核异构体定义

核异构体是指原子核中具有相同质量数和原子序数，但具有不同激发态的原子。更高或更高的激发态称为亚稳态，而稳定的未激发态称为基态。

它们是如何工作的

大多数人都知道电子可以改变能级，并在激发态中被发现。当质子或中子（核子）被激发时，原子核中也会发生类似的过程。被激发的核子占据一个更高能量的核轨道。大多数情况下，受激核子会立即返回基态，但如果受激态的半衰期比正常受激态的半衰期长100到1000倍，则被视为亚稳态。换句话说，激发态的半衰期通常为10-12秒，而亚稳态的半衰期为10-9秒或更长。一些源将亚稳态定义为半衰期大于5 x 10-9秒，以避免与伽马辐射的半衰期混淆。虽然大多数亚稳态衰变很快，但有些亚稳态会持续几分钟、几小时、几年或更长时间。

亚稳态形成的原因是，为了使它们回到基态，需要更大的核自旋变化。高自旋变化使衰变成为“禁止跃迁”并延迟它们。衰变半衰期还受衰变能的多少影响。

大多数核异构体通过伽马衰变返回基态。有时亚稳态的伽马衰变被称为同分异构体跃迁，但它本质上与正常的短寿命伽马衰变相同。相反，大多数激发原子态（电子）通过荧光返回基态。

亚稳异构体衰变的另一种方式是内部转化。在内部转换中，衰变释放的能量加速内部电子，使其以相当大的能量和速度离开原子。对于高度不稳定的核异构体，还存在其他衰变模式。

亚稳态和基态表示法

基态用符号g表示（当使用任何符号时）。激发态用符号m、n、o等表示。第一亚稳态用字母m表示。如果特定同位素具有多个亚稳态，则异构体被指定为m1、m2、m3等。该名称列在质量编号之后（例如，钴58m或58m27Co、铪-178m2或178m272Hf）。

可以添加符号sf以指示能够自发裂变的异构体。该符号用于卡尔斯鲁厄核素图。

亚稳态例子

奥托·哈恩在1921年发现了第一个核异构体。这是Pa-234m，它在Pa-234中衰变。

寿命最长的亚稳态是180m73 Ta。钽的这种亚稳态还没有被发现衰变，而且似乎至少持续了1015年（比宇宙年龄还要长）。由于亚稳态持续时间很长，核异构体基本上是稳定的。自然界中钽-180m的丰度约为每8300个原子1个。人们认为核的同分异构体可能是由超新星形成的。

它们是如何制作的

亚稳核异构体是通过核反应产生的，可以通过核聚变产生。它们既有自然发生的，也有人为发生的。

裂变异构体和形状异构体

一种特殊类型的核异构体是裂变异构体或形状异构体。裂变异构体用后缀或上标“f”代替“m”（例如钚-240f或240f94Pu）表示。“形状异构体”一词是指原子核的形状。虽然原子核倾向于被描绘成一个球体，但一些核，如大多数锕系元素的核，是长形球体（足球形）。由于量子力学效应，激发态到基态的去激发受到阻碍，因此激发态往往会发生自发裂变，或者以纳秒或微秒的半衰期返回基态。形状异构体的质子和中子可能比基态的核子离球形分布更远。

核异构体的用途

核异构体可用作医疗程序、核电池、伽马射线受激发射研究和伽马射线激光的伽马源。