原子核内的千奇百态：神秘又迷人的核异构体

核异构体距离初次被发现已超过了100年，从实际应用来说，这个在原子核中出现的神秘状态未来可能在核时标、核电池、清洁核能和核γ射线激光等方向发挥重要作用。然而直至今日，科学家们仍在奋力解锁它们身上的各种神秘特性。

撰文 | 姜丽佳（西北大学物理学院）

对于同一种元素，它的原子核内质子数和中子数不同，我们称其为该元素的同位素。那么对于同一种同位素，它们都是一样的吗？事实上，科学家很早就发现，在不稳定的同位素进行衰变时，原子核也有不同的状态，甚至这种状态有更重要的应用，这为我们理解原子核打开了一扇新的大门——这就是核异构体。

核异构体（Nuclear isomers，也称为同核异能素）指长寿命的“亚稳态”原子核。这类核中一个或多个核子（质子或中子）被激发，占据了比基态更高的能态。通常，大多数核激发态的半衰期非常短，大约在10^（-12）秒的时间尺度，会迅速衰变回到基态。如果激发态的半衰期比通常的激发态长100至1000倍，则被认为是亚稳态。虽然没有明确的界定，但是为了在时间和空间上与通常的辐射衰变分离，目前学界多认为核异构体的半衰期应大于5 x 10^（-9）秒。在已知的核异构体中，有些核素的衰减时间可达到数分钟、数小时、数年或更长时间。例如，自然界中存在的寿命最长的核异构体是钽-180m，其半衰期大于10^15年，比理论估算的宇宙的年龄还要长。

图1. 天然核素（蓝点）与激发能>2MeV，半衰期长于5 x 10^（-7）s的核异构体（红点）分布图。（纵轴—质子数Z，横轴—中子数N）。图源：参考文献[1]

核异构体的发现

从历史的角度看，核异构体从概念提出，到实验和理论发展经历了近百年。

20世纪初，放射性元素就已被发现。当时，科学家们把元素的半衰期—-即一半数量的初始放射性元素衰变成其他元素所需的时间—-作为发现和描述一种新的放射性元素的衡量标准之一。

1917年，英国化学家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）提出，对于同一原子核，可能存在两个或更多个长寿命（或稳定）的状态，即“具有相同原子量和化学性质的同位素，它们的稳定性和分解方式不同”的状态，是一种“更精细的同位素”。实际上，索迪所预测的就是我们现在所说的核异构体，尽管科学史学家们不确定之后的科学研究是否直接受到索迪工作的启发。

铀是一种放射性元素，具有许多同位素，其中两种同位素是地球上自然存在的。这些天然的铀同位素衰变成钍元素，钍继续衰变成镤，每种元素都有自己的同位素。哈恩和迈特纳当时已将他们发现的所有同位素都进行了整齐的分类，但是出现了一个例外。

图2. UI（铀-238）的衰变过程。UI经α衰变变为UX1，然后通过β衰变跃迁到UX2或UZ态，UX2和UZ均由β衰变跃迁到UII态。图源：参考文献[4]

哈恩的工作标志着核异构体的发现和核结构领域的新分支的诞生。然而，我们对核异构体的理解却进展缓慢。在20世纪20年代的那些“哈恩”实验中，科学家们仍然认为原子是一团质子和周围环绕着的数量相同的电子组成。

直到1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）发现中子也是原子核的一部分，物理学家们才能够在理论和实验上进一步理解原子核，乃至核异构体。

三类核异构体

“核异构体”这个名词在1934年才首次出现在著名物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）的一篇论文中。伽莫夫认为，与化学中的异构体类似，通过将原子核中的质子和中子进行不同的排列，原子核也将表现出不同的能量状态。

1936年，德国物理学家卡尔·冯·魏茨泽克（Carl von Weizsäcker）提出了对核异构体的公认解释。冯·魏茨泽克意识到，所有的核子都有自旋（这里的自旋专指角动量），质子和中子在轨道上的不同排列可以产生不同的轨道旋转状态。如果原子核激发态与基态具有非常不同的自旋，以及十分接近的跃迁能量，将导致电磁跃迁被延迟，相应地，激发态的半衰期也可能被延长，形成自旋异构体（spin isomer）。

后来，物理学家意识到原子核可以不是球形的，由此发展了描述具有轴向对称性的原子核形状变化理论。1955年，K量子数的概念以及K-禁戒跃迁理论被提出。K代表总角动量在原子核对称轴上的投影。K不是一个绝对的守恒量，因此在核衰变过程中，K-禁戒跃迁（forbidden transitions）只是被抑制，而不是严格禁止。因此，不光角动量的大小，角动量矢量的方向也很重要，由此定义了K异构体（K isomer）。事实上，在K量子数被提出之前，实验上就分别在1950年和1951年观测到了K异构体（锇-190和铪-180）。K异构体理论的发展，正是基于对实验观测的异构体衰变过程中原子核的旋转特性进行分析得到的。

1962年波利卡诺夫（Polikanov）等人发现了第三类异构体——裂变或形状异构体（fission/shape isomer）。裂变异构体的核子数通常处于质子数90 ≤ Z ≤ 97和中子数141 ≤ N ≤ 151的区间，属于更广义的“形状异构体”的一种。人们发现，在原子核衰变过程中，如果核子在形状上发生非常巨大的变化，比如单个核子轨道分布出现巨大变化，也会导致对原子核跃迁几率的抑制，产生形状异构体。

图3. 三种主要类别的核异构体示意图。图源：参考文献[2]

以上对由于自旋，K以及原子核形状的改变而产生的三种主要类别的异构体进行了区分，但是它们通常不是单独出现的，在同一个核异构体中通常包含着不同类型的混合效应。其中一个典型例子是铪-178，在它身上同时呈现出自旋异构体和K异构体的特性。

描述核结构的幻数

最初描述原子核的 “核壳”模型于1949年分别由玛丽亚·梅耶（Maria Mayer）以及奥托·哈克塞尔（Otto Haxel）、汉斯·詹森（Hans Jensen）和汉斯·休斯（Hans Suess）独立发展出来。正如在电子的壳层模型中，每一层可以容纳不超过一定数量的电子一样，中子和质子组成的原子核内，每个核壳层可以容纳的质子和中子数量也具有相似的限制，决定性的一步是在相互作用中加入了自旋-轨道耦合项，每个核壳层容纳核子数量被称作“幻数”。从第一层往后排列，每层最多容纳核子数量依次为2，8，20，28，50和82。与质子不同，中子具有一个额外的幻数126。核的壳层模型可以相当好地解释和预测大多数原子核的基态自旋和宇称。不过，电子和核壳层模型也并不完全相似，电子之间的自旋轨道力是弱的排斥力，而核里的自旋轨道力是强的吸引力。最直接影响是当核壳充满或几乎充满核子时，反而更有机会形成核异构体。

同时，物理学家们还发现，质子的幻数还会受到中子数量的影响，反之亦然。鉴于最初对幻数的定义是基于对稳定的原子核的研究得到，它们可能并非如此奇幻的事实，迫使我们重新对不稳定原子核的结构进行探讨。亚稳态的核异构体将在这一探索中发挥关键作用。

核异构体的应用前景

实验发现，核异构体能以特别的方式与其所处的原子环境相互作用，这为原子核-原子层面的研究开辟了道路。我们知道，放射性原子核的基态可以通过β衰变，有时也可通过α衰变，裂变以及质子衰变发生转变。但是除了这些衰变过程，核异构体还可通过γ射线和转换电子发射进行电磁衰变。因此，人们可以对核异构体进行电磁操控，以实现对核异构体的探索和应用，事实上，已经有行业实现了产业应用。

医学诊断和治疗：许多放射性同位素在医学上用于诊断和治疗，其中锝-99异构体的使用最为广泛。锝-99衰变时只发射能量为141 keV的伽马射线，没有伴随的其他粒子出射，因此是人体骨骼，大脑和心脏扫描成像的理想选择。与此同时，它的半衰期是六小时，这个时间足以对特定器官进行扫描，又可以快速衰减。通常的放射性元素和同位素衰变时，会释放出破坏人体组织细胞的带电粒子。但是像锝这样的异构体一次只发射一个能量很低的光子，作为医疗用途是十分安全的。

原子核钟：原子核里的质子和中子虽然被强核力捆绑在一起，但本质上也像电子一样占据着不连续的能级，因此理论上可以利用原子核的物理特性制造出计时精度更高的核钟。同时，由于原子核能够抵御会干扰原子钟的杂散电场或磁场的影响，原子核能级之间的跃迁要比外层电子更具规律性和稳定性。理论上讲，原子核钟将比原子钟更精确，更稳定。科学家发现钍-229元素中有一对能量足够接近的相邻能级，用激光就可能引发它的跃迁，因此钍-299元素是制造核钟的优秀的候选者。

核“电池”：核异构体中可以储存大量能量。如果可以找到一种有效的方法来以受控的方式释放这种能量，那么就可以建造一种核“电池”，其能量密度可能比现有的化学电池的能量密度高百万倍。实现核“电池”制作的一种方式是由外部施加辐射诱导核异构体的能量释放。其中，状态十分稳定的钽-180和铪-178异构体是良好的候选者。另一种方式是通过电子出射或者电子捕获来激发原子核放出能量，对于这一方式的理论和实验方面的研究还正在进行中。

新物质态和γ射线激光：另一个有趣的可能是，可由核异构体创造出一种新的物质状态。当异构体态的铯原子气体被冷却到100纳开尔文温度时，可以形成玻色-爱因斯坦凝聚。此时原子处于最低能的“凝聚”状态，但根据定义，异构体本身是处于激发态的。因此，在核异构体实验中可能产生了一种新的物质状态。关于这种状态的研究还有待继续开展。除了这种奇怪的违反直觉的物质状态之外，科学家们还提出，可以通过控制铯-135的玻色-爱因斯坦凝聚体中异构体的衰变来产生相干的伽马射线，这使得实现超大功率的“γ射线激光”的制备更近了一步。

小结

在哈恩首次发现异构体一个世纪后，核异构体对我们来说依然神秘，科学家们正在致力于使用世界各地的研究设施研究和寻找新的异构体。目前规模最大的实验装置是位于密歇根州立大学的稀有同位素束流装置（Facility for Rare Isotope Beams，FRIB）。该设施于2022年5月上线，科学家们预期将通过它解锁1000多种新的同位素和异构体。

由于其独特而丰富的性质，对核异构体的研究，不光具有诸多现实意义，也使得我们有机会探寻星体的爆发以及生命元素的合成等过程。在原子-原子核层面上，核异构体的特殊性质为人们探索核物理领域的未知区域提供了独特的研究机会，未来也将有更加非凡的发现。

参考文献

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

[2]Naturevolume 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

本文受科普中国·星空计划项目扶持
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