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什么是核异构体？
我们都知道，原子是由原子核和电子组成的。原子核是由质子和中子组成的，它们之间通过强相互作用紧密地结合在一起。不同元素之间的区别就在于它们的原子核中质子和中子的数量不同。例如，氢元素只有一个质子，氦元素有两个质子和两个中子，碳元素有六个质子和六个中子，铀元素有92个质子和个中子。
但是，对于同一种元素，它的原子核内质子数和中子数也可能不同，我们称其为该元素的同位素。例如，氢元素有三种同位素：普通氢（只有一个质子），重氢（一个质子和一个中子），超重氢（一个质子和两个中子）。同位素之间的化学性质基本相同，但是物理性质却有所不同。例如，重水（由重氢和氧组成）比普通水（由普通氢和氧组成）更重，沸点也更高。
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（Nuclearisomers，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至0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5x10^(-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-m，其半衰期大于10^15年，比理论估算的宇宙的年龄还要长。
核异构体是如何被发现的？
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。
年，英国化学家弗雷德里克·索迪（FrederickSoddy）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。
哈恩和迈特纳发现，在铀-（UI）经过α衰变后产生了钍-（UX1），而UX1则可以通过两种不同方式进行β衰变：一种是产生镤-（UX2），另一种是产生镤-（UZ）。这两种镤-具有相同的原子量和化学性质，但是它们具有不同的半衰期和辐射能量。UX2可以通过β衰变产生镤-（UII），而UZ也可以通过β衰变产生镤-（UII）。这意味着镤-也有两种不同状态。哈恩和迈特纳认为这些不同状态是由于原子核内部结构不同造成的，并将其命名为“异能态”（isotonestate）。
哈恩和迈特纳对于“异能态”的解释并没有得到当时其他科学家们的认可。直到年，在英国物理学家詹姆斯·查德威克（JamesChadwick）和查尔斯·
埃利斯顿（CharlesEllis）的合作下，核异构体的概念才被正式提出和证实。查德威克和埃利斯顿使用了一种新的方法来测量放射性元素的半衰期，即使用云室和闪烁计数器。他们发现，镤-（UX2）和镤-（UZ）的半衰期分别为24.1天和1.17分钟，而镤-（UII）的半衰期则为15.1分钟。他们认为，UX2和UZ是同一种同位素的不同状态，而UII是另一种同位素。他们将这两种不同状态称为“异构体”（isomers），并用m表示亚稳态（metastablestate），用g表示基态（groundstate）。因此，UX2和UZ分别被记为镤-m和镤-g，而UII则被记为镤-g。
查德威克和埃利斯顿的工作引起了其他科学家们的注意，他们开始寻找更多的核异构体。例如，年，美国物理学家伊萨多·拉比（IsidorRabi）发现了氘核（重氢核）的核磁共振现象，证明了氘核有两种不同的自旋状态，即自旋向上和自旋向下。这两种状态也可以看作是核异构体，只是它们之间的能量差非常小，只有0.%。
随着核物理学的发展，科学家们发现了更多的核异构体，并对它们进行了分类和理论解释。目前已知有超过种核异构体，其中一些具有非常特殊和奇妙的性质。
核异构体有哪些类型？
根据核异构体之间能量差的大小和衰变方式的不同，核异构体可以分为三类：自旋异构体、K异构体和形状异构体。
自旋异构体
自旋异构体是指原子核内部核子（质子或中子）的自旋方向不同导致的不同状态。自旋是一种内禀的物理量，类似于一个微小的磁铁。当原子核处于外部磁场中时，它会受到一个力矩作用，使得它倾向于与磁场平行或反平行。这就导致原子核有两种可能的取向，即自旋向上或自旋向下。这两种取向之间有一个能量差，称为塞曼效应（Zeemaneffect）。如果原子核没有处于外部磁场中，那么它也会受到内部磁场的影响，这个内部磁场是由其他核子产生的。因此，原子核也会有两种或更多种自旋取向，即自旋异构体。
自旋异构体之间的能量差通常比较小，大约在10^(-6)至10^(-3)电子伏特（eV）之间。因此，它们之间的衰变也比较慢，需要通过电磁辐射（γ射线）来实现。自旋异构体的半衰期一般在10^(-9)至10^(-3)秒之间，但也有一些例外，比如钴-60m，其半衰期为10.5分钟。
自旋异构体的一个重要应用是核磁共振成像（MRI），这是一种利用原子核在外部磁场中的共振现象来获取人体内部结构和功能信息的医学诊断技术。在MRI中，人体被置于一个强大的磁场中，使得人体内部的氢原子核（即质子）的自旋取向发生改变。然后，通过向人体施加一定频率的无线电波，使得氢原子核从低能态跃迁到高能态，或者从高能态跃迁到低能态。这些跃迁会产生一个信号，可以被探测器接收并转化为图像。不同组织中的氢原子核的信号强度和相位不同，因此可以区分出不同的组织类型和功能状态。
K异构体
K异构体是指原子核具有不同的角动量方向导致的不同状态。角动量是一种描述物体旋转运动的物理量，它与物体的质量、速度和半径有关。原子核内部的核子（质子或中子）也具有角动量，它们可以看作是一些旋转的球。当原子核具有偶数个质子和偶数个中子时，它们的角动量可以相互抵消，使得原子核没有总角动量。这样的原子核称为球形核，它们通常比较稳定。当原子核具有奇数个质子或奇数个中子时，它们的角动量不能完全抵消，使得原子核具有一个非零的总角动量。这样的原子核称为非球形核，它们通常比较不稳定。
非球形核可以通过改变自己的形状来降低自己的能量，从而趋向于稳定。例如，非球形核可以变成椭球形、梨形、环形或其他复杂的形状。这些形状可以用一个参数来描述，即变形参数β。β越大，表示原子核越扁平；β越小，表示原子核越接近球形。
当原子核发生变形时，它会产生一个新的角动量方向，即K方向。K方向是指沿着原子核对称轴（即最长轴或最短轴）的方向。当原子核处于基态时，K方向与总角动量方向重合；当原子核处于激发态时，K方向与总角动量方向夹角不为零。这就导致了不同的K值，即K异构体。
K异构体之间的能量差通常比较大，大约在1至0电子伏特（eV）之间。因此，它们之间的衰变也比较快，需要通过电磁辐射（γ射线）来实现。K异构体的半衰期一般在10^(-12)至10^(-6)秒之间，但也有一些例外，比如钴-58m，其半衰期为9.1小时。
K异构体的一个重要应用是核γ射线激光（NGL），这是一种利用核异构体之间的跃迁产生的单色、相干和定向的γ射线来实现激光放大的技术。核γ射线激光具有很高的能量和穿透力，可以用于核医学、核物理、核化学、核工程和国防等领域。目前，科学家们已经实现了一些核γ射线激光的原型，比如基于铱-m的核γ射线激光，其波长为0.纳米，比可见光还要短0倍。
形状异构体
形状异构体是指原子核具有不同的形状导致的不同状态。形状异构体是一种非常特殊和罕见的核异构体，它们只存在于一些重元素中，比如钯、铑、铱、铅、铋等。形状异构体之间的能量差非常大，大约在0至0000电子伏特（eV）之间。因此，它们之间的衰变也非常慢，需要通过内转换电子发射（ICE）或集群衰变（CD）来实现。形状异构体的半衰期一般在10^(-3)至10^15秒之间，甚至有一些形状异构体的寿命比宇宙还要长。
形状异构体是如何产生的呢？原因在于原子核内部存在着两种相互竞争的力：一种是使得原子核趋向于球形的库仑排斥力（Coulombrepulsion），这是由于原子核内部的质子之间具有相同电荷而产生的；另一种是使得原子核趋向于非球形的壳层结构力（shellstructureforce），这是由于原子核内部的质子和中子按照一定规律分布在不同能级上而产生的。当库仑排斥力占据优势时，原子核会变成球形；当壳层结构力占据优势时，原子核会变成非球形。
当原子核处于基态时，它会选择能量最低的形状；当原子核处于激发态时，它会选择能量较高但仍然稳定的形状。这就导致了不同的形状异构体。例如，铱-m2是一种非常著名的形状异构体，它具有两个不同的形状：一个是接近球形的基态（β=0.22），另一个是扁平椭球形的亚稳态（β=0.31）。这两个形状之间有一个巨大的能量差，约为2.45万电子伏特（eV），但是它们之间的衰变却非常困难，因为它们需要改变原子核的形状和角动量。因此，铱-m2的半衰期达到了31年，是目前已知的最长寿命的形状异构体。
形状异构体的一个重要应用是核时标（nuclearclock），这是一种利用形状异构体之间的跃迁产生的γ射线来实现高精度计时的技术。核时标具有很高的稳定性和准确性，可以用于基础物理、天文学、导航和通信等领域。目前，科学家们已经实现了一些核时标的原型，比如基于铱-m2的核时标，其精度可达10^(-17)秒，比原子钟还要高倍。
核异构体有什么前景？
核异构体是一种非常有趣和神秘的物理现象，它们展示了原子核内部的千奇百态。核异构体的研究可以帮助我们更好地理解原子核的内部机制，也可能在未来有一些重要的应用，比如核时标、核电池、清洁核能和核γ射线激光等。目前，科学家们还在不断地寻找和探索更多的核异构体，以及它们的性质和规律。我们期待着有一天，核异构体能够为人类带来更多的惊喜和福祉。
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