核異構(gòu)體距離初次被發(fā)現(xiàn)已超過了100年，從實際應(yīng)用來說，這個在原子核中出現(xiàn)的神秘狀態(tài)未來可能在核時標(biāo)、核電池、清潔核能和核γ射線激光等方向發(fā)揮重要作用。然而直至今日，科學(xué)家們?nèi)栽趭^力解鎖它們身上的各種神秘特性。
撰文 | 姜麗佳（西北大學(xué)物理學(xué)院）
對于同一種元素，它的原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同，我們稱其為該元素的同位素。那么對于同一種同位素，它們都是一樣的嗎？事實上，科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，在不穩(wěn)定的同位素進行衰變時，原子核也有不同的狀態(tài)，甚至這種狀態(tài)有更重要的應(yīng)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(gòu)體。
核異構(gòu)體（Nuclear isomers，也稱為同核異能素）指長壽命的“亞穩(wěn)態(tài)”原子核。這類核中一個或多個核子（質(zhì)子或中子）被激發(fā)，占據(jù)了比基態(tài)更高的能態(tài)。通常，大多數(shù)核激發(fā)態(tài)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(tài)。如果激發(fā)態(tài)的半衰期比通常的激發(fā)態(tài)長100至1000倍，則被認(rèn)為是亞穩(wěn)態(tài)。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(xué)界多認(rèn)為核異構(gòu)體的半衰期應(yīng)大于5 x 10^（-9）秒。在已知的核異構(gòu)體中，有些核素的衰減時間可達到數(shù)分鐘、數(shù)小時、數(shù)年或更長時間。例如，自然界中存在的壽命最長的核異構(gòu)體是鉭-180m，其半衰期大于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(fā)能>2MeV，半衰期長于5 x 10^（-7）s的核異構(gòu)體（紅點）分布圖。（縱軸—質(zhì)子數(shù)Z，橫軸—中子數(shù)N）。圖源：參考文獻[1]
核異構(gòu)體的發(fā)現(xiàn)
從歷史的角度看，核異構(gòu)體從概念提出，到實驗和理論發(fā)展經(jīng)歷了近百年。
20世紀(jì)初，放射性元素就已被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，科學(xué)家們把元素的半衰期—-即一半數(shù)量的初始放射性元素衰變成其他元素所需的時間—-作為發(fā)現(xiàn)和描述一種新的放射性元素的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。
1917年，英國化學(xué)家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）提出，對于同一原子核，可能存在兩個或更多個長壽命（或穩(wěn)定）的狀態(tài)，即“具有相同原子量和化學(xué)性質(zhì)的同位素，它們的穩(wěn)定性和分解方式不同”的狀態(tài)，是一種“更精細的同位素”。實際上，索迪所預(yù)測的就是我們現(xiàn)在所說的核異構(gòu)體，盡管科學(xué)史學(xué)家們不確定之后的科學(xué)研究是否直接受到索迪工作的啟發(fā)。
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(xù)衰變成鏷，每種元素都有自己的同位素。哈恩和邁特納當(dāng)時已將他們發(fā)現(xiàn)的所有同位素都進行了整齊的分類，但是出現(xiàn)了一個例外。
圖2. UI（鈾-238）的衰變過程。UI經(jīng)α衰變變?yōu)閁X1，然后通過β衰變躍遷到UX2或UZ態(tài)，UX2和UZ均由β衰變躍遷到UII態(tài)。圖源：參考文獻[4]
哈恩的工作標(biāo)志著核異構(gòu)體的發(fā)現(xiàn)和核結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新分支的誕生。然而，我們對核異構(gòu)體的理解卻進展緩慢。在20世紀(jì)20年代的那些“哈恩”實驗中，科學(xué)家們?nèi)匀徽J(rèn)為原子是一團質(zhì)子和周圍環(huán)繞著的數(shù)量相同的電子組成。
直到1932年，英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）發(fā)現(xiàn)中子也是原子核的一部分，物理學(xué)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(gòu)體。
三類核異構(gòu)體
“核異構(gòu)體”這個名詞在1934年才首次出現(xiàn)在著名物理學(xué)家喬治·伽莫夫（George Gamow）的一篇論文中。伽莫夫認(rèn)為，與化學(xué)中的異構(gòu)體類似，通過將原子核中的質(zhì)子和中子進行不同的排列，原子核也將表現(xiàn)出不同的能量狀態(tài)。
1936年，德國物理學(xué)家卡爾·馮·魏茨澤克（Carl von Weizs?cker）提出了對核異構(gòu)體的公認(rèn)解釋。馮·魏茨澤克意識到，所有的核子都有自旋（這里的自旋專指角動量），質(zhì)子和中子在軌道上的不同排列可以產(chǎn)生不同的軌道旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果原子核激發(fā)態(tài)與基態(tài)具有非常不同的自旋，以及十分接近的躍遷能量，將導(dǎo)致電磁躍遷被延遲，相應(yīng)地，激發(fā)態(tài)的半衰期也可能被延長，形成自旋異構(gòu)體（spin isomer）。
后來，物理學(xué)家意識到原子核可以不是球形的，由此發(fā)展了描述具有軸向?qū)ΨQ性的原子核形狀變化理論。1955年，K量子數(shù)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不是一個絕對的守恒量，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(yán)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(gòu)體（K isomer）。事實上，在K量子數(shù)被提出之前，實驗上就分別在1950年和1951年觀測到了K異構(gòu)體（鋨-190和鉿-180）。K異構(gòu)體理論的發(fā)展，正是基于對實驗觀測的異構(gòu)體衰變過程中原子核的旋轉(zhuǎn)特性進行分析得到的。
1962年波利卡諾夫（Polikanov）等人發(fā)現(xiàn)了第三類異構(gòu)體——裂變或形狀異構(gòu)體（fission/shape isomer）。裂變異構(gòu)體的核子數(shù)通常處于質(zhì)子數(shù)90 ≤ Z ≤ 97和中子數(shù)141 ≤ N ≤ 151的區(qū)間，屬于更廣義的“形狀異構(gòu)體”的一種。人們發(fā)現(xiàn)，在原子核衰變過程中，如果核子在形狀上發(fā)生非常巨大的變化，比如單個核子軌道分布出現(xiàn)巨大變化，也會導(dǎo)致對原子核躍遷幾率的抑制，產(chǎn)生形狀異構(gòu)體。
圖3. 三種主要類別的核異構(gòu)體示意圖。圖源：參考文獻[2]
以上對由于自旋，K以及原子核形狀的改變而產(chǎn)生的三種主要類別的異構(gòu)體進行了區(qū)分，但是它們通常不是單獨出現(xiàn)的，在同一個核異構(gòu)體中通常包含著不同類型的混合效應(yīng)。其中一個典型例子是鉿-178，在它身上同時呈現(xiàn)出自旋異構(gòu)體和K異構(gòu)體的特性。
描述核結(jié)構(gòu)的幻數(shù)
最初描述原子核的 “核殼”模型于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(fā)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(shù)量的電子一樣，中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi)，每個核殼層可以容納的質(zhì)子和中子數(shù)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(shù)量被稱作“幻數(shù)”。從第一層往后排列，每層最多容納核子數(shù)量依次為2，8，20，28，50和82。與質(zhì)子不同，中子具有一個額外的幻數(shù)126。核的殼層模型可以相當(dāng)好地解釋和預(yù)測大多數(shù)原子核的基態(tài)自旋和宇稱。不過，電子和核殼層模型也并不完全相似，電子之間的自旋軌道力是弱的排斥力，而核里的自旋軌道力是強的吸引力。最直接影響是當(dāng)核殼充滿或幾乎充滿核子時，反而更有機會形成核異構(gòu)體。
同時，物理學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子的幻數(shù)還會受到中子數(shù)量的影響，反之亦然。鑒于最初對幻數(shù)的定義是基于對穩(wěn)定的原子核的研究得到，它們可能并非如此奇幻的事實，迫使我們重新對不穩(wěn)定原子核的結(jié)構(gòu)進行探討。亞穩(wěn)態(tài)的核異構(gòu)體將在這一探索中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
核異構(gòu)體的應(yīng)用前景
實驗發(fā)現(xiàn)，核異構(gòu)體能以特別的方式與其所處的原子環(huán)境相互作用，這為原子核-原子層面的研究開辟了道路。我們知道，放射性原子核的基態(tài)可以通過β衰變，有時也可通過α衰變，裂變以及質(zhì)子衰變發(fā)生轉(zhuǎn)變。但是除了這些衰變過程，核異構(gòu)體還可通過γ射線和轉(zhuǎn)換電子發(fā)射進行電磁衰變。因此，人們可以對核異構(gòu)體進行電磁操控，以實現(xiàn)對核異構(gòu)體的探索和應(yīng)用，事實上，已經(jīng)有行業(yè)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
醫(yī)學(xué)診斷和治療：許多放射性同位素在醫(yī)學(xué)上用于診斷和治療，其中锝-99異構(gòu)體的使用最為廣泛。锝-99衰變時只發(fā)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。但是像锝這樣的異構(gòu)體一次只發(fā)射一個能量很低的光子，作為醫(yī)療用途是十分安全的。
原子核鐘：原子核里的質(zhì)子和中子雖然被強核力捆綁在一起，但本質(zhì)上也像電子一樣占據(jù)著不連續(xù)的能級，因此理論上可以利用原子核的物理特性制造出計時精度更高的核鐘。同時，由于原子核能夠抵御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(guī)律性和穩(wěn)定性。理論上講，原子核鐘將比原子鐘更精確，更穩(wěn)定?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)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(fā)它的躍遷，因此釷-299元素是制造核鐘的優(yōu)秀的候選者。
核“電池”：核異構(gòu)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，那么就可以建造一種核“電池”，其能量密度可能比現(xiàn)有的化學(xué)電池的能量密度高百萬倍。實現(xiàn)核“電池”制作的一種方式是由外部施加輻射誘導(dǎo)核異構(gòu)體的能量釋放。其中，狀態(tài)十分穩(wěn)定的鉭-180和鉿-178異構(gòu)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(fā)原子核放出能量，對于這一方式的理論和實驗方面的研究還正在進行中。
新物質(zhì)態(tài)和γ射線激光：另一個有趣的可能是，可由核異構(gòu)體創(chuàng)造出一種新的物質(zhì)狀態(tài)。當(dāng)異構(gòu)體態(tài)的銫原子氣體被冷卻到100納開爾文溫度時，可以形成玻色-愛因斯坦凝聚。此時原子處于最低能的“凝聚”狀態(tài)，但根據(jù)定義，異構(gòu)體本身是處于激發(fā)態(tài)的。因此，在核異構(gòu)體實驗中可能產(chǎn)生了一種新的物質(zhì)狀態(tài)。關(guān)于這種狀態(tài)的研究還有待繼續(xù)開展。除了這種奇怪的違反直覺的物質(zhì)狀態(tài)之外，科學(xué)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(gòu)體的衰變來產(chǎn)生相干的伽馬射線，這使得實現(xiàn)超大功率的“γ射線激光”的制備更近了一步。
小結(jié)
在哈恩首次發(fā)現(xiàn)異構(gòu)體一個世紀(jì)后，核異構(gòu)體對我們來說依然神秘，科學(xué)家們正在致力于使用世界各地的研究設(shè)施研究和尋找新的異構(gòu)體。目前規(guī)模最大的實驗裝置是位于密歇根州立大學(xué)的稀有同位素束流裝置（Facility for Rare Isotope Beams，F(xiàn)RIB）。該設(shè)施于2022年5月上線，科學(xué)家們預(yù)期將通過它解鎖1000多種新的同位素和異構(gòu)體。
由于其獨特而豐富的性質(zhì)，對核異構(gòu)體的研究，不光具有諸多現(xiàn)實意義，也使得我們有機會探尋星體的爆發(fā)以及生命元素的合成等過程。在原子-原子核層面上，核異構(gòu)體的特殊性質(zhì)為人們探索核物理領(lǐng)域的未知區(qū)域提供了獨特的研究機會，未來也將有更加非凡的發(fā)現(xiàn)。
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
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