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维基百科:核同质异能素:亚稳态核素的奥秘

已有 1162 次阅读 2023-8-31 17:54 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

  核同质异能素(英语:Nuclear isomer),亦称同质异能素同核异构体同核异构物核异构素异构核,是指原子核处于亚稳态核素。当原子核中的一个或多个核子处于比基态更高的能级,会使原子核处于激发态,这种状态下原子核内的核子会占用能量更高的核子轨道。激发态原子核通常会在无法直接测量的极短时间内(约10−12秒)以γ射线的形式放出能量(γ衰变内转换)而回复到基态,而某些激发态原子核的半衰期比一般的激发态原子核的半衰期要长(通常达到100~1000倍的时间),因此被称作处于“亚稳态”(英语:Metastability)。[1]“亚稳态”一词通常指半衰期大于10−9秒的激发态原子核,一些文献中以5 × 10−9秒为界限来区分亚稳态原子核和一般的“瞬间”衰变激发态原子核。[2]亚稳态原子核由于具有可测量的较长半衰期,在核物理学上被视为和基态原子核不同的核素,称作核同质异能素[3],并在核素的质量数后附上“m”作为标记,如锝-99m99mTc)、钴-60m60mCo)等。[1]若某原子存在多个亚稳态时,则使用m1、m2、m3等,按照激发能量从低到高进行标记,如钴-58m158m1Co)、铪-177m2177m2Hf)。

核同质异能素发生的γ衰变也被称为同质异能跃迁异构物跃迁异构素跃迁同质异能递移,不过除了发生衰变前的原子的亚稳态能持续较长时间外,这一过程和一般激发态原子核的γ衰变没有区别。

核同质异能素最早由奥托·哈恩于1921年在铀-238衰变链中发现,当时发现的核同质异能素及其基态核素被命名为“铀X2”和“铀Z”,今日称作镤-234m234m
Pa
)和镤-234234
Pa
)。[4]

稳定性[编辑]

核同质异能素的半衰期大多不到一秒,有些种类可以达到数分钟、数小时甚至数年。也有非常极端的例子,比如钽-180m1180m1
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),是最长寿的核同质异能素,也是核同质异能素中唯一的稳定核素。也有少数核同质异能素的半衰期超过其对应的基态核素的半衰期,例如前述的钽-180m1(180m1
Ta
)在观测上是稳定的,然而其基态核素钽-180(180
Ta
)的半衰期仅约8小时。同样的例子还有铱-192m2192m2
Ir
)、铋-210m210m
Bi
)、镅-242m1180m1
Ta
)和多种的核同质异能素等。

核同质异能素之所以能比一般的激发态原子核存续更长的时间,通常是因为从亚稳态进行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,例如医疗中常用的锝-99m99m
Tc
)自旋为+1/2,其基态锝-9999
Tc
)自旋为+9/2,99m
Tc
衰变时会放出能量为140keVγ射线(与医疗用X射线差不多),半衰期约6.01小时。

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。钍-229m229m
Th
)是目前发现的激发能量最低的核同质异能素,仅有8.28 ± 0.17 eV。[5]180m1
Ta
的自旋为-9,而其基态180
Ta
的自旋为+1,同时其激发能量也非常低(75keV),所以γ衰变和β衰变都几乎不可能发生,导致其半衰期极长。

衰变过程[编辑]

同质异能跃迁[编辑]

如同一般的激发态原子核,核同质异能素也会以γ射线的形式放出能量并衰变为较低的核能态。核同质异能素的γ衰变也被称为同质异能跃迁异构物跃迁异构素跃迁同质异能递移(英语:isomeric transition,IT),分为以下两种类型:[6][7][3][1]

只有在原子的内层的电子才能参与内转换,这些电子的运动轨迹可能会穿过原子核,在电子靠近的过程中,二者间会产生极强的电场力,导致核子的重新排布和电子飞出。

某些情况下,通过γ衰变产生的光子会直接命中原子核外的电子,并使其获得足以脱离原子核束缚的能量而电离(此即光电效应)。注意不要将内转换和光电效应混淆,内转换的过程中没有光子这一中间产物。

其他衰变途径[编辑]

除了以同质异能跃迁的方式衰变回基态外,有些核同质异能素也可能以其他衰变途径衰变成其他元素,比如镥-177m3177m3
Lu
)有78.3%的概率直接通过半衰期为160.4天的β衰变变成铪-177177
Hf
,过程中伴随着γ衰变),或者有21.7%的概率先通过半衰期为160.4天的同质异能跃迁变成基态镥-177(177
Lu
),然后再通过一个半衰期为6.68天的β衰变变成177
Hf
[8]锡-121m1121m1
Sn
)则有22.4%的概率直接通过半衰期为43.9年的β衰变变成锑-121121
Sb
),或者有77.6%的概率先通过半衰期为43.9年的同质异能跃迁变成基态锡-121121
Sn
),然后再通过一个半衰期为27.03小时的β衰变变成121
Sb
。此外还有多种核同质异能素只会通过β衰变变成锆的同位素,而不会发生同质异能跃迁回到基态。

裂变同质异能素[编辑]

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,而是类球面结构,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,而倾向于发生自发裂变。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极短时间来说,已经很长了。这种同质异能素称作裂变同质异能素(英语:fission isomer)或形状同质异能素(英语:shape isomer),通常以“f”附加在质量数后表示,以区别核子激发造成的同质异能,例如钚-240,可表示为钚-240f(240f
Pu
)。

应用[编辑]

的核同质异能素(主要为178m2
Hf
)可能可以被诱导产生极强的γ射线,因此或许可以被用于规避不扩散核武器条约的限制[9][10]。美国国防高等研究计划署曾经有对这一应用做过调研[11]

不过,截至2004年,只有180m1
Ta
被成功地诱导衰变[12][13],并且诱导所需要的X射线的能量超过了衰变所放出的能量[8]。尽管如此,由12个成员组成的HIPP已经开始评估各种量产铪核同质异能素的方法了。[14]

的核同质异能素99m
Tc
(半衰期6.01小时)和95m
Tc
(半衰期61天)在医疗和工业领域中有所应用

核电池[编辑]

177m
Lu
转变为177
Hf
的核衰变途径

核电池会使用极微量的高能量放射性核素。有一种设计是把放射性材料放在PN结上,材料产生的电离辐射便会在结中产生电子空穴。核同质异能素可以用于替代这些放射材料,并且随着科技发展,我们将有能力控制使用核同质异能素的核电池的开关。目前的候选核素包括108
Ag
166
Ho
177
Lu
241
Am
[8]

177
Lu
等核素的原子核内部经过一系列的衰变,会放出许多γ射线。研究认为,若是能够掌握在这一系列能量级之间跃迁的条件,我们能够做出比现有的化学电池的能量密度高106倍的储能设备。[8]比如178m2
Hf
自然衰变时会放出2.45MeV的能量,也就是说1g178m2
Hf
内含有的能量相当于315kgTNT,而且它可以以很高的功率输出能量(1018W)。目前正在研究以其他种类的核同质异能素来诱导178m2
Hf
衰变的方法。[15][16]

参考文献[编辑]

  1. 跳转至:1.0 1.1 1.2 魏明通. 核化學. 五南图书出版股份有限公司. 2005. ISBN 978-957-11-3632-5.

  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. doi:10.1080/10506890701404206.

  3. 跳转至:3.0 3.1 叶锡溶 蔡长书. 放射化學(第二版). 台湾台北县: 新文京开发出版股份有限公司. 2008-03-26. ISBN 978-986-150-830-6 (中文(台湾)).

  4. ^ Hahn, Otto. über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran. Die Naturwissenschaften. 1921, 9 (5): 84. Bibcode:1921NW......9...84Hdoi: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..505Udoi:10.1103/PhysRevLett.82.505.

  6. ^ Darling, David. isomeric transition. Encyclopedia of Science. [2019-08-16].

  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].

  8. 跳转至: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]. (原始内容存档于2013-07-12).

  9. ^ David Hambling. Gamma-ray weapons. Reuters EurekAlert. New Scientist. 16 August 2003 [12 December 2010]. (原始内容存档于2013-07-12).

  10. ^ Jeff Hecht. A perverse military strategy. New Scientist. 19 June 2006 [12 December 2010]. (原始内容存档于2013-07-12).

  11. ^ S. Weinberger. Scary things come in small packages. Sunday Supplement Magazine. 华盛顿邮报. 28 March 2004 [2009-05-03]. (原始内容存档于2010年12月29日).

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

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

  14. ^ Superbomb ignites science dispute. San Francisco Chronicle. 2003-09-28. (原始内容存档于2012-06-15).

  15. ^ UNH researchers search for stimulated gamma ray emission. UNH Nuclear Physics Group. 1997 [1 June 2006]. (原始内容存档于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.[永久失效链接]

 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E5%90%8C%E8%B4%A8%E5%BC%82%E8%83%BD%E7%B4%A0




https://m.sciencenet.cn/blog-3549522-1401004.html

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