核異性体

核異性体とは、 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) を占める原子核の準安定状態のことです。「準安定」とは、励起状態の半減期が 10⁻⁹ 秒以上である原子核を指します^[ 1 ] 。これは、「即発^{」半減期(通常10⁻¹²}秒程度) で崩壊する励起核状態の半減期の 100 ～ 1000 倍です。いくつかの文献では、閾値を使用することを推奨しています。準安定状態の半減期を通常の「即発」ガンマ線放出の半減期と区別するために、 5 × 10 ⁻⁹秒という値を用いた。^{[ 2 ]}

多くの異性体の半減期はこれよりもはるかに長く、数分、数時間、あるいは数年に及ぶこともある。最も極端な例は、^180m _73Ta核異性体であり、これは非常に長い間（少なくとも）存在し続ける。2.9 × 10 ¹⁷年^{[ 3 ]}）自然崩壊は観測されておらず、原始核種として自然界に存在するが、タンタル全体の 1/8000 と稀である。2番目に安定な異性体は^210m ₈₃ Biで、自然界には存在しない。その半減期は 2.9 × 10 17 年 [ 3 ] である。アルファ崩壊までの半減期は3.04 × 10⁶^年です。核異性体の半減期は、上記の 2 つと同様に、同じ核種の基底状態の半減期を超えることがあります。たとえば、^186m ₇₅ Re、^192m2 ₇₇ Ir、^212m ₈₄ Po、^242m ₉₅ Am 、および複数のホルミウム異性体などがこれに該当します。

準安定状態からのガンマ崩壊は、​​異性体遷移（IT）または内部遷移と呼ばれますが、寿命が長いことを除けば、外部的には短寿命の「即発」ガンマ崩壊に似ています。これは一般的に、ガンマ線放出で基底状態に到達するために必要となる高い核スピン変化、つまり「禁制」に関連しています。これはベータ崩壊ではさらに顕著です。遷移エネルギーが低いと、遷移速度が遅くなり、非常に禁制な崩壊のみが利用可能になる可能性が高くなるため、ほとんどの長寿命異性体は基底状態より比較的低い励起エネルギーを持っています（極端な例としてトリウム-229mでは、低い励起だけで測定可能な長寿命が生じます）。210m 83Biでは^、利用可能なベータ崩壊とガンマ崩壊の禁制が非常に高いため_、アルファ崩壊のみが観測されますが、それでも基底状態よりも遅くなります。^180m ₇₃ Taを含むほとんどの軽い異性体では、アルファ崩壊は実際には利用できませんが、他の異性体はこれら 2 つほど禁止されているわけではありません。

最初の核異性体と崩壊娘核種系（ウランX2 _/ウランZ、現在は234m91Pa/23491Paとして知られている^）は_、¹⁹²¹_年にオットー・ハーンによって発見された^。 [ ^{4 ]}

準安定異性体は、放射性崩壊、中性子捕獲、核分裂、加速荷電粒子の衝突など、あらゆる核反応によって生成される可能性があります。このようにして生成された原子核は、通常、励起状態から始まり、1つ以上のガンマ線または変換電子の放出によって余剰エネルギーを失います。これは通常「即座」のプロセスですが、原子核の基底状態に速やかに到達しない場合があり、その場合は準安定異性体が形成されます。これは通常、中間励起状態の形成におけるスピンが基底状態のスピンと大きく異なる場合、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り、励起エネルギーが低い場合、ガンマ線放出は阻害されます。このような励起状態は一般的に寿命が長く、準安定であると考えられます。

核分裂後、核分裂断片のいくつかは、速やかに脱励起された後、準安定な異性体状態で生成される可能性がある。この過程の最後に、原子核は基底状態と異性体状態の両方に存在する可能性がある。異性体の半減期が十分に長ければ、その生成率を測定することができ、それを基底状態の生成率と比較することで、いわゆる異性体収率が得られる。^{[ 5 ]}

準安定異性体の特殊な種類として、核分裂異性体または形状異性体があります。基底状態にあるほとんどのアクチニド原子核は球形ではなく、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球形をしています。このような形状は、陽子と中性子の分布が球形から大きくかけ離れ、核基底状態への脱励起が著しく阻害される量子力学的状態を生み出す可能性があります。一般に、これらの状態は基底状態に戻るか、ナノ秒またはマイクロ秒程度の半減期で自発核分裂を起こし、準安定状態となります。核分裂異性体は、「m」の代わりに「f」を末尾または上付き文字として指定することができ、たとえばプルトニウム-240の核分裂異性体は、プルトニウム-240fまたは^240f ₉₄ Puと表記できます。

特定の同位体の準安定異性体は、通常「m」で示されます。この記号は、原子の質量数の後に付けられます。

例えば、コバルト-58m1、または^58m1 ₂₇ Coは、コバルト-58の異性体です。ここで、27はコバルトの原子番号、58は核子の総数（つまり、中性子が31個あること）、mは異性体であることを意味し、m1は最初の（基底状態から最も低い）準安定異性体であることを意味します。

複数の準安定異性体を持つ同位体の場合、名称の後に「添え字」が付けられ、m1、m2、m3、…という表記になります。添え字m1、m2、…の増加は、各異性体状態に蓄積された励起エネルギーの増加に対応します（例：ハフニウム-178m2、または^178m2 ₇₂ Hf）。文脈上、1つの異性体のみが関連する場合は、添え字を省略できます。

核分裂異性体には、「m」ではなく「f」を使用してください。

^{180メートル}タンタルはX線によってエネルギーを放出させられることがある。これは1988年にCBコリンズ^{[ 6 ]}によって理論的に予測されていたが、当時この脱励起メカニズムは観測されたことがなかった。これは^{180mで観測された。}1999年、シュトゥットガルト核物理グループのBelicと共同研究者らは、この原子核の中間高レベル（ E  ≈  1 MeV）の共鳴光励起によりTaを生成した。 ^{[ 7 ]} 

^178m2 _72Hfは、半減期が31年で、その寿命にしては驚くほど高い励起エネルギーを持つ、比較的安定な核異性体です。自然崩壊では、2.45 ^{MeVのガンマ線が放出されます。180m} と同様にTa、^{178m2と考えられています}Hfは刺激によっ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光源として研究されており、エネルギーが非常に速く放出される可能性があることが報告されている^。ハフニウムは極めて高い出力（エクサワット級）を生み出すことができる。2000年代に実験的に検出されたとされているが、議論の的となり、独立した機関による確認は得られていない。

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。^{[ 2 ] [ 8 ]}

ホルミウムの核異性体^166m1 ₆₇ Hoの半減期は 1,133 年で、これはホルミウム放射性核種の中で最も長い半減期にほぼ匹敵する^。半減期が4,570年のHoは、より安定している。前者の励起エネルギーと後者の崩壊エネルギーは、いずれも10 keV未満である。

^229m ₉₀ Thは、非常に低い準安定異性体であり、 基底状態より8.355 733 554 021 (8) eV高いエネルギー。 ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} この低いエネルギーは、波長の光を生成する。148.382 182 8827 (15)  nm は、典型的なガンマ線帯ではなく遠紫外域にあります。これにより、直接核レーザー分光が可能になります。しかし、このような超精密分光は、波長の十分な精度の初期推定なしには開始できませんでした。これは、2003年から2024年までの20年間の努力を経て、2024年にようやく達成されました。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 10 ]}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します。中性^229m ₉₀ Th は、半減期で内部転換により崩壊します。7 ± 1  μsだが、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制であり、^229m ₉₀ Th ⁺半減期でガンマ線放出により崩壊する1740 ± 50 秒。^{[ 9 ]}この都合の良い適度な寿命により、前例のない精度の核時計 の開発が可能になる。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 11 ]}

ハフニウム^{[ 21 ] [ 22 ]}異性体（主に^{178m2Hf ）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、核不拡散条約を回避するために使用できる兵器として考えられてきた。この主張は一般的に否定されている。^{[ 23 ]} 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た。^{[ 24 ]}このような兵器での使用の前提条件である、核同位体からの急激なエネルギー放出を引き起こす可能性については議論がある。それにもかかわらず、同位体の大量生産手段を評価するために、2003年に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）が設立された。^{[ 25 ]}

テクネチウム異性体である99m 43Tc ^（_半減期6.01 時間）と^95m _43Tc（半減期61日）は、医療および産業 用途で使用されています。

原子力電池

原子力電池は、高エネルギー密度の放射性同位体を少量（ミリグラムおよびマイクロキュリー）使用します。あるベータボルタ電池の設計では、放射性物質が、隣接するP型およびN型シリコン層を持つデバイスの上に配置されています。電離放射線が接合部に直接侵入し、電子-正孔対を生成します。核異性体は他の同位体の代わりになり、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オンオフを切り替えることが可能になるかもしれません。現在、このような用途の候補としては、108Ag、166Ho、177Lu、および242Amがあります。²⁰⁰⁴年^の時点^で、唯一^正常に誘発された異性体は^180mTaでしたが、これは放出されたエネルギーよりも多くの光子エネルギーを誘発するために必要としました。^{[ 26 ]}

^177Luのような同位体は、原子核内の一連の内部エネルギー準位を崩壊することでガンマ線を放出し、十分な精度でトリガー断面積を学習することで、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可能になると考えられている。^{[ 26 ]}

• ジャイナ教、アショーク・クマール。マヘシュワリ、ブーミカ。ゴエル、アルパナ（2021）。核異性体: 入門書。チャム：シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング。土井：10.1007/978-3-030-78675-5。ISBN 978-3-030-78674-8。

• 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にアーカイブ済み– テキサス大学ダラス校量子エレクトロニクスセンター。
• ワシントン・ポスト紙の上記記事で言及されている高エネルギー核物質に関するJASON防衛諮問グループの報告書
• Bertram Schwarzschild (2004 年 5 月) 「ハフニウムの長寿命核異性体に関する矛盾する結果はより広範な意味を持つ」 Physics Today . 57 (5): 21–24 . Bibcode : 2004PhT....57e..21S . doi : 10.1063/1.1768663 .
• 2006年におけるハフニウム異性体トリガーへの確信。 – テキサス大学ダラス校量子エレクトロニクスセンター。
• 査読付き学術誌に掲載された核異性体に関する論文の再録。 – テキサス大学ダラス校量子エレクトロニクスセンター。