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本文選自《物理》2021年第5期

(北京大學(xué) 王一平、孟 杰 編譯自 Philip Walker，Zsolt Podolyák. Physics World，2021，(4)：29)

　　同核異能素指原子核的長(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)，通常發(fā)生γ躍遷、β衰變、裂變、α衰變、質(zhì)子發(fā)射等衰變。原子核激發(fā)態(tài)的半衰期常不到 1 ps。壽命多長(zhǎng)才能被稱(chēng)為同核異能素并無(wú)統(tǒng)一界定。一般認(rèn)為，為了能夠計(jì)數(shù)，同核異能素的半衰期應(yīng)該長(zhǎng)于 1 ns。同核異能素通常可以通過(guò)重核裂變、重離子反應(yīng)、超強(qiáng)激光等方法產(chǎn)生。自同核異能素被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的一個(gè)世紀(jì)，核物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近2500種半衰期大于 10 ns 的原子核激發(fā)態(tài)。

發(fā)現(xiàn)：
　　同核異能素由德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托·哈恩于1921年在柏林的凱撒威廉化學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)。哈恩和他的同事莉澤·邁特納系統(tǒng)地研究了鈾-238衰變到穩(wěn)定的鉛-206的復(fù)雜過(guò)程。哈恩發(fā)現(xiàn)，他當(dāng)時(shí)稱(chēng)為UI的鈾-238，可以通過(guò)發(fā)射α粒子形成UX1(釷-234)，然后通過(guò)β衰變，躍遷到UZ(鏷-234的基態(tài))或者UX2(鏷-234的激發(fā)態(tài))。換句話(huà)說(shuō)，哈恩發(fā)現(xiàn)鏷-234原子核有兩個(gè)不同的態(tài)：半衰期為7小時(shí)的基態(tài)和半衰期為1分鐘的激發(fā)態(tài)(圖1)。

圖1 UI(鈾-238)的衰變過(guò)程。UI發(fā)射α粒子形成UX₁(釷-234)，然后發(fā)生β衰變，躍遷到UZ(鏷-234的基態(tài))或UX₂ (鏷-234的激發(fā)態(tài))，UZ和UX₂發(fā)生β衰變形成UII(鈾-234)

　　哈恩關(guān)于同核異能素的發(fā)現(xiàn)是否受到英國(guó)化學(xué)家弗雷德里克·索迪的啟發(fā)，至今尚未定論。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家廣泛接受的概念是英國(guó)化學(xué)家索迪發(fā)現(xiàn)的同位素，即具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)(當(dāng)時(shí)中子尚未被發(fā)現(xiàn))的原子核。在1917年發(fā)表的論文中，索迪假定存在“具有相同原子量以及化學(xué)性質(zhì)，但是穩(wěn)定性及破裂模式不同的同位素”。原則上，索迪已經(jīng)預(yù)言了同核異能素。

　　哈恩的工作標(biāo)志著同核異能素的發(fā)現(xiàn)。然而，直到1932年詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)中子，同核異能素的概念才被真正理解。1934年，同核異能素一詞才出現(xiàn)在理論物理學(xué)家喬治·伽莫夫的論文中。

　　1936年，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·馮·魏茨澤克給出了同核異能素的合理的解釋。他意識(shí)到，所有原子核都有角動(dòng)量或自旋，質(zhì)子和中子軌道組合，會(huì)形成不同的原子核自旋態(tài)。這類(lèi)似于不同原子空間分布的化學(xué)異構(gòu)體。如果激發(fā)態(tài)與基態(tài)的自旋很不相同，它需要很長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射γ射線(xiàn)衰變到基態(tài)。如鏷-234的兩個(gè)態(tài)，自旋相差四個(gè)單位(4?)。這使γ衰變?nèi)绱酥?，以至激發(fā)態(tài)更可能發(fā)生β衰變。

科學(xué)意義：
　　同核異能素在核物理研究中有重要意義。原子核的殼模型于1949年，分別由瑪麗亞·梅耶以及奧托·哈克塞爾、漢斯·詹森和漢斯·休斯獨(dú)立建立。正如原子殼層只能容納一定數(shù)目的電子，原子核殼層中能夠容納的中子和質(zhì)子數(shù)同樣有限制。填滿(mǎn)第1個(gè)殼是兩個(gè)核子，填滿(mǎn)后續(xù)的殼，對(duì)應(yīng)的核子數(shù)被稱(chēng)為“幻數(shù)”，依次為8、20、28、50、82等。但是，原子核和電子的殼層模型不完全一樣。電子之間的自旋—軌道力為弱排斥力，核子之間的自旋—軌道力為強(qiáng)吸引力。這種差別將影響自旋結(jié)構(gòu)，特別是同核異能素的形成。

　　近年來(lái)，核物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)質(zhì)子幻數(shù)依賴(lài)于原子核中的中子數(shù)。反之，中子幻數(shù)也依賴(lài)于原子核中的質(zhì)子數(shù)。在穩(wěn)定原子核中是幻數(shù)，而在不穩(wěn)定的原子核中可能不再是幻數(shù)。這促使我們考慮構(gòu)建不穩(wěn)定原子核的結(jié)構(gòu)模型。對(duì)此，同核異能素非常重要。

　　探索元素存在的極限，是核物理學(xué)家的一個(gè)夢(mèng)想。原子序數(shù)等于或大于104的元素稱(chēng)為超重元素。超重元素對(duì)原子核物理、分子物理和化學(xué)都有重要意義。超重元素的壽命很短，在自然界不存在，只能通過(guò)熔合反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室合成。目前合成的最重元素原子序數(shù)為118。具有同核異能素的最重元素是??，原子序數(shù)為110。??-270同核異能素的半衰期為 4 ms，比半衰期為 0.2 ms 的基態(tài)更穩(wěn)定。這表明同核異能素在超重元素合成中有極其關(guān)鍵的作用。

　　太陽(yáng)系中，約一半比鐵重的元素是在恒星碰撞或爆炸中合成的。盡管有爭(zhēng)議，但是中子星并合和超新星爆炸是最可能的天體環(huán)境。在這樣極端的天體環(huán)境中，將產(chǎn)生自然界不存在的極端中子—質(zhì)子比的原子核。不過(guò)，少數(shù)極端中子—質(zhì)子比的原子核可以在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生。如同核異能素鈀-128m，它的半衰期為 6 μs。這個(gè)時(shí)間足以將它從加速器移至低本底環(huán)境進(jìn)行研究。研究表明，82依舊是幻數(shù)，鈀-128m在恒星爆炸的元素合成中有重要作用。

應(yīng)用：
　　除了上述科學(xué)意義，當(dāng)半衰期大于1s時(shí)，同核異能素在醫(yī)學(xué)成像、核電池、超精度鐘表、γ射線(xiàn)激光等領(lǐng)域有很高的實(shí)用價(jià)值。

　　醫(yī)學(xué)成像：在醫(yī)學(xué)上，放射性同位素可用于診斷和治療(圖2)。應(yīng)用最廣泛的是锝-99的一種同核異能素，每年達(dá)2000萬(wàn)例。它只發(fā)射能量為 141 keV 的單一γ射線(xiàn)，沒(méi)有伴隨的β粒子，對(duì)成像非常理想。同時(shí)，它的半衰期為6小時(shí)，足夠掃描特定器官，并在短時(shí)間衰變，從而減小對(duì)患者的輻射劑量。作為所關(guān)注器官的親和分子的一部分，它被引入人體用作骨骼、大腦和心臟掃描的示蹤器。然而，它的快速衰變使它不能被存儲(chǔ)，這迫使醫(yī)院訂購(gòu)其母核鉬-99。在核反應(yīng)堆中，鉬-99通過(guò)鈾-235裂變產(chǎn)生，半衰期為66小時(shí)。鉬-99衰變產(chǎn)生锝-99，醫(yī)院通過(guò)化學(xué)方法，從鉬锝混合物中提取锝-99。

圖2 同核異能素用于診斷和治療。同核異能素作為所關(guān)注器官親和分子的一部分被引入人體，用作掃描示蹤器

　　核時(shí)鐘：釷-229是目前已知能量最低的同核異能素，為 8.1 eV，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為 150 nm 的光。測(cè)量該激發(fā)能至今仍是挑戰(zhàn)，需要發(fā)展新型的輻射探測(cè)器。電中性的釷-229原子，半衰期僅為 7 μs，理論預(yù)測(cè)它的離子半衰期比它長(zhǎng)若干個(gè)量級(jí)。于是，物理學(xué)家提出許多可能的應(yīng)用，包括建造比所有已知時(shí)鐘更精確的時(shí)鐘、研究基本的自然常數(shù)是否隨時(shí)間改變等。

　　核電池：同核異能素中，每原子儲(chǔ)存的能量為幾個(gè)MeV，可通過(guò)光照射釋放，從而用于制造一種新型的超級(jí)電池。天然存在的一個(gè)同核異能素鉭-180m，是目前已知的壽命最長(zhǎng)的同核異能素，其半衰期比宇宙年齡還長(zhǎng)，激發(fā)能為 75 keV，可通過(guò) 1 MeV 的光照射釋放能量。由于鉭-180m需要的照射能量太高，另一個(gè)選擇是鉬-93同核異能素。它儲(chǔ)存的能量為 2425 keV，可通過(guò) 5 keV 的光照射釋放。然而，它的半衰期只有7小時(shí)。因此，科學(xué)家又轉(zhuǎn)向镅-242同核異能素。它儲(chǔ)存的能量為 49 keV，半衰期為141年，其能量可以通過(guò) 4 keV 的光照射釋放。

　　γ射線(xiàn)激光：把原子核處于同核異能態(tài)的銫原子氣體冷卻到 100 nK，形成玻色—愛(ài)因斯坦凝聚，從而產(chǎn)生一種新的物態(tài)。這些原子將處于能量最低的“凝聚態(tài)”，但原子核處于激發(fā)態(tài)。這是一種違反直覺(jué)的奇異物態(tài)。通過(guò)聚焦同核異能素衰變時(shí)放出的相干γ射線(xiàn)，可以制造“γ射線(xiàn)激光”。目前，這種“γ射線(xiàn)激光”還沒(méi)有制造出來(lái)。

現(xiàn)狀與展望：
　　一個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，關(guān)于同核異能素還有很多問(wèn)題有待研究。前面提到，原子核自旋發(fā)生大的改變，可能會(huì)形成同核異能素。自旋是矢量，有大小和方向。事實(shí)上，存在一種改變自旋方向的同核異能素——“K-同核異能素”。自1955年被詮釋以來(lái)，至今已有100多種。通常存在于橄欖球形的重原子核中，自旋指向原子核的長(zhǎng)軸，衰變后自旋與長(zhǎng)軸垂直。

　　還有一種同核異能素——“形狀同核異能素”，當(dāng)衰變到基態(tài)時(shí)，形狀發(fā)生顯著改變，如從球形變成橢球。自20世紀(jì)60年代初被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，至今已有約50種。在很重的原子核中，還存在它的一個(gè)分支——“裂變同核異能素”，衰變時(shí)自發(fā)裂變成兩個(gè)較輕的原子核。由于裂變限制了原子核質(zhì)量的上限，裂變同核異能素對(duì)理解重核的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

　　目前，最重元素的原子序數(shù)為118，以物理學(xué)家尤里·奧加涅相的姓氏命名。同核異能素可以幫助我們發(fā)現(xiàn)更重的元素，理解恒星爆炸、生命元素的合成，打開(kāi)了我們了解自身起源的一扇窗戶(hù)。