100年后，这类元素仍然神秘
100年后，这类元素仍然神秘Original Spyrou & Mücher
原理 2022-06-07 05:36 Posted on 浙江
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裂变是20世纪最重要的科学发现之一，诺贝尔奖得主奥托·哈恩（Otto Hahn）也因发现核裂变而名留青史。而哈恩却认为，自己的另一项研究才是他最好的科学杰作。
1921年，他在德国柏林威廉皇帝化学研究所研究放射性，当时他注意到了一些他无法解释的事情。简单来说，他正在研究的一种元素没有表现出它应有的样子。
哈恩实际上无意间发现了第一个同核异能素，也就是说，它的原子核的质子和中子的排列方式与这种元素的普通形式有所不同，导致它具有非同寻常的特性。但其实直到十几年后，核物理学领域的更多发现才真正解释了哈恩的发现。
一个多世纪后的今天，研究人员不仅对这些奇特的元素有了更多了解，也已经开始探索如何将同核异能素用于造福人类。
从放射性同位素说起
在20世纪初，许多科学家正将目光放在寻找新的放射性元素上。如果一种元素在被称为放射性衰变的过程中会自发地释出粒子，那么它就被认为具有放射性。元素在这个过程中也会随着时间的推移转变为另一种不同的元素。
当时，科学家主要依靠三个标准来发现并描述一个新的放射性元素。首先是化学性质，也就是新元素如何与其他物质发生反应。他们还要检测放射性衰变过程中释出的粒子类型和能量。最后，他们会测量一种元素的衰变速度，并用半衰期来描述。顾名思义，半衰期指的是初始放射性元素的一半衰变成其他元素所需的时间。
到了20世纪20年代，物理学家已经发现了一些具有相同化学性质，但半衰期不同的放射性物质，它们被称为同位素。同位素可以理解成同一种元素的不同版本，它们的核内质子数相同，但中子数却不一样。
铀就是一种具有许多种同位素的放射性元素，其中两种在地球上天然存在。这些天然铀同位素会衰变成钍，而钍又衰变为镤，这些元素也都有各自的同位素。哈恩和莉泽·迈特纳（Lise Meitner）是最早发现源于铀衰变的许多不同同位素的科学家。
铀衰变系示意图。（图／Tosaka, Wikimedia Commons, CC BY）
他们研究的几乎所有同位素的行为都符合预期，除了一种。这种同位素似乎具有与其他同位素相同的特性，但半衰期却更长了。这根本说不通，因为哈恩和迈特纳已经将所有已知的铀同位素准确分类，似乎并没有空位来接纳一种新的同位素。他们把这种物质称为“铀Z”。
铀Z的放射性信号只有样品中其他同位素的放射性的500分之一，因此，哈恩决定用更多材料来证实他的观察。他从约100千克的剧毒而稀有的铀盐中化学分离出了铀。这次更精确的实验得到了令人惊讶的结果：神秘的铀Z实际上是一种已知的同位素，如今被称为镤-234，但它的半衰期截然不同。
这是人们发现的具有不同半衰期的同位素的首个案例。哈恩发表了他对第一个同核异能素的发现，尽管当时，谁也无法完全解释这种现象。
中子讲完了这个故事
在哈恩于20世纪20年代进行实验时，当时科学界公认的原子模型还是质子组成的团块，周围包含同等数量的电子。
事情的转机发生在30年代。1932年，经过10多年的追寻，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）终于证实了原子中最难以捉摸的一个组成部分，也就是一种被称为中子的粒子。
有了这些新信息，物理学家很快就能解释同位素了，它们其实是具有相同数量质子、不同数量中子的原子核。同时，科学界也终于有了理解铀Z的工具。
1936年，卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克（Carl Friedrich von Weizsäcker）提出，两种不同的物质可能具有相同数量的核内质子和中子，但排列方式不同，半衰期也因而不同。导致最低能量的质子和中子的排列方式意味着最稳定的物质，也被称为基态。导致同位素不太稳定、能量较高的排列方式被称为同核异能态。
起初，同核异能素在科学界只是作为了解原子核行为的一种“工具”。但是一旦你理解了它们的特性，就会自然而然地开始思考，它们可以如何被使用。
医学和天文学中的同核异能素
同核异能素在医学上具有重要的应用，它们每年被用在数以千万计的诊断程序中。由于同核异能素会发生放射性衰变，特殊的照相机可以追踪它们在体内移动的过程。
例如，锝-99m是锝-99的一种同核异能素。当同核异能素衰变时，它会发射光子。利用光子探测器，医生就能追踪锝-99m在体内的轨迹，并创建心脏、脑、肺和其他关键器官的图像，帮助诊断包括癌症在内的疾病。
放射性元素和同核异能素通常有些危险，因为它们发射的带电粒子往往会对身体组织造成伤害。但像锝这样的同核异能素在医学上却很安全，因为它们在衰变过程中每次只发射一个无害的光子，而没有其他东西。
同核异能素在天文学和天体物理学中同样至关重要。恒星是由核反应过程中释放的能量所驱动的。由于恒星中存在同核异能素，核反应中的状态与物质处于基态时不同。它们能帮助我们理解恒星如何产生各种元素。
未来的同核异能素
在哈恩首次发现同核异能素的一个世纪后，科学家仍在利用世界各地强大的研究设施发现新的同核异能素，比如美国密歇根州立大学的稀有同位素束流装置。它于今年5月刚刚上线，有望释放出1000多种新的同位素和同核异能素。
科学家还在研究，同核异能素是否可以用来建造世界上最精确的时钟，或者它们是否有朝一日会成为下一代电池的基础。
在检测到铀盐中一处微小的异常的100多年后，科学界依旧在寻找新的同核异能素，并刚刚开始揭示这些迷人的物理学作品的全部潜力。
#创作团队：
原文作者：Atermis Spyrou（密歇根州立大学核物理学教授）Dennis Mücher（圭尔夫大学和物理学副教授）编译：Takeko排版：雯雯
#参考来源：
https://theconversation.com/nuclear-isomers-were-discovered-100-years-ago-and-physicists-are-still-unraveling-their-mysteries-180231#图片来源：
封面图&首图：pixabay
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