 裂變是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，諾貝爾獎(jiǎng)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(rèn)為,，自己的另一項(xiàng)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(shí)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(shí)際上無意間發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)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(shí)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(gè)多世紀(jì)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(jì)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(rèn)為具有放射性,。元素在這個(gè)過程中也會隨著時(shí)間的推移轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N不同的元素。 當(dāng)時(shí),，科學(xué)家主要依靠三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來發(fā)現(xiàn)并描述一個(gè)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(shí)間,。 到了20世紀(jì)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?yàn)楣骱瓦~特納已經(jīng)將所有已知的鈾同位素準(zhǔn)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(shí)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(shí)驗(yàn)得到了令人驚訝的結(jié)果：神秘的鈾Z實(shí)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(gè)案例,。哈恩發(fā)表了他對第一個(gè)同核異能素的發(fā)現(xiàn),，盡管當(dāng)時(shí)，誰也無法完全解釋這種現(xiàn)象,。 中子講完了這個(gè)故事 在哈恩于20世紀(jì)20年代進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),，當(dāng)時(shí)科學(xué)界公認(rèn)的原子模型還是質(zhì)子組成的團(tuán)塊，周圍包含同等數(shù)量的電子,。 事情的轉(zhuǎn)機(jī)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(shí)了原子中最難以捉摸的一個(gè)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(shí)是具有相同數(shù)量質(zhì)子、不同數(shù)量中子的原子核,。同時(shí),，科學(xué)界也終于有了理解鈾Z的工具。 1936年，卡爾·弗里德里?！ゑT·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(jì)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(jī)可以追蹤它們在體內(nèi)移動(dòng)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(shí)，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(hù)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(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儼l(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?yàn)樗鼈冊谒プ冞^程中每次只發(fā)射一個(gè)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(dòng)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(shí)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(gè)世紀(jì)后，科學(xué)家仍在利用世界各地強(qiáng)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(shí)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(tuán)隊(duì)： 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:///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
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