裂變是20世紀最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，諾貝爾獎得主奧托·哈恩（Otto Hahn）也因發(fā)現(xiàn)核裂變而名留青史。而哈恩卻認為，自己的另一項研究才是他最好的科學(xué)杰作。
1921年，他在德國柏林威廉皇帝化學(xué)研究所研究放射性，當(dāng)時他注意到了一些他無法解釋的事情。簡單來說，他正在研究的一種元素沒有表現(xiàn)出它應(yīng)有的樣子。
哈恩實際上無意間發(fā)現(xiàn)了第一個同核異能素，也就是說，它的原子核的質(zhì)子和中子的排列方式與這種元素的普通形式有所不同，導(dǎo)致它具有非同尋常的特性。但其實直到十幾年后，核物理學(xué)領(lǐng)域的更多發(fā)現(xiàn)才真正解釋了哈恩的發(fā)現(xiàn)。
一個多世紀后的今天，研究人員不僅對這些奇特的元素有了更多了解，也已經(jīng)開始探索如何將同核異能素用于造福人類。
從放射性同位素說起
在20世紀初，許多科學(xué)家正將目光放在尋找新的放射性元素上。如果一種元素在被稱為放射性衰變的過程中會自發(fā)地釋出粒子，那么它就被認為具有放射性。元素在這個過程中也會隨著時間的推移轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N不同的元素。
當(dāng)時，科學(xué)家主要依靠三個標準來發(fā)現(xiàn)并描述一個新的放射性元素。首先是化學(xué)性質(zhì)，也就是新元素如何與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。他們還要檢測放射性衰變過程中釋出的粒子類型和能量。最后，他們會測量一種元素的衰變速度，并用半衰期來描述。顧名思義，半衰期指的是初始放射性元素的一半衰變成其他元素所需的時間。
到了20世紀20年代，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些具有相同化學(xué)性質(zhì)，但半衰期不同的放射性物質(zhì)，它們被稱為同位素。同位素可以理解成同一種元素的不同版本，它們的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)卻不一樣。
鈾就是一種具有許多種同位素的放射性元素，其中兩種在地球上天然存在。這些天然鈾同位素會衰變成釷，而釷又衰變?yōu)殓h，這些元素也都有各自的同位素。哈恩和莉澤·邁特納（Lise Meitner）是最早發(fā)現(xiàn)源于鈾衰變的許多不同同位素的科學(xué)家。
鈾衰變系示意圖。（圖／Tosaka, Wikimedia Commons, CC BY）
他們研究的幾乎所有同位素的行為都符合預(yù)期，除了一種。這種同位素似乎具有與其他同位素相同的特性，但半衰期卻更長了。這根本說不通，因為哈恩和邁特納已經(jīng)將所有已知的鈾同位素準確分類，似乎并沒有空位來接納一種新的同位素。他們把這種物質(zhì)稱為“鈾Z”。
鈾Z的放射性信號只有樣品中其他同位素的放射性的500分之一，因此，哈恩決定用更多材料來證實他的觀察。他從約100千克的劇毒而稀有的鈾鹽中化學(xué)分離出了鈾。這次更精確的實驗得到了令人驚訝的結(jié)果：神秘的鈾Z實際上是一種已知的同位素，如今被稱為鏷-234，但它的半衰期截然不同。
這是人們發(fā)現(xiàn)的具有不同半衰期的同位素的首個案例。哈恩發(fā)表了他對第一個同核異能素的發(fā)現(xiàn)，盡管當(dāng)時，誰也無法完全解釋這種現(xiàn)象。
中子講完了這個故事
在哈恩于20世紀20年代進行實驗時，當(dāng)時科學(xué)界公認的原子模型還是質(zhì)子組成的團塊，周圍包含同等數(shù)量的電子。
事情的轉(zhuǎn)機發(fā)生在30年代。1932年，經(jīng)過10多年的追尋，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）終于證實了原子中最難以捉摸的一個組成部分，也就是一種被稱為中子的粒子。
有了這些新信息，物理學(xué)家很快就能解釋同位素了，它們其實是具有相同數(shù)量質(zhì)子、不同數(shù)量中子的原子核。同時，科學(xué)界也終于有了理解鈾Z的工具。
1936年，卡爾·弗里德里希·馮·魏茨澤克（Carl Friedrich von Weizs?cker）提出，兩種不同的物質(zhì)可能具有相同數(shù)量的核內(nèi)質(zhì)子和中子，但排列方式不同，半衰期也因而不同。導(dǎo)致最低能量的質(zhì)子和中子的排列方式意味著最穩(wěn)定的物質(zhì)，也被稱為基態(tài)。導(dǎo)致同位素不太穩(wěn)定、能量較高的排列方式被稱為同核異能態(tài)。
起初，同核異能素在科學(xué)界只是作為了解原子核行為的一種“工具”。但是一旦你理解了它們的特性，就會自然而然地開始思考，它們可以如何被使用。
醫(yī)學(xué)和天文學(xué)中的同核異能素
同核異能素在醫(yī)學(xué)上具有重要的應(yīng)用，它們每年被用在數(shù)以千萬計的診斷程序中。由于同核異能素會發(fā)生放射性衰變，特殊的照相機可以追蹤它們在體內(nèi)移動的過程。
例如，锝-99m是锝-99的一種同核異能素。當(dāng)同核異能素衰變時，它會發(fā)射光子。利用光子探測器，醫(yī)生就能追蹤锝-99m在體內(nèi)的軌跡，并創(chuàng)建心臟、腦、肺和其他關(guān)鍵器官的圖像，幫助診斷包括癌癥在內(nèi)的疾病。
醫(yī)護人員正將锝-99m注入病人體內(nèi)。（圖／Tosaka, Wikimedia Commons, CC BY）
放射性元素和同核異能素通常有些危險，因為它們發(fā)射的帶電粒子往往會對身體組織造成傷害。但像锝這樣的同核異能素在醫(yī)學(xué)上卻很安全，因為它們在衰變過程中每次只發(fā)射一個無害的光子，而沒有其他東西。
同核異能素在天文學(xué)和天體物理學(xué)中同樣至關(guān)重要。恒星是由核反應(yīng)過程中釋放的能量所驅(qū)動的。由于恒星中存在同核異能素，核反應(yīng)中的狀態(tài)與物質(zhì)處于基態(tài)時不同。它們能幫助我們理解恒星如何產(chǎn)生各種元素。
未來的同核異能素
在哈恩首次發(fā)現(xiàn)同核異能素的一個世紀后，科學(xué)家仍在利用世界各地強大的研究設(shè)施發(fā)現(xiàn)新的同核異能素，比如美國密歇根州立大學(xué)的稀有同位素束流裝置。它于今年5月剛剛上線，有望釋放出1000多種新的同位素和同核異能素。
科學(xué)家還在研究，同核異能素是否可以用來建造世界上最精確的時鐘，或者它們是否有朝一日會成為下一代電池的基礎(chǔ)。
在檢測到鈾鹽中一處微小的異常的100多年后，科學(xué)界依舊在尋找新的同核異能素，并剛剛開始揭示這些迷人的物理學(xué)作品的全部潛力。
#創(chuàng)作團隊：
原文作者：Atermis Spyrou（密歇根州立大學(xué)核物理學(xué)教授）
Dennis Mücher（圭爾夫大學(xué)和物理學(xué)副教授）
編譯：Takeko
排版：雯雯
#參考來源：
https://theconversation.com/nuclear-isomers-were-discovered-100-years-ago-and-physicists-are-still-unraveling-their-mysteries-180231
#圖片來源：
封面圖&首圖：pixabay
