核同质异能素 

核同质异能素(亦稱同核異構體)指的是由于某个原子原子核核子质子中子)處於激发态,而产生原子核的亚稳态英语Metastability,这种状态下原子核内的核子会占用能量更高的核子轨道。这通常是核反应的产物。由于这些在激发态的核子的半衰期比常见的激发态的核子的半衰期要长(通常达到100~1000倍的时间),因此被称作处于“亚稳态”(英語:Metastability),并在原子的质量数后附上“m”作为标记,如58m
27
Co
。在有多个亚稳态时,使用m1、m2、m3等,按照激发能量从低到高进行标记,如177m2
72
Hf
。通常,这一术语只指那些半衰期在10−9秒以上的状态,一些学术文章中更是推荐以5×10−9秒作为最短的半衰期。[1]

某些情况下,这种状态可以持续数小时到数年,也有非常极端的例子,比如180m1
73
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)。核同质异能素发生的γ衰变有时会被称为同质异能跃迁,不过除了衰变发生前的原子的亚稳态能持续较长时间外,这一过程和普通的γ衰变没有区别。

核同质异能素之所以可以存续较长的时间,通常是因为从这一状态进行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99m
43
Tc
自旋为+1/2,其基态自旋为+9/2,衰变时会放出能量为140keVγ射线(与医疗用X射线差不多),并拥有6.01小时的半衰期。

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。229
90
Th
是目前发现的激发能量最低的同质异能素,仅有7.6±0.5 eV,因此至今未观测到其γ衰变[2],不过如果它发生γ衰变的话,其放出的γ射线的能量仅仅会与紫外线相当[3]180m1
73
Ta
的自旋为-9,而其基态180
73
Ta
的自旋为+1,同时其激发能量非常低(75keV),所以γ衰变和β衰变都几乎不可能,导致其半衰期极长。

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,而是類球面结构,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,而倾向于发生自發裂變。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时间来说,已经很长了。这种同质异能素通常以“f”附加在质量数后,以区别核子激发造成的同质异能,如240f
94
Pu

核同质异能素最早由奥托·哈恩发现于1921年,当时发现的两个核同质异能素被称为“铀X2”和“铀Z”,而换做现在的命名方式,即234m
91
Pa
234
91
Pa
[4]

  1. ^ Nuclear isomers
  2. ^ S.B. Utter; 等. 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. 
  3. ^ R.W. Shaw, J.P. Young, S.P. Cooper, O.F. Webb. Spontaneous Ultraviolet Emission from 233Uranium/229Thorium Samples. Physical Review Letters. 1999-02-08, 82 (6): 1109–1111. Bibcode:1999PhRvL..82.1109S. doi:10.1103/PhysRevLett.82.1109. 
  4. ^ Hahn, Otto. Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran. Die Naturwissenschaften. 1921, 9 (5): 84. Bibcode:1921NW......9...84H. doi:10.1007/BF01491321. 



取材自維基百科 - 中文時事百科