|
诺贝尔奖得主奥托·哈恩被认为是核裂变的发现者。1921年，他在德国柏林的凯撒·威廉化学研究所研究放射性，这时他注意到一些无法解释的现象：他正在研究的一个元素表现得不像它应有的样子。哈恩在不知情的情况下发现了第一个核同质异能素（亦称核异构体），它是一个原子核，其质子和中子的排列方式与元素的常见形式不同，导致它具有不同寻常的性质。核物理学界又花了15年的时间才得以解释哈恩的观测结果。 发现核异构体最常见的地方是恒星内部，它们在产生新元素的核反应中发挥作用。近年来，研究人员已经开始探索如何将异构体用于造福人类。它们已经被用于医学，并可能在某一天以核电池的形式提供强大的能源存储选择。 寻找放射性同位素 在20世纪初，科学家们一直在寻找新的放射性元素。如果一种元素在一个被称为放射性衰变的过程中自发地释放出粒子，那么它就被认为是放射性的。当这种情况发生时，元素会随着时间的推移转变为不同的元素。 当时，科学家们依据三个标准来发现和描述一种新的放射性元素。一是观察化学性质——新元素如何与其他物质反应。二是测量了放射性衰变过程中释放的粒子的类型和能量。最后，他们测量元素衰变的速度，衰变速度用半衰期这个术语来描述，它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，物理学家发现了一些化学性质相同但半衰期不同的放射性物质，这些被称为同位素。同位素是同一种元素的不同版本，原子核中质子数相同，但中子数不同。 铀是一种放射性元素，有许多同位素，其中两种在地球上自然存在。这些天然的铀同位素衰变为钍元素，钍元素又衰变为镤元素，每一种都有自己的同位素。哈恩和他的同事迈特纳是第一个发现并识别出许多不同的同位素的人，这些同位素来自铀元素的衰变。 他们研究的所有同位素都符合预期，除了其中一种。这种同位素似乎与其他同位素具有相同的性质，但它的半衰期更长。这是毫无意义的，因为哈恩和迈特纳已经将所有已知的铀同位素进行了整齐的分类，没有空间容纳新的同位素。他们称这种物质为“铀z”。 铀Z的放射性信号比样品中其他同位素的放射性弱500倍左右，因此哈恩决定使用更多的材料来证实他的观测结果。他购买了220磅(100公斤)的剧毒稀有铀盐并使用化学方法分离铀。第二个更精确的实验的惊人结果表明，神秘的铀Z是一种已知的同位素，但具有非常不同的半衰期。这是第一个同位素有两个不同半衰期的例子。哈恩发表了他对第一个核异构体的发现，尽管他不能完全解释它。 中子解决了难题 在20世纪20年代哈恩进行实验的时候，科学家们仍然认为原子是由相同数量的电子包围的质子团。直到1932年，詹姆斯·查德威克才提出第三种粒子——中子——也是原子核的一部分。有了这个新信息，物理学家马上就能解释同位素了：同位素是质子数相同，中子数不同的原子核。有了这些知识，科学界终于有了了解铀Z的工具。 1936年，卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克提出，两种不同的物质的原子核中可以有相同数量的质子和中子，但排列方式不同，半衰期也不同。产生最低能量的质子和中子的排列是最稳定的物质，被称为基态。导致同位素更不稳定、能量更高的排列被称为异构态。起初，核异构体在科学界只作为一种了解原子核行为的手段。但一旦你了解了异构体的性质，就有可能开始问它们如何使用。 医学和天文学中的异构体 异构体在医学上有重要的应用，例如，锝-99m是锝-99的异构体。当异构体衰变时，它会发出光子。利用光子探测器，医生可以跟踪锝-99m在全身的移动，并创建心脏、大脑、肺和其他重要器官的图像，以帮助诊断包括癌症在内的疾病。放射性元素和同位素通常是危险的，因为它们释放的带电粒子会损害身体组织。像锝这样的异构体在医学上是安全的，因为它们每次只发出一个无害的光子，衰变时不会发出其他东西。 异构体在天文学和天体物理学中也很重要，由于异构体存在于恒星中，所以核反应与物质处于基态时的反应是不同的。这使得对异构体的研究对于理解恒星是如何产生重元素来说是至关重要的。 未来的异构体 在哈恩首次发现同分异构体的一个世纪之后，科学家们仍在利用世界各地强大的设施进行研究：核异构体是否可以用来制造世界上最精确的时钟，或者异构体是否有一天会成为下一代电池的基础。在铀盐中发现一个微小异常的100多年后，科学家们仍在寻找新的异构体，并刚刚开始揭示这些迷人的物理学碎片的全部潜力。
|
|
|
