原子核の中にある無数の物質：神秘的で魅力的な原子核異性体

原子核異性体が初めて発見されてから100年以上が経ちました。実用化の観点から見ると、原子核に現れるこの神秘的な状態は、将来、核時間スケール、原子力電池、クリーンな原子力エネルギー、核ガンマ線レーザーなどで重要な役割を果たす可能性があります。しかし、科学者たちは今日に至るまで、その神秘的な性質を解明しようと奮闘し続けています。

著者：江立佳（ノースウェスタン大学物理学部）

同じ元素でも、その原子核内の陽子と中性子の数は異なり、それらをその元素の同位体と呼びます。では、同じ同位体であれば、それらはすべて同じでしょうか?実際、科学者たちは、不安定同位体が崩壊すると原子核もさまざまな状態になり、この状態にはさらに重要な用途があることをずっと以前に発見しました。これにより、原子核、つまり核異性体についての理解に新たな扉が開かれます。

核異性体（異性体とも呼ばれる）は長寿命の「準安定」核です。このタイプの原子核内の 1 つ以上の核子 (陽子または中性子) は励起され、基底状態よりも高いエネルギー状態を占めます。通常、ほとんどの核励起状態の半減期は 10^(-12) 秒程度と非常に短く、急速に基底状態に戻ります。励起状態の半減期が通常の励起状態よりも 100 ～ 1000 倍長い場合、その励起状態は準安定状態であると見なされます。明確な定義はありませんが、時間と空間における通常の放射線崩壊と区別するために、学術界では現在、核異性体の半減期は 5 x 10^(-9) 秒より大きくなければならないと考えています。既知の核異性体の中には、数分、数時間、数年、あるいはそれ以上の時間をかけて崩壊する核種もあります。たとえば、自然界に存在する最も長寿命の原子核異性体はタンタル 180m であり、その半減期は 10^15 年を超えており、これは理論的に推定される宇宙の年齢よりも長い。

図1. 励起エネルギーが2MeVを超え、半減期が5×10^(-7)sを超える天然核種（青い点）と核異性体（赤い点）の分布。（縦軸 - 陽子数 Z、横軸 - 中性子数 N）。画像出典：参考文献[1]

核異性体の発見

歴史的な観点から見ると、核異性体が構想から実験および理論的な発展に至るまでには、ほぼ 100 年かかりました。

放射性元素は20世紀初頭に発見されました。当時、科学者たちは、放射性元素の半減期（放射性元素が最初の量の半分に崩壊して別の物質に変わるのにかかる時間）を、新しい放射性元素を発見し、記述するための基準の 1 つとして使用していました。

1917 年、イギリスの化学者フレデリック・ソディは、同じ原子核に 2 つ以上の長寿命 (または安定) 状態、つまり「同じ原子量と化学的性質を持ちながら、安定性と分解方法が異なる同位体」の状態 (「より微細な同位体」) が存在する可能性があると提唱しました。事実上、ソディが予測したのは現在私たちが核異性体と呼んでいるものであるが、科学史家たちはその後の科学研究がソディの研究から直接インスピレーションを得たものかどうか確信が持てない。

ウランは多くの同位体を持つ放射性元素で、そのうち 2 つは地球上に自然に存在します。これらの天然ウラン同位体は、それぞれ独自の同位体を持つトリウム元素に崩壊し、さらにプロトアクチニウムに崩壊します。ハーン氏とマイトナー氏は発見した同位体をすべてきちんと分類していたが、例外が 1 つあった。

図2. UI（ウラン238）の崩壊プロセス。 UI は α 崩壊によって UX1 に崩壊し、その後 β 崩壊によって UX2 または UZ 状態に移行します。 UX2 と UZ は両方とも、β 崩壊によって UII 状態に遷移します。画像出典：参考文献[4]

ハーンの研究は、核異性体の発見と、核構造の分野における新たな分野の誕生につながりました。しかし、核異性体についての理解はなかなか進んでいません。 1920 年代の「ハーン」実験当時、科学者たちはまだ、原子は同数の電子の周りを回る陽子の塊であると信じていました。

1932年にイギリスの物理学者ジェームズ・チャドウィックが中性子も原子核の一部であることを発見して初めて、物理学者は理論的にも実験的にも原子核、さらには原子核異性体についてさらに理解を深めることができるようになった。

3種類の核異性体

「原子核異性体」という用語は、1934 年に有名な物理学者ジョージ・ガモフの論文で初めて登場しました。ガモフは、化学における異性体と同様に、陽子と中性子を異なる方法で配置することで、原子核も異なるエネルギー状態を示すと考えました。

核異性体に関する一般に受け入れられている説明は、1936 年にドイツの物理学者カール・フォン・ヴァイツゼッカーによって提唱されました。フォン・ヴァイツゼッカーは、すべての核子がスピン（ここでのスピンは特に角運動量を指す）を持ち、軌道上の陽子と中性子の異なる配置によって異なる軌道回転状態が生成されることを認識しました。原子核の励起状態のスピンが基底状態と大きく異なり、遷移エネルギーが非常に近い場合、電磁遷移は遅延されます。それに応じて、励起状態の半減期も延長され、スピン異性体が形成される可能性があります。

その後、物理学者は原子核が球形ではない可能性があることに気づき、軸対称性を持つ原子核の形状変化を説明する理論を開発しました。 1955年にK量子数の概念とK禁制遷移の理論が提唱されました。 K は、全角運動量の原子核の対称軸への投影を表します。 K は絶対的に保存される量ではないため、原子核崩壊の際には K 禁制遷移は厳密に禁止されるのではなく、抑制されるだけです。したがって、角運動量の大きさだけでなく、角運動量ベクトルの方向も重要であり、これが K異性体を定義します。実際、K 量子数が提案される前に、K 異性体 (オスミウム 190 とハフニウム 180) はそれぞれ 1950 年と 1951 年に実験的に観測されていました。 K 異性体理論の開発は、実験的に観察された異性体崩壊過程における原子核の回転特性の分析に基づいています。

1962 年、ポリカノフらは、 3番目のタイプの異性体である分裂/形状異性体を発見しました。核分裂異性体の核子の数は、通常、陽子数 90 ≤ Z ≤ 97、中性子数 141 ≤ N ≤ 151 の範囲にあり、これは「形状異性体」のより広いカテゴリに属します。原子核の崩壊中に、核子の形状が非常に大きな変化、例えば単一の核子の軌道分布の大きな変化を起こすと、原子核遷移の確率も抑制され、形状異性体も生成されることが発見されました。

図 3. 核異性体の 3 つの主なクラスの概略図。画像出典：参考文献[2]

上記では、スピン、K、核形状の変化により、異性体の 3 つの主要なカテゴリを区別していますが、通常は単独で現れることはなく、同じ核異性体に異なるタイプの混合効果が含まれることがよくあります。代表的な例としては、スピン異性体と K 異性体の両方の特性を示すハフニウム 178 が挙げられます。

原子核の構造を表す魔法数

原子核を記述する最初の「核殻」モデルは、1949 年にマリア・マイヤーによって独立して開発され、その後、オットー・ハクセル、ハンス・イェンセン、ハンス・ズエスによって開発されました。電子殻モデルにおいて各層に収容できる電子の数は一定数に限られるのと同様に、中性子と陽子で構成される原子核においても、各核殻に収容できる陽子と中性子の数に同様の制限があります。決定的なステップは、スピン軌道結合項を相互作用に追加することです。各原子核殻に収容される核子の数は「魔法数」と呼ばれます。最初の層から順に、各層が収容できる核の最大数は、それぞれ 2、8、20、28、50、82 個です。陽子とは異なり、中性子には 126 という追加の魔法数があります。原子核殻モデルは、ほとんどの原子核の基底状態のスピンとパリティを非常にうまく説明し、予測することができます。しかし、電子殻モデルと原子核殻モデルは完全に同じではありません。電子間のスピン軌道力は弱い反発力ですが、原子核内のスピン軌道力は強い引力です。最も直接的な影響は、原子核殻が核子でいっぱい、またはほぼいっぱいになると、核異性体が形成される可能性が高くなることです。

同時に、物理学者は、陽子の魔法数は中性子の数によっても影響を受け、逆もまた同様であることも発見しました。魔法数の元々の定義は安定した原子核の研究に基づいていたため、魔法数がそれほど魔法的ではないかもしれないという事実は、不安定な原子核の構造を再検討することを余儀なくさせます。この探究においては、準安定核異性体が重要な役割を果たすことになるだろう。

核異性体の応用展望

実験により、核異性体が特殊な方法で原子環境と相互作用できることがわかり、核原子レベルでの研究への道が開かれました。放射性原子核の基底状態はベータ崩壊によって変化し、場合によってはアルファ崩壊、核分裂、陽子崩壊によっても変化することが分かっています。しかし、これらの崩壊プロセスに加えて、核異性体はガンマ線や転換電子の放出によって電磁的に崩壊することもあります。したがって、核異性体に対して電磁気的操作を行うことで、核異性体の探索と応用が可能になります。実際、いくつかの業界ではすでに産業応用が実現されています。

医療診断と治療: 医療では診断と治療に多くの放射性同位元素が使用されていますが、その中でもテクネチウム 99 異性体が最も広く使用されています。テクネチウム 99 は、粒子を伴わずに 141 keV のエネルギーを持つガンマ線のみを放出して崩壊するため、人間の骨格、脳、心臓をスキャンするのに最適です。同時に、半減期は6時間で、特定の臓器をスキャンするには十分な長さですが、すぐに崩壊します。一般的な放射性元素や同位体が崩壊すると、人体の組織細胞に損傷を与える荷電粒子が放出されます。しかし、テクネチウムのような異性体は、一度に非常に低いエネルギーの光子を 1 つだけ放出するため、医療用途には非常に安全です。

原子核時計: 原子核内の陽子と中性子は強い核力によって結合していますが、本質的には電子のように個別のエネルギーレベルを占めています。したがって、理論的には、原子核の物理的特性を利用して、より正確なタイミングを実現する原子核時計を作成することができます。同時に、原子核は原子時計に干渉する可能性のある漂遊電場や磁場の影響に抵抗できるため、原子核のエネルギーレベル間の遷移は外部の電子の遷移よりも規則的で安定しています。理論的には、核時計は原子時計よりも正確で安定しているはずです。科学者たちは、トリウム 229 には、レーザーがその遷移をトリガーできるほど十分に近い一対の隣接するエネルギー準位が含まれていることを発見しました。これにより、トリウム 299 は原子時計を作成するための優れた候補となります。

核「電池」：核異性体には大量のエネルギーを蓄えることができます。このエネルギーを制御された方法で放出する効率的な方法が発見されれば、既存の化学電池よりも数百万倍も高いエネルギー密度を持つ核「電池」を構築することが可能になるだろう。核「電池」の製造を実現する方法の 1 つは、外部から放射線を照射して核異性体からエネルギーの放出を誘発することです。その中で、非常に安定した異性体であるタンタル180とハフニウム178が有力な候補です。もう一つの方法は、電子放出または電子捕獲によって原子核を励起し、エネルギーを放出することです。この方法に関する理論的および実験的研究はまだ進行中です。

新しい物質状態とガンマ線レーザー: もう一つの興味深い可能性は、核異性体から新しい物質状態が作り出される可能性があるということです。異性体セシウム原子のガスを 100 ナノケルビンの温度まで冷却すると、ボーズ・アインシュタイン凝縮体が形成されることがあります。原子は今、最もエネルギーの低い「凝縮」状態にありますが、異性体自体は、定義上、励起されています。したがって、核異性体実験で新しい物質状態が生成された可能性がある。この状況についての研究は継続する必要がある。この奇妙で直感に反する物質の状態に加えて、科学者たちは、セシウム135のボーズ・アインシュタイン凝縮体の異性体の崩壊を制御することによってコヒーレントなガンマ線を生成できるとも提唱しており、これにより超強力な「ガンマ線レーザー」の実現が一歩近づいたことになる。

まとめ

ハーンの最初の発見から1世紀が経った今でも、原子核異性体は私たちにとって謎のままであり、科学者たちは世界中の研究施設を利用して新しい異性体の研究と発見に取り組んでいます。現在最大の実験施設はミシガン州立大学の希少同位体ビーム施設 (FRIB) です。科学者たちは、この施設が2022年5月に稼働すると、1,000以上の新しい同位体と異性体が発見されることを期待している。

原子核異性体の研究は、その独特で豊かな特性により、多くの実用的な意義を持つだけでなく、星の爆発や生命元素の合成などのプロセスを調査する機会も与えてくれます。原子核レベルでは、核異性体の特殊な性質は、原子核物理学の分野における未知の領域を探索するためのユニークな研究機会を提供し、将来的にはさらに驚くべき発見がなされるでしょう。

参考文献

[1] フィリップ・ウォーカーとゾルト・ポドリャク、物理学。スクル。 95 (2020) 044004 (11頁)。

[2] ネイチャー第399巻、35-40ページ（1999年）。

[3] http://en.wiki.hancel.org/wiki/Nuclear_isomer

[4] https://physicsworld.com/a/celebrating-a-century-of-nuclear-isomers/

[5]http://phys.org/news/2022-05-nuclear-isomers-years-physicists-unraveling.html

[6] http://www.thoughtco.com/nuclear-isomer-definition-4129399

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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