原子核內的千奇百態：神秘又迷人的核異構體_風聞

核異構體距離初次被發現已超過了100年，從實際應用來説，這個在原子核中出現的神秘狀態未來可能在核時標、核電池、清潔核能和核γ射線激光等方向發揮重要作用。然而直至今日，科學家們仍在奮力解鎖它們身上的各種神秘特性。

撰文 | 姜麗佳（西北大學物理學院）

對於同一種元素，它的原子核內質子數和中子數不同，我們稱其為該元素的同位素。那麼對於同一種同位素，它們都是一樣的嗎？事實上，科學家很早就發現，在不穩定的同位素進行衰變時，原子核也有不同的狀態，甚至這種狀態有更重要的應用，這為我們理解原子核打開了一扇新的大門——這就是核異構體。

核異構體（Nuclear isomers，也稱為同核異能素）指長壽命的“亞穩態”原子核。這類核中一個或多個核子（質子或中子）被激發，佔據了比基態更高的能態。通常，大多數核激發態的半衰期非常短，大約在10^（-12）秒的時間尺度，會迅速衰變回到基態。如果激發態的半衰期比通常的激發態長100至1000倍，則被認為是亞穩態。雖然沒有明確的界定，但是為了在時間和空間上與通常的輻射衰變分離，目前學界多認為核異構體的半衰期應大於5 x 10^（-9）秒。在已知的核異構體中，有些核素的衰減時間可達到數分鐘、數小時、數年或更長時間。例如，自然界中存在的壽命最長的核異構體是鉭-180m，其半衰期大於10^15年，比理論估算的宇宙的年齡還要長。

圖1. 天然核素（藍點）與激發能>2MeV，半衰期長於5 x 10^（-7）s的核異構體（紅點）分佈圖。（縱軸—質子數Z，橫軸—中子數N）。圖源：參考文獻[1]

核異構體的發現

從歷史的角度看，核異構體從概念提出，到實驗和理論發展經歷了近百年。

20世紀初，放射性元素就已被發現。當時，科學家們把元素的半衰期—-即一半數量的初始放射性元素衰變成其他元素所需的時間—-作為發現和描述一種新的放射性元素的衡量標準之一。

1917年，英國化學家弗雷德裏克·索迪（Frederick Soddy）提出，對於同一原子核，可能存在兩個或更多個長壽命（或穩定）的狀態，即“具有相同原子量和化學性質的同位素，它們的穩定性和分解方式不同”的狀態，是一種“更精細的同位素”。實際上，索迪所預測的就是我們現在所説的核異構體，儘管科學史學家們不確定之後的科學研究是否直接受到索迪工作的啓發。

鈾是一種放射性元素，具有許多同位素，其中兩種同位素是地球上自然存在的。這些天然的鈾同位素衰變成釷元素，釷繼續衰變成鏷，每種元素都有自己的同位素。哈恩和邁特納當時已將他們發現的所有同位素都進行了整齊的分類，但是出現了一個例外。

圖2. UI（鈾-238）的衰變過程。UI經α衰變變為UX1，然後通過β衰變躍遷到UX2或UZ態，UX2和UZ均由β衰變躍遷到UII態。圖源：參考文獻[4]

哈恩的工作標誌着核異構體的發現和核結構領域的新分支的誕生。然而，我們對核異構體的理解卻進展緩慢。在20世紀20年代的那些“哈恩”實驗中，科學家們仍然認為原子是一團質子和周圍環繞着的數量相同的電子組成。

直到1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）發現中子也是原子核的一部分，物理學家們才能夠在理論和實驗上進一步理解原子核，乃至核異構體。

三類核異構體

“核異構體”這個名詞在1934年才首次出現在著名物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）的一篇論文中。伽莫夫認為，與化學中的異構體類似，通過將原子核中的質子和中子進行不同的排列，原子核也將表現出不同的能量狀態。

1936年，德國物理學家卡爾·馮·魏茨澤克（Carl von Weizsäcker）提出了對核異構體的公認解釋。馮·魏茨澤剋意識到，所有的核子都有自旋（這裏的自旋專指角動量），質子和中子在軌道上的不同排列可以產生不同的軌道旋轉狀態。如果原子核激發態與基態具有非常不同的自旋，以及十分接近的躍遷能量，將導致電磁躍遷被延遲，相應地，激發態的半衰期也可能被延長，形成自旋異構體（spin isomer）。

後來，物理學家意識到原子核可以不是球形的，由此發展了描述具有軸向對稱性的原子核形狀變化理論。1955年，K量子數的概念以及K-禁戒躍遷理論被提出。K代表總角動量在原子核對稱軸上的投影。K不是一個絕對的守恆量，因此在核衰變過程中，K-禁戒躍遷（forbidden transitions）只是被抑制，而不是嚴格禁止。因此，不光角動量的大小，角動量矢量的方向也很重要，由此定義了K異構體（K isomer）。事實上，在K量子數被提出之前，實驗上就分別在1950年和1951年觀測到了K異構體（鋨-190和鉿-180）。K異構體理論的發展，正是基於對實驗觀測的異構體衰變過程中原子核的旋轉特性進行分析得到的。

1962年波利卡諾夫（Polikanov）等人發現了第三類異構體——裂變或形狀異構體（fission/shape isomer）。裂變異構體的核子數通常處於質子數90 ≤ Z ≤ 97和中子數141 ≤ N ≤ 151的區間，屬於更廣義的“形狀異構體”的一種。人們發現，在原子核衰變過程中，如果核子在形狀上發生非常巨大的變化，比如單個核子軌道分佈出現巨大變化，也會導致對原子核躍遷幾率的抑制，產生形狀異構體。

圖3. 三種主要類別的核異構體示意圖。圖源：參考文獻[2]

以上對由於自旋，K以及原子核形狀的改變而產生的三種主要類別的異構體進行了區分，但是它們通常不是單獨出現的，在同一個核異構體中通常包含着不同類型的混合效應。其中一個典型例子是鉿-178，在它身上同時呈現出自旋異構體和K異構體的特性。

描述核結構的幻數

最初描述原子核的 “核殼”模型於1949年分別由瑪麗亞·梅耶（Maria Mayer）以及奧托·哈克塞爾（Otto Haxel）、漢斯·詹森（Hans Jensen）和漢斯·休斯（Hans Suess）獨立發展出來。正如在電子的殼層模型中，每一層可以容納不超過一定數量的電子一樣，中子和質子組成的原子核內，每個核殼層可以容納的質子和中子數量也具有相似的限制，決定性的一步是在相互作用中加入了自旋-軌道耦合項，每個核殼層容納核子數量被稱作“幻數”。從第一層往後排列，每層最多容納核子數量依次為2，8，20，28，50和82。與質子不同，中子具有一個額外的幻數126。核的殼層模型可以相當好地解釋和預測大多數原子核的基態自旋和宇稱。不過，電子和核殼層模型也並不完全相似，電子之間的自旋軌道力是弱的排斥力，而核裏的自旋軌道力是強的吸引力。最直接影響是當核殼充滿或幾乎充滿核子時，反而更有機會形成核異構體。

同時，物理學家們還發現，質子的幻數還會受到中子數量的影響，反之亦然。鑑於最初對幻數的定義是基於對穩定的原子核的研究得到，它們可能並非如此奇幻的事實，迫使我們重新對不穩定原子核的結構進行探討。亞穩態的核異構體將在這一探索中發揮關鍵作用。

核異構體的應用前景

實驗發現，核異構體能以特別的方式與其所處的原子環境相互作用，這為原子核-原子層面的研究開闢了道路。我們知道，放射性原子核的基態可以通過β衰變，有時也可通過α衰變，裂變以及質子衰變發生轉變。但是除了這些衰變過程，核異構體還可通過γ射線和轉換電子發射進行電磁衰變。因此，人們可以對核異構體進行電磁操控，以實現對核異構體的探索和應用，事實上，已經有行業實現了產業應用。

醫學診斷和治療：許多放射性同位素在醫學上用於診斷和治療，其中鍀-99異構體的使用最為廣泛。鍀-99衰變時只發射能量為141 keV的伽馬射線，沒有伴隨的其他粒子出射，因此是人體骨骼，大腦和心臟掃描成像的理想選擇。與此同時，它的半衰期是六小時，這個時間足以對特定器官進行掃描，又可以快速衰減。通常的放射性元素和同位素衰變時，會釋放出破壞人體組織細胞的帶電粒子。但是像鍀這樣的異構體一次只發射一個能量很低的光子，作為醫療用途是十分安全的。

原子核鍾：原子核裏的質子和中子雖然被強核力捆綁在一起，但本質上也像電子一樣佔據着不連續的能級，因此理論上可以利用原子核的物理特性製造出計時精度更高的核鍾。同時，由於原子核能夠抵禦會干擾原子鐘的雜散電場或磁場的影響，原子核能級之間的躍遷要比外層電子更具規律性和穩定性。理論上講，原子核鍾將比原子鐘更精確，更穩定。科學家發現釷-229元素中有一對能量足夠接近的相鄰能級，用激光就可能引發它的躍遷，因此釷-299元素是製造核鐘的優秀的候選者。

核“電池”：核異構體中可以儲存大量能量。如果可以找到一種有效的方法來以受控的方式釋放這種能量，那麼就可以建造一種核“電池”，其能量密度可能比現有的化學電池的能量密度高百萬倍。實現核“電池”製作的一種方式是由外部施加輻射誘導核異構體的能量釋放。其中，狀態十分穩定的鉭-180和鉿-178異構體是良好的候選者。另一種方式是通過電子出射或者電子捕獲來激發原子核放出能量，對於這一方式的理論和實驗方面的研究還正在進行中。

新物質態和γ射線激光：另一個有趣的可能是，可由核異構體創造出一種新的物質狀態。當異構體態的銫原子氣體被冷卻到100納開爾文温度時，可以形成玻色-愛因斯坦凝聚。此時原子處於最低能的“凝聚”狀態，但根據定義，異構體本身是處於激發態的。因此，在核異構體實驗中可能產生了一種新的物質狀態。關於這種狀態的研究還有待繼續開展。除了這種奇怪的違反直覺的物質狀態之外，科學家們還提出，可以通過控制銫-135的玻色-愛因斯坦凝聚體中異構體的衰變來產生相干的伽馬射線，這使得實現超大功率的“γ射線激光”的製備更近了一步。

小結

在哈恩首次發現異構體一個世紀後，核異構體對我們來説依然神秘，科學家們正在致力於使用世界各地的研究設施研究和尋找新的異構體。目前規模最大的實驗裝置是位於密歇根州立大學的稀有同位素束流裝置（Facility for Rare Isotope Beams，FRIB）。該設施於2022年5月上線，科學家們預期將通過它解鎖1000多種新的同位素和異構體。

由於其獨特而豐富的性質，對核異構體的研究，不光具有諸多現實意義，也使得我們有機會探尋星體的爆發以及生命元素的合成等過程。在原子-原子核層面上，核異構體的特殊性質為人們探索核物理領域的未知區域提供了獨特的研究機會，未來也將有更加非凡的發現。

參考文獻

[1] Philip Walker and Zsolt Podolyák, Phys. Scr. 95 (2020) 044004 (11pp).

[2] Nature volume 399, pages35–40 (1999).

[3] http://en.wiki.hancel.org/wiki/Nuclear_isomer

[4] https://physicsworld.com/a/celebrating-a-century-of-nuclear-isomers/

[5]http://phys.org/news/2022-05-nuclear-isomers-years-physicists-unraveling.html

[6] http://www.thoughtco.com/nuclear-isomer-definition-4129399

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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