 19 June 2006 [12 December 2010]. （原始內容存檔於2013-07-12）.
^ S. Weinberger. Scary things come in small packages. Sunday Supplement Magazine. 華盛頓郵報. 28 March 2004 [2009-05-03]. （原始內容存檔於2010年12月29日）.
^ C.B. Collins; et al. Depopulation of the isomeric state ¹⁸⁰Ta^m by the reaction ¹⁸⁰Ta^m(γ,γ′)¹⁸⁰Ta (PDF). Phys. Rev. C. 1988, 37 (5): 2267–2269 [2013-06-06]. Bibcode:1988PhRvC..37.2267C. doi:10.1103/PhysRevC.37.2267. （原始內容 (PDF)存檔於2007-09-28）.
^ D. Belic; et al. Photoactivation of ¹⁸⁰Ta^m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope. Phys. Rev. Lett. 1999, 83 (25): 5242. Bibcode:1999PhRvL..83.5242B. doi:10.1103/PhysRevLett.83.5242.
^ Superbomb ignites science dispute. San Francisco Chronicle. 2003-09-28. （原始內容存檔於2012-06-15）.
^ UNH researchers search for stimulated gamma ray emission. UNH Nuclear Physics Group. 1997 [1 June 2006]. （原始內容存檔於2006年9月5日）.
^ P. M. Walker and J. J. Carroll. Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future. Nuclear Physics News. 2007, 17 (2): 11. doi:10.1080/10506890701404206. ^{[永久失效連結]}

外部連結

Research group which presented initial claims of hafnium nuclear isomer de-excitation control. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
JASON (顧問團體)（英語：JASON Defense Advisory Group） report on high energy nuclear materials （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） mentioned in the Washington Post story above
Bertram Schwarzschild. Conflicting Results on a Long-Lived Nuclear Isomer of Hafnium Have Wider Implications. Physics Today. Vol. 57 no. 5. May 2004: 21–24 [2023-08-28]. Bibcode:2004PhT....57e..21S. doi:10.1063/1.1768663. （原始內容存檔於2008-12-01）. 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.

[Nuclemistry-1] 1.0 ^1.1 ^1.2 魏明通. 核化學. 五南圖書出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5.

[Walker-2] Walker, Philip M.; Carroll, James J. Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future (PDF). Nuclear Physics News. 2007, 17 (2): 11–15 [2013-06-04]. doi:10.1080/10506890701404206. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-03）.

[radiochemistry-3] 3.0 ^3.1 葉錫溶蔡長書. 放射化學（第二版）. 台灣台北縣: 新文京開發出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 （中文（臺灣））.

[4] Hahn, Otto. Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran. Die Naturwissenschaften. 1921, 9 (5): 84. Bibcode:1921NW......9...84H. doi:10.1007/BF01491321.

[5] S.B. Utter; et al. Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in ²²⁹Th. Phys. Rev. Lett. 1999, 82 (3): 505–508. Bibcode:1999PhRvL..82..505U. doi:10.1103/PhysRevLett.82.505.

[DavidDarling-6] Darling, David. isomeric transition. Encyclopedia of Science. [2019-08-16]. （原始內容存檔於2023-11-29）.

[Gardiner-7] Gardiner, Steven. How to read nuclear decay schemes from the WWW Table of Radioactive Isotopes (PDF). University of California. 2017-08-12 [2019-08-16]. （原始內容 (PDF)存檔於2018-09-21）.

[Litz04-8] 8.0 ^8.1 ^8.2 ^8.3 M.S. Litz and G. Merkel. Controlled extraction of energy from nuclear isomers (PDF). 2004-12-00 （原文如此） [2013-06-04]. （原始內容存檔於2013-07-12）. 請檢查|date=中的日期值 (幫助)

[9] David Hambling. Gamma-ray weapons. Reuters EurekAlert. New Scientist. 16 August 2003 [12 December 2010]. （原始內容存檔於2013-07-12）.

[10] Jeff Hecht. A perverse military strategy. New Scientist. 19 June 2006 [12 December 2010]. （原始內容存檔於2013-07-12）.

[11] S. Weinberger. Scary things come in small packages. Sunday Supplement Magazine. 華盛頓郵報. 28 March 2004 [2009-05-03]. （原始內容存檔於2010年12月29日）.

[12] C.B. Collins; et al. Depopulation of the isomeric state ¹⁸⁰Ta^m by the reaction ¹⁸⁰Ta^m(γ,γ′)¹⁸⁰Ta (PDF). Phys. Rev. C. 1988, 37 (5): 2267–2269 [2013-06-06]. Bibcode:1988PhRvC..37.2267C. doi:10.1103/PhysRevC.37.2267. （原始內容 (PDF)存檔於2007-09-28）.

[13] D. Belic; et al. Photoactivation of ¹⁸⁰Ta^m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope. Phys. Rev. Lett. 1999, 83 (25): 5242. Bibcode:1999PhRvL..83.5242B. doi:10.1103/PhysRevLett.83.5242.

[14] Superbomb ignites science dispute. San Francisco Chronicle. 2003-09-28. （原始內容存檔於2012-06-15）.

[15] UNH researchers search for stimulated gamma ray emission. UNH Nuclear Physics Group. 1997 [1 June 2006]. （原始內容存檔於2006年9月5日）.

[16] P. M. Walker and J. J. Carroll. Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future. Nuclear Physics News. 2007, 17 (2): 11. doi:10.1080/10506890701404206. ^{[永久失效連結]}

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]