核異性体

核異性体とは、原子核の準安定状態であり、1 つ以上の核子(陽子または中性子) が励起状態レベル (より高いエネルギー レベル) を占める状態です。「準安定」とは、励起状態の半減期が、即発的な半減期 (通常は 10 ⁻¹²秒程度) で崩壊する励起核状態の半減期の 100 ～ 1000 倍長い核を指します。「準安定」という用語は通常、半減期が 10 ⁻⁹秒以上の異性体に限定されます。一部の参考文献では、準安定半減期を通常の即発的なガンマ線放出半減期と区別するために 5 × 10 ⁻⁹秒を推奨しています。^[1]半減期はこれよりはるかに長く、数分、数時間、または数年続くこともあります。たとえば、^{180メートル}
₇₃タ
核異性体は非常に長く（少なくとも10 ¹⁵年）生き残るため、自発的に崩壊することは一度も観察されていない。核異性体の半減期は、同じ核種の基底状態の半減期を超えることさえある。^{180メートル}
₇₃タ
同様に^{186メートル}
₇₅再
、^192m2
₇₇イル
、^{210メートル}
₈₃バイ
、^{212メートル}
₈₄ポ
、^242m
₉₅午前
および複数のホルミウム異性体。

準安定状態からのガンマ崩壊は異性体遷移と呼ばれることもありますが、このプロセスは、準安定親核異性体の長寿命性を除き、一般的にはすべての外見的側面において短寿命ガンマ崩壊に似ています。核異性体の準安定状態の寿命が長いのは、多くの場合、ガンマ放出が基底状態に達するために関与しなければならない核スピンの変化の程度が大きいためです。この高いスピン変化により、これらの崩壊は禁制遷移となり、遅延します。放出の遅延は、利用可能な崩壊エネルギーが低いか高いことによって引き起こされます。

最初の核異性体と崩壊娘核システム（ウランX ₂ /ウランZ、現在は^234m
₉₁パ
/²³⁴
₉₁パ
）は1921年にオットー・ハーンによって発見された。^[2]

原子核異性体の原子核は、基底状態にある非励起原子核よりも高いエネルギー状態を占めます。励起状態では、原子核内の 1 つ以上の陽子または中性子が、利用可能な原子核軌道よりも高いエネルギーの原子核軌道を占めます。これらの状態は、原子内の電子の励起状態に類似しています。

励起原子状態が崩壊すると、蛍光によってエネルギーが放出されます。電子遷移では、このプロセスでは通常、可視領域に近い光の放出が伴います。放出されるエネルギー量は結合解離エネルギーまたはイオン化エネルギーに関連し、通常は結合あたり数 eV から数十 eV の範囲です。ただし、核プロセスには、はるかに強いタイプの結合エネルギーである核結合エネルギーが関与しています。このため、ほとんどの核励起状態はガンマ線放出によって崩壊します。たとえば、さまざまな医療処置で使用されているよく知られた核異性体は、^99分
_43秒TC
は、約 6 時間の半減期で 140 keV のエネルギーのガンマ線を放出して崩壊します。これは、医療診断用 X 線のエネルギーに近いものです。

核異性体は、ガンマ線を放出するために必要な核スピンの大きな変化によってガンマ崩壊が「禁止」されているため、半減期が長い。例えば、^{180メートル}
₇₃タ
スピン9を持ち、ガンマ崩壊して¹⁸⁰
₇₃タ
スピンは1です。同様に、^99分
_43秒TC
スピンは1/2で、ガンマ崩壊して⁹⁹
₄₃TC
スピンは9/2。

準安定異性体のほとんどはガンマ線放出によって崩壊しますが、内部転換によって崩壊することもあります。内部転換中、核脱励起のエネルギーはガンマ線として放出されず、代わりに原子の内部電子の 1 つを加速するために使用されます。その後、これらの励起電子は高速で離れていきます。これは、原子の内部電子が原子核を貫通し、原子核の陽子が異なる方法で再配置されるときに生成される強力な電場の影響を受けるために発生します。

エネルギー的に安定していない原子核では、さらに多くの崩壊モードが知られています。

核分裂後、生成される核分裂片のいくつかは準安定異性体状態をとる。これらの断片は通常、エネルギーと角運動量の点で高度に励起された状態で生成され、すぐに脱励起される。このプロセスの最後に、原子核は基底状態と異性体状態の両方に存在することができる。異性体の半減期が十分に長い場合、それらの生成率を測定し、基底状態のそれと比較して、いわゆる異性体収率を計算することが可能である。^[3]

準安定異性体は、核融合やその他の核反応によって生成されます。このようにして生成された原子核は、通常、励起状態で存在を開始し、1 つ以上のガンマ線または転換電子の放出によって緩和します。脱励起が原子核の基底状態まで急速に完全に進行しない場合があります。これは通常、中間励起状態の形成が基底状態のスピンとは大きく異なるスピンを持つ場合に、スピン異性体として発生します。放出後の状態のスピンが放出状態のスピンと大きく異なる場合、特に励起エネルギーが低い場合は、ガンマ線の放出が妨げられます。この状況での励起状態は、励起エネルギーが準安定状態よりも低い中間スピンの他の状態がない場合、準安定の候補となります。

特定の同位体の準安定異性体は通常「m」で表されます。この記号は原子の質量数の後に付けられます。たとえば、コバルト58m1は次のように略されます。^58m1
₂₇共同
、ここで 27 はコバルトの原子番号です。1 つ以上の準安定異性体を持つ同位体の場合、「インデックス」が指定の後に置かれ、ラベルは m1、m2、m3 などになります。インデックス m1、m2 などの増加は、各異性体状態に保存されている励起エネルギーのレベルの増加と相関します (例: ハフニウム 178m2、または^178m2
₇₂HF
）。

異なる種類の準安定核状態（異性体）は、核分裂異性体または形状異性体である。基底状態のアクチニド核のほとんどは球形ではなく、アメリカンフットボールやラグビーボールのように、対称軸が他の軸よりも長い長楕円体である。この形状により、陽子と中性子の分布が球形から大きく離れているため、核基底状態への脱励起が強く妨げられる量子力学的状態が生じる可能性がある。一般に、これらの状態は、「通常の」励起状態よりもはるかにゆっくりと基底状態に脱励起するか、ナノ秒またはマイクロ秒のオーダーの半減期で自発的に核分裂を起こす。これは非常に短い時間であるが、より一般的な核励起状態の半減期より何桁も長い。核分裂異性体は「m」ではなく上付きまたは下付き文字「f」で表記されることがある。例えばプルトニウム-240の核分裂異性体はプルトニウム-240fまたはプルトニウム-240fと表記される。^240f
₉₄プ
。

^{ほとんどの核励起状態は非常に不安定で、10 −12}秒程度存在した後、余分なエネルギーを「すぐに」放射します 。その結果、「核異性体」という特徴付けは通常、半減期が 10 ⁻⁹ 秒以上の構成にのみ適用されます。量子力学では、特定の原子種は、このより厳しい基準によっても異常に長い寿命を持つ異性体を持ち、興味深い特性を持つはずであると予測されています。一部の核異性体は寿命が非常に長いため、比較的安定しており、大量に生成および観測できます。

自然界で最も安定した核異性体は^{180メートル}
₇₃タ
は、すべてのタンタルサンプルに約8,300分の1の割合で存在します。その半減期は少なくとも10 ¹⁵年で、宇宙の年齢よりも大幅に長いです。異性体状態の低い励起エネルギーは、ガンマ線脱励起と¹⁸⁰
タ
基底状態（それ自体がベータ崩壊により放射性となり、半減期はわずか 8 時間）と、スピン不一致により抑制されるハフニウムへの直接電子捕獲またはタングステンへのベータ崩壊。この異性体の起源は謎に包まれているが、他のほとんどの重元素と同様に超新星で形成されたと考えられている。基底状態に緩和すると、光子エネルギー75 keV の 光子を放出する。

^{1988年にCBコリンズ[4]}によって初めて理論的に報告された。^{180メートル}
タ
弱いX線によってエネルギーを放出させることができるが、当時はこの脱励起機構は観察されていなかった。しかし、^{180メートル}
タ
この原子核の中間高レベル（ E ≈ 1 MeV）の共鳴光励起による電子放出は、 1999年にシュトゥットガルト原子核物理学グループのベリックと同僚によって観測された。^[5]

^178m2
₇₂HF
は、もう1つの比較的安定した核異性体です。半減期は31年で、同等に長寿命の異性体の中で最も高い励起エネルギーを持ちます。1グラムの純粋な^178m2
HF
約1.33ギガジュールのエネルギーが含まれており、これは約315kg（700ポンド）のTNT火薬を爆発させるのと同等である。^178m2
HF
エネルギーはガンマ線として放出され、その総エネルギーは2.45 MeVである。^{180メートル}
タ
、異論のある報告もある^178m2
HF
刺激を受けてエネルギーを放出することができる。このため、この物質はガンマ線レーザーの可能性のある発生源として研究されている。これらの報告によると、エネルギーは非常に速く放出されるため、^178m2
HF
非常に高い出力（エクサワット単位）を生み出すことができる。他の異性体もガンマ線誘導放出の媒体として研究されてきた。^{[1] [6]}

ホルミウムの核異性体^166m1
₆₇ホー
半減期は1,200年で、ホルミウム放射性核種の中で最も長い半減期である。¹⁶³
ホー
半減期が 4,570 年であるため、より安定しています。

²²⁹
₉₀の
著しく低い準安定異性体のみを有する8.355 733 554 021 (8) eV基底状態より上である。^{[7] [8] [9]} この低エネルギーは、波長の「ガンマ線」を生成する。148.382 182 8827 (15) nmの遠紫外線で、直接的な核レーザー分光法が可能である。しかし、このような超高精度分光法は、波長の十分に正確な初期推定なしには開始できず、これは20年にわたる努力の末、2024年にようやく達成された。^{[10] [11] [12] [13] [14] [8]}エネルギーが非常に低いため、原子のイオン化状態が半減期に影響を与える。中性^{229メートル}
₉₀の
内部転換により半減期は7 ± 1 μsであるが、異性体エネルギーはトリウムの第二イオン化エネルギーよりも小さいため、11.5 eV、このチャネルはトリウム陽イオンでは禁止されており、^{229メートル}
₉₀の⁺
ガンマ線放射により半減期が1740 ± 50秒。^{[7]この適度な寿命により、前例のない精度の}原子核時計 の開発が可能になりました。^{[15] [16] [9]}

励起核のガンマ崩壊の抑制、ひいては準安定異性体の存在の最も一般的なメカニズムは、スピン角運動量の最も一般的な量である 1 量子単位 ħ だけ任意の方向に沿って核角運動量を変化させる励起状態の崩壊経路がないことである。この変化は、このシステムで 1 単位のスピンを持つガンマ光子を放出するために必要である。角運動量の 2 単位以上の積分変化は可能であるが、放出された光子は追加の角運動量を運び去る。1 単位を超える変化は禁制遷移として知られている。放出されたガンマ線が運ばなければならない 1 より大きいスピン変化の各追加単位は、崩壊速度を約 5 桁抑制する。^{[17]知られている最大のスピン変化は 8 単位であり、 180m} Taの崩壊で発生し、これにより 1 単位に関連する崩壊よりも 10 ³⁵倍崩壊が抑制される。自然なガンマ崩壊半減期は 10 ⁻¹²秒であるのに対し、この元素の半減期は 10 ²³秒以上、つまり少なくとも 3 × 10 ¹⁵年であり、そのため崩壊はまだ観測されていません。

原子核がゼロスピン状態から始まる場合、ガンマ線放出は角運動量を保存しないため不可能である。^[要出典]

ハフニウム^{[18] [19]}異性体（主に^{178m2 Hf）は}、非常に強いガンマ線を放出するように誘導できると主張されているため、核拡散防止条約を回避するために使用できる兵器であると考えられてきました。この主張は一般的に軽視されています。^[20] DARPAは、両方の核異性体のこの使用を調査するプログラムを持っていました。^[21]核同位体から突然のエネルギー放出を引き起こす可能性は、そのような兵器での使用の前提条件ですが、議論の的となっています。それでも、同位体の大量生産手段を評価するために、12人のメンバーからなるハフニウム異性体生産パネル（HIPP）が2003年に設立されました。^[22]

テクネチウム異性体^99分
_43秒TC
（半減期は6.01時間）^95分
_43秒TC
(半減期 61 日) は医療や工業用途で使用されています。

原子力電池は、高エネルギー密度の放射性同位元素を少量（ミリグラムおよびマイクロキュリー）使用する。あるベータボルタ型デバイス設計では、放射性物質が、P型およびN型シリコンの隣接層を備えたデバイスの上部に位置する。電離放射線は接合部を直接透過し、電子-正孔対を生成する。核異性 体は他の同位体を置き換えることができ、さらに開発が進めば、必要に応じて崩壊を誘発することで、核異性体のオン/オフを切り替えることが可能になるかもしれない。現在、このような用途の候補には、¹⁰⁸ Ag、¹⁶⁶ Ho、¹⁷⁷ Lu、および²⁴² Amが含まれる。2004年時点で、誘発に成功した唯一の異性体は^180m Taであり、これは、放出される光子エネルギーよりも多くの光子エネルギーを誘発するのに必要であった。^[23]

¹⁷⁷ Luのような同位体は、原子核内の一連の内部エネルギーレベルを崩壊させることでガンマ線を放出し、十分な精度で誘発断面積を知ることで、高性能爆薬やその他の従来の化学エネルギー貯蔵よりも¹⁰⁶倍濃縮されたエネルギー貯蔵を作り出すことができる可能性があると考えられています。^[23]

異性体遷移または内部遷移（IT）は、核異性体がより低エネルギーの核状態へ崩壊することである。実際のプロセスには2つのタイプ（モード）がある：^{[24] [25]}

• γ（ガンマ線）放出（高エネルギー光子の放出）、
• 内部変換（エネルギーは原子の電子の 1 つを放出するために使用されます）。

異性体は他の元素に崩壊することがあるが、崩壊率は異性体によって異なる。例えば、^177m Luは半減期160.4日でベータ崩壊して¹⁷⁷ Hfになるか、半減期160.4日で異性体遷移を起こして¹⁷⁷ Luになり、その後半減期6.68日でベータ崩壊して177 Hfになる^。 [ ^23]

励起された核状態からガンマ線が放出されると、核はエネルギーを失い、より低いエネルギー状態、時には基底状態になります。場合によっては、核反応または他の種類の放射性崩壊後の励起された核状態は、準安定の励起核状態になることがあります。一部の核は、この準安定の励起状態に数分、数時間、数日間、または場合によってはそれよりずっと長く留まることができます。

異性体遷移のプロセスは、あらゆる励起核状態からのガンマ線放出と似ていますが、半減期の長い励起準安定状態の核が関与する点で異なります。他の励起状態と同様に、アルファ粒子、ベータ粒子、またはその他の種類の粒子の放出後、核は異性体状態のままになることがあります。

ガンマ線は、最も強く結合した電子の 1 つにエネルギーを直接伝達し、その電子を原子から放出することがあります。このプロセスは光電効果と呼ばれます。これは、中間粒子としてガンマ線光子が生成されない 内部変換プロセスと混同しないでください。

• 誘導ガンマ線放出
• 異性体シフト
• メスバウアー効果

• ハフニウム核異性体の脱励起制御に関する最初の主張を発表した研究グループ。2009 年 2 月 25 日にWayback Machineにアーカイブ– テキサス大学ダラス校量子エレクトロニクス センター。
• 上記のワシントンポストの記事で言及されている高エネルギー核物質に関するジェイソン防衛諮問グループの報告書
• バートラム・シュワルツシルト (2004 年 5 月)。「ハフニウムの長寿命核異性体に関する相反する結果は、より広範な意味合いを持つ」。Physics Today 。第 57 巻、第 5 号。21 ～ 24 ページ。Bibcode : 2004PhT....57e..21S。doi :10.1063/1.1768663。ログインが必要ですか?
• 2006 年のハフニウム異性体トリガーに対する信頼性。 – テキサス大学ダラス校、量子エレクトロニクス センター。
• 査読付きジャーナルに掲載された核異性体に関する記事の転載。 – テキサス大学ダラス校、量子エレクトロニクスセンター。