本文選自《物理》2021年第5期

(北京大學 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壽命激發態，通常發生γ躍遷、β衰變、裂變、α衰變、質子發射等衰變。原子核激發態的半衰期常不到 1 ps。壽命多長才能被稱為同核異能素并無統一界定。一般認為，為了能夠計數，同核異能素的半衰期應該長于 1 ns。同核異能素通常可以通過重核裂變、重離子反應、超強激光等方法產生。自同核異能素被發現以來的一個世紀，核物理學家已經發現了近2500種半衰期大于 10 ns 的原子核激發態。

發 現

同核異能素由德國科學家奧托·哈恩于1921年在柏林的凱撒威廉化學研究所發現。哈恩和他的同事莉澤·邁特納系統地研究了鈾-238衰變到穩定的鉛-206的復雜過程。哈恩發現，他當時稱為UI的鈾-238，可以通過發射α粒子形成UX1(釷-234)，然后通過β衰變，躍遷到UZ(鏷-234的基態)或者UX2(鏷-234的激發態)。換句話說，哈恩發現鏷-234原子核有兩個不同的態：半衰期為7小時的基態和半衰期為1分鐘的激發態(圖1)。

圖1 UI(鈾-238)的衰變過程。UI發射α粒子形成UX1(釷-234)，然后發生β衰變，躍遷到UZ(鏷-234的基態)或UX2 (鏷-234的激發態)，UZ和UX2發生β衰變形成UII(鈾-234)

哈恩關于同核異能素的發現是否受到英國化學家弗雷德里克·索迪的啟發，至今尚未定論。當時，科學家廣泛接受的概念是英國化學家索迪發現的同位素，即具有相同的質子數、不同的中子數(當時中子尚未被發現)的原子核。在1917年發表的論文中，索迪假定存在“具有相同原子量以及化學性質，但是穩定性及破裂模式不同的同位素”。原則上，索迪已經預言了同核異能素。

哈恩的工作標志著同核異能素的發現。然而，直到1932年詹姆斯·查德威克發現中子，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在理論物理學家喬治·伽莫夫的論文中。

1936年，德國物理學家卡爾·馮·魏茨澤克給出了同核異能素的合理的解釋。他意識到，所有原子核都有角動量或自旋，質子和中子軌道組合，會形成不同的原子核自旋態。這類似于不同原子空間分布的化學異構體。如果激發態與基態的自旋很不相同，它需要很長時間發射γ射線衰變到基態。如鏷-234的兩個態，自旋相差四個單位(4?)。這使γ衰變如此之慢，以至激發態更可能發生β衰變。

科學意義

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·休斯獨立建立。正如原子殼層只能容納一定數目的電子，原子核殼層中能夠容納的中子和質子數同樣有限制。填滿第1個殼是兩個核子，填滿后續的殼，對應的核子數被稱為“幻數”，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—軌道力為強吸引力。這種差別將影響自旋結構，特別是同核異能素的形成。

近年來，核物理學家發現質子幻數依賴于原子核中的中子數。反之，中子幻數也依賴于原子核中的質子數。在穩定原子核中是幻數，而在不穩定的原子核中可能不再是幻數。這促使我們考慮構建不穩定原子核的結構模型。對此，同核異能素非常重要。

探索元素存在的極限，是核物理學家的一個夢想。原子序數等于或大于104的元素稱為超重元素。超重元素對原子核物理、分子物理和化學都有重要意義。超重元素的壽命很短，在自然界不存在，只能通過熔合反應在實驗室合成。目前合成的最重元素原子序數為118。具有同核異能素的最重元素是?，原子序數為110。?-270同核異能素的半衰期為 4 ms，比半衰期為 0.2 ms 的基態更穩定。這表明同核異能素在超重元素合成中有極其關鍵的作用。

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

應 用

除了上述科學意義，當半衰期大于1s時，同核異能素在醫學成像、核電池、超精度鐘表、γ射線激光等領域有很高的實用價值。

醫學成像：在醫學上，放射性同位素可用于診斷和治療(圖2)。應用最廣泛的是锝-99的一種同核異能素，每年達2000萬例。它只發射能量為 141 keV 的單一γ射線，沒有伴隨的β粒子，對成像非常理想。同時，它的半衰期為6小時，足夠掃描特定器官，并在短時間衰變，從而減小對患者的輻射劑量。作為所關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，這迫使醫院訂購其母核鉬-99。在核反應堆中，鉬-99通過鈾-235裂變產生，半衰期為66小時。鉬-99衰變產生锝-99，醫院通過化學方法，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

核時鐘：釷-229是目前已知能量最低的同核異能素，為 8.1 eV，對應波長為 150 nm 的光。測量該激發能至今仍是挑戰，需要發展新型的輻射探測器。電中性的釷-229原子，半衰期僅為 7 μs，理論預測它的離子半衰期比它長若干個量級。于是，物理學家提出許多可能的應用，包括建造比所有已知時鐘更精確的時鐘、研究基本的自然常數是否隨時間改變等。

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

γ射線激光：把原子核處于同核異能態的銫原子氣體冷卻到 100 nK，形成玻色—愛因斯坦凝聚，從而產生一種新的物態。這些原子將處于能量最低的“凝聚態”，但原子核處于激發態。這是一種違反直覺的奇異物態。通過聚焦同核異能素衰變時放出的相干γ射線，可以制造“γ射線激光”。目前，這種“γ射線激光”還沒有制造出來。

現狀與展望

一個世紀過去了，關于同核異能素還有很多問題有待研究。前面提到，原子核自旋發生大的改變，可能會形成同核異能素。自旋是矢量，有大小和方向。事實上，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，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軸，衰變后自旋與長軸垂直。

還有一種同核異能素——“形狀同核異能素”，當衰變到基態時，形狀發生顯著改變，如從球形變成橢球。自20世紀60年代初被發現以來，至今已有約50種。在很重的原子核中，還存在它的一個分支——“裂變同核異能素”，衰變時自發裂變成兩個較輕的原子核。由于裂變限制了原子核質量的上限，裂變同核異能素對理解重核的穩定性至關重要。

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