大家好，我們繼續(xù)來認識宇宙元素的來源及核合成過程。這里是上期鏈接cv1863400，如果喜歡的話，就點個贊吧(=?ω?=)?

一、原初核合成

二、宇宙射線散裂

三、恒星核合成

以上三種核合成方式已經在上期介紹過了，本期從下面的爆炸核合成開始介紹。

四、爆炸核合成

爆炸核合成是發(fā)生在高能量環(huán)境中的快速核合成方式，其合成的元素是在快速融合過程中建立的準平衡態(tài)中合成的。爆炸核合成發(fā)生的很快，放射性衰變不能減少中子的數量，因此許多質子和中子數量相等接近相等的豐富同位素都是在準平衡過程合成的。

1.?r-過程

r-過程也稱快中子捕獲過程，是在天體物理學中快速捕獲中子的一類核反應。比鐵重的元素大約一半都是由r-過程產生的。r-過程通常對每個重元素會合成兩個最富中子的穩(wěn)定同位素。比鐵重的元素通常由于核子之間的作用力可形成六到十種穩(wěn)定的同位素，這些同位素具有相同的核電荷數，但卻有著不同的中子數，每種元素的合成豐度都有助于研究化學元素的自然豐度。每種同位素都以其所含中子數為特征，這是因為核力將核子結合成穩(wěn)定結構，但并不絕定它們的豐度。r-過程卻可以決定每個穩(wěn)定核的豐度。r-過程通常會合成重元素中四個最重的同位素，完全有2個最重同位素的豐度是完全有r-過程決定，這兩種同位素被稱為純r核。豐富最高富中子元素有會在原子量為82（硒、溴和氪）、130（碲、碘和氙）和196（鋨、銥和鉑）附近形成r-過程豐度峰。

r-過程需要原始核快速俘獲一個或多個快中子，通常從鐵-56開始。俘獲必須是快速的，因為在另一個中子被俘獲之前，原子核不能有時間經歷放射性衰變，只有當富中子核不能保留另一個中子時，這個過程才會停止。因此，r-過程必須發(fā)生在存在高密度自由中子的位置。早期的研究推斷，如果溫度大約為10億度時，每立方厘米需要有102?個自由中子，才可進行r-過程。換算過來大約每立方厘米中需要有一克的自由中子，這個數量實在是十分驚人。一般認為，這表明物質是可能是從核心坍縮的超新星噴出的，或者是二元中子星合并后釋放的中子星物質。目前天文學家正試圖揭示r-過程對元素豐度的影響。

在熱核武器爆炸中，類似r-過程的中子俘獲會在很小程度上發(fā)生。這導致了在核武器沉降物中發(fā)現了元素锿和鐨。

除了r-過程以外，s-過程是產生重元素的另一個主要機制，即通過緩慢捕獲中子進行核合成。s-過程主要發(fā)生在普通恒星，特別是漸進巨星分支階段的恒星內，中子通量使得中子俘獲每10-100年發(fā)生一次，同r-過程相比這實在是太慢了，平均每秒只有100次俘獲。在恒星核合成中，s-過程是次要的，這意味著它需要有預先存在的重同位素作為原始核，進而通過緩慢的自由中子捕獲序列轉換成其他重核。而r-過程的原始核是恒星自己合成的，因此它們可能不在大質量恒星中進行?？傊?，r-過程和s-過程幾乎合成了所有比鐵重的化學元素。目前主要研究的問題是何時發(fā)生中子捕獲。

核物理：

在核心快速坍塌的超新星中，電子會被嚴重壓縮，β?衰變會被阻斷。這是因為高電子密度填充可用的自由電子態(tài)的費米能量大于核發(fā)生β?衰變的能量。但原子核俘獲自由電子仍然可以發(fā)生，并導致核內中子增加。這導致產生了非常高的密度的非衰變自由中子，高中子密度（每立方厘米有102?個自由中子）和高溫。這會使得原本的物質爆發(fā)膨脹并冷卻，但在重核中發(fā)生中子俘獲仍比β?衰變快得多。因此，過程沿著中子滴線前進和并可能會創(chuàng)建一些高度不穩(wěn)定的富中子核。

影響中子滴線上升三個過程是：封閉核的中子俘獲截面會不斷減小，光致蛻變的抑制和重同位素核的穩(wěn)定程度。最后一個過程使得r-過程最終停止，當最重的核不穩(wěn)定產生自發(fā)裂變時，此時已經位于中子表中的中子最高區(qū)域。當總的核子數接近270時，裂變勢壘會變得足夠低，中子俘獲可能會引起裂變。繼續(xù)沿中子滴線向上，在中子通量減少后，這些高度不穩(wěn)定的放射性核會經歷一系列的β?衰變，直到變成更穩(wěn)定的富中子核。因此，雖然s-過程創(chuàng)造了大量穩(wěn)定的核，但也會同樣創(chuàng)造了大量放射性核。

r-過程也發(fā)生在熱核武器中，并在上世紀50年代幫助科學家首次發(fā)現富中子長半衰期錒系元素同位素，如钚-244、锿和鐨。有人認為，多次核爆炸可以到達穩(wěn)定島，因為受影響的核素（從鈾-238開始作為原始核）將沒有時間發(fā)生β?衰變和自發(fā)裂變。核子在爆炸中會在到達β?衰變穩(wěn)定線之前吸收更多中子，從而提供了產生富中子超重核素的機會，理論上會產生如鎶-291和鎶-293這樣的超重元素。

天文物理的場所：

長期以來，人們一直認為r-過程最可能的發(fā)生場所是核心坍縮的超新星（Ib、Ic和II型超新星），因為此時可為r-過程提供需要的物理條件。然而，星際氣體中r-過程產生的核的豐度非常低，限制了噴射出的總元素豐度。因此，r-過程核子的豐度不是只有一小部分的超新星拋出r-過程的核子至星際物質中，就是所有的超新星都只拋出極少量的r-過程核子。噴射時的原始物質必須富含中子，因此條件模型是很難實現的。

2017年激光干涉引力波天文臺和室女座干涉儀在研究兩顆中子星合并時，發(fā)現了關于r-過程的全新天文數據。兩顆中子星坍縮后，成為一個黑洞并釋放引力波源，但由于大量旋轉的高度中子化物質，使得團隊發(fā)現中子星合并時拋出的r-過程原材料的光譜證據。噴射的物質大部分由兩種類型組成：低質量的重核（A<140）的較高放射性和質量數（A>140）的錒系元素（如鈾，釷，锎等）。當中子星內部巨大的壓力釋放時，這些噴射物膨脹并形成原始重核，快速捕獲自由中子，輻射檢測到的光譜信號約持續(xù)一周。如果沒有內部放射性衰變加熱，這種持續(xù)時間是不可能的，內部放射性衰變是由r-過程提供的原始核產生的。由于這些光譜特征，也有人認為銀河系中的這種核合成主要是從中子星合并而不是從超新星中噴出。

這些結果為解釋r-過程發(fā)生提供了新的可能性。來自r-過程核的放射性衰變的放射性能量確認了其與r-過程的相關性。否則他們會很快變暗。1974年，這些來源被解釋為中子星的簡并物質。這些從中子星中射出的物質在與雙星系統(tǒng)中的黑洞合并時，造成了r-過程的發(fā)生，并且在GW170817事件中得到確認。

2.?rp-過程

rp-過程，也稱快質子捕獲過程，是一連串的質子被原始核捕獲形成重元素的過程。這是結合s-過程和r-過程的核合成過程，可能對當前宇宙很多重元素的形成有著一定作用。然而，rp-過程因與其他常見過程有所不同而被特別關注，因為它發(fā)生在穩(wěn)定而富含質子的一側，而不是常見的富含中子的穩(wěn)定側。rp-過程能制造的最重元素目前還不能確定，但是根據現有的中子星內數據表明沒有比碲更重的元素。雖然穩(wěn)定的碲同位素也可以經由重元素經α衰變形成，但rp-過程受到α衰變的抑制，過程終點被限制在碲-105處，這是被觀測到能進行α衰變的最輕原子核。

條件：

rp-過程需要很高的溫度（大約10億K以上），此時質子才可以克服帶電粒子間巨大的庫侖障壁而發(fā)生作用。由于需要巨大的質子流，所以富含氫的環(huán)境是先決條件。這個過程的原始被認為可以在熱碳氮氧循環(huán)期間產生。在rp-過程中質子捕獲必須和(α,p)相競爭，因為富含氫的環(huán)境中通常也有著豐富的氦。rp-過程的時間尺度是由β?衰變或是質子滴線決定的，因為弱相互作用比強相互作用和電磁力弱很多。

可能的場所：

rp-過程可能進行的場所被認為是有致密伴星，即使是如含有低質量黑洞或中子星的雙星系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中的另一顆恒星（通常是紅巨星）為致密恒星提供所需要的物質。由于這些物質來自共生恒星的表面，因此富含氫與氦，而由于致密恒星的強大引力，物質會以高速度落向這顆致密伴星，而這些物質通常會在墜入的路徑上與其他的物質碰撞而形成吸積盤。因此，大量物質會在表面上緩慢的累積，同時有著極高的溫度，典型的溫度是1億K，并成為電子簡并物質。最后，因為物質處于電子簡并態(tài)，溫度的增加不會導致壓力的增大，因此溫度將持續(xù)不斷上升，直至引發(fā)熱核爆炸，這就是我們所謂的rp-過程。在觀測上，當致密雙星系統(tǒng)發(fā)生X射線爆發(fā)時，也就是rp-過程發(fā)生的時候。

3.?超新星核合成

這里的超新星核合成并不是按照粒子合成方式與r-過程和rp-過程并列的，只是介紹一下超新星發(fā)生時可能產生的核合成過程。

超新星核合成是超新星爆炸中關于化學元素天然豐度的核合成理論。在大質量恒星中，通過較輕元素的融合進行核合成來維持流體靜力平衡的燃燒過程，按照元素依次分為，氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒、氖燃燒、氧燃燒和硅燃燒，在流體靜力平衡燃燒期間，這些燃料絕大多數合成了α核產物。由于核心的引力坍塌引起的徑向移動的沖擊波的最終導致超新星爆發(fā)。目前已有研究證明，最后的爆發(fā)將比恒星燃燒時更能有效地合成非α核同位素，這表明預期的核合成是超新星核合成的重要組成部分。燃燒過程會共同產生元素碳、氧以及氖到鎳之間元素的大部分同位素。由于超新星爆炸導致新合成的化學元素同位素的噴射，它們的豐度會在星際氣體中穩(wěn)定增加。

比鎳重的元素相對稀少，因為每個核子的核結合能超過鎳后會不斷下降，但它們也部分地在超新星內產生。天文學家普遍認為r-過程中快速捕獲中子可以合成它們，這反映出人們普遍認為超新星核心可能提供必要的條件。r-過程同位素的含量比上面超新星殼中融合的主要化學元素少約100000倍。此外，超新星中也有著其他核合成過程，如被稱為rp-過程的快速質子捕獲過程，以及稱為γ-過程的光致蛻變分離過程。后者從先前存在的較重同位素中合成了低中子含量的同位素。

成因：

超新星爆發(fā)主要有兩種情況。第一種情況是當一顆處于雙星系統(tǒng)的白矮星從伴星（通常是一個紅巨星）中吸收核燃料質量，質量增加超過其錢德拉塞卡極限后，會經歷了一次熱核爆炸。第二種情況，通常比第一種情況更常見，是一顆有著高質量的超巨星恒星，在其核心核聚變過程中達到鎳-56。由于沒有來自聚變的放熱能量，大質量恒星的核心就會失去支持所需的輻射壓力，并因強大的引力而坍塌。鎳-56是核心硅燃燒期間合成的最后同位素。當超新星地幔撞擊半固體核心時釋放的熱能非常大，約是超新星爆炸時釋放能量的100倍，產生的沖擊波通過外殼時向外反彈，之后其會彈射質量產生動能，當沖擊波離開恒星表面時會產生巨大能量的爆發(fā)，這就形成了超新星。超新星最終會將大量物質迸發(fā)到星際空間。

核合成：

初始質量小于太陽的11倍的恒星永遠不會形成一個大到足以坍塌的核心，它們最終會失去它們的外層而成為白矮星，白矮星是由電子簡并壓力支撐的穩(wěn)定的碳冷卻球體。因此，那些恒星內的核合成僅限于在最終白矮星內的核素。這限制了它們通過s-過程緩慢捕獲中子的效率以及比鐵重的同位素的產率。然而，一小部分白矮星將會爆炸，因為它們處于雙星系統(tǒng)中，巨大伴星會在白矮星的強引力場下不斷失去質量，最終白矮星會超過其錢德拉塞卡極限并作為Ia型超新星而爆炸。超新星會爆發(fā)數周，并創(chuàng)造了宇宙中一半以上的比鐵重的元素。同樣地，更大質量的恒星可以發(fā)生II型超新星。大質量恒星會發(fā)生氦燃燒、碳燃燒、氖燃燒、氧燃燒和硅燃燒。大部分產物可能永遠不會離開恒星，而是消失在崩潰的核心內。在核心坍塌引發(fā)的沖擊波引起的爆炸中，會產生重元素。其他物質將會收縮保留在致密星內。

五、致密星核合成

致密星核合成只是發(fā)生在致密星上的核合成類型，同超新星核合成一樣，不是按照粒子合成方式與其他核合成并列的，只是簡單介紹一下致密星附近可能發(fā)生的核合成過程。

1.白矮星核合成

白矮星的內部不再有物質進行核聚變反應，因此不再有能量產生，也不再由核聚變的熱來抵抗重力崩潰，它是由極端高密度的物質產生的電子簡并壓力來支撐。但當白矮星處于雙星系統(tǒng)中時，隨著吸收收伴星物質產生Ia超新星，最終會發(fā)生爆炸核合成。另外，當雙星系統(tǒng)中伴星為致密星如白矮星、中子星或黑洞時，同樣會發(fā)生核合成，但雙白矮星系統(tǒng)一般合成的元素主要還是碳到鎳之間的元素，比鐵重的元素相對很少，而和中子星或黑洞與白矮星形成的雙星系統(tǒng)相對會有著更多的比鐵重的元素被合成。

2.中子星合并核合成

中子星合并被認為是的重元素合成的一種來源。在中子星合并時會達到很高的中子通量。在2017年探測GW170817時，當彈出的物質開始冷卻，激光干涉引力波天文臺和室女座干涉儀便檢測到許多重元素（如金）的光譜信號。

3.黑洞吸積盤核合成

黑洞吸積盤上也被認為是可能發(fā)生核合成的場所。當黑洞吸積物質時，會先圍繞吸積盤進行轉動。隨著吸積盤上的物質逐漸旋轉，物質的溫度會越來越高，最終引發(fā)熱失控，產生強烈的X射線，天文學家認為此時會發(fā)生核合成，而X射線就是核合成發(fā)生的信號。

六、其他核反應

介紹一下其他較為罕見的核反應方式。

1.?γ-過程

γ-過程本質上是一種光致蛻變，是由通過s-過程和r-過程產生的核進行的光致蛻變，最終會得到富含質子的核。在20-30億K的溫度和超新星幾秒鐘的瞬間爆發(fā)下，大部分原始核仍以r-過程進行中子捕獲，光致蛻變產生的富質子核的豐度相對較小。這種γ-過程由高能γ射線引起的類型，可經排除質子（γ，p）、中子（γ，n）和α粒子（γ，α）三種常見方式進行。

2.?ν-過程

ν-過程，也就是中微子過程，當有著足夠密集的中微子源時，核反應可直接產生某些核素。例如核心坍縮的超新星會直接產生鋰-7、硼-11、氟-19、鑭-138等同位素。

3.?pn-過程

pn反應可以避免rp-過程達到等待點，這種反應比在等待點上進行質子捕獲或β?衰變要快得多。這樣可以大大減少了制造重元素所需的時間，并允許在幾秒鐘內實現高效生產。然而，這需要一定量的自由中子供應，而這些自由中子通常不存在于原本發(fā)生質子捕獲的富質子等離子體中。因此，pn-過程也被稱為富中子的快速質子捕獲過程。目前已知的反應條件是在快速質子捕獲發(fā)生的同時釋放物質，如從黑洞吸積盤里被甩出時。

4.?νp-過程

另一種可以在高速富質子環(huán)境中的幫助發(fā)生（n，p）反應的是νp-過程，νp-過程利用反中微子捕獲質子，同時轉化為正電子和中子。由于反中微子與質子的相互作用非常弱，因此反中微子必須具有很高的通量，其主要來源是來自具有高質子密度的等離子體。

5.?（n-p）反應

（n-p）反應是一種核反應。該反應是一種將中子注入原子核，同時將質子排出原子核的一種反應。

例如，硫-32在中子轟擊下發(fā)生（n-p）反應，形成磷-32。

氮-14也可以發(fā)生（n-p）反應生成碳-14。該反應在地球高層大氣中不斷發(fā)生，幫助放射性核素碳-14維持含量平衡。

大多數（n-p）反應都需要達到中子閾能，低于中子閾能時，由于出射道中的帶電粒子需要能量（通常大于1Mev）來克服發(fā)射質子的庫侖勢壘，因此無法發(fā)生反應。但氮-14發(fā)生（n-p）反應生成碳-14是一個例外，因為此反應是放熱的，它可以在入射中子能量閾值下發(fā)生。氮-14生成碳-14的核反應是熱中子給人體造成大劑量輻射的主要原因。熱中子會被被蛋白質中的氮-14吸收，并使質子釋放。質子的動能沉積在體內，產生一定輻射劑量。

6.?光致裂變

光致裂變是原子核在吸收伽馬射線后經歷核裂變（分裂成兩個或更多碎片）的過程。

中等能量的伽馬輻射，在低幾十兆電子伏特時，可以將傳統(tǒng)的可裂變元素（如鈾、钚、镎等錒系元素）裂變。在高能伽馬射線的作用下，光致裂變的截面變化范圍仍很小，這表面即使能量升高產物也不會有太大變化。

科學家曾測量了鈾和釷中光致裂變的生成量，并利用電子感應加速器的連續(xù)X射線尋找其他可能發(fā)生光致裂變的重元素。

光致裂變不要與光致蛻變混淆，光致蛻變是一個與光致裂變相似但不同的物理過程。在這個過程中，極高能量的伽馬射線與原子核相互作用，使原子核進入激發(fā)態(tài)，這個激發(fā)態(tài)通過發(fā)射一個亞原子粒子而立即衰變，常見發(fā)射的亞原子粒子有α粒子、質子和中子等等粒子。

最后簡單列一下常見的放射性裂變和衰變。它們并不是核合成過程，但也可能會創(chuàng)造新的元素。以下的A代表質量數，Z代表質子數。

1.?核子發(fā)射衰變

顧名思義，就是發(fā)射核子的衰變。

①α衰變(A-4,Z-2)

就是發(fā)射α粒子的衰變，大家應該很熟悉，就不多介紹了。

②質子發(fā)射(A-1,Z-1)

質子發(fā)射是一種放射性衰變類型，其中一個質子被從原子核中發(fā)射出來。質子發(fā)射可以發(fā)生在一個從高激發(fā)態(tài)發(fā)生β?衰變原子核之后，在這種情況下，該過程被稱為β?延遲質子發(fā)射。此外，還可以發(fā)生在一個質子非常豐富的原子核內，在在這種情況下，該過程非常類似于α衰變。一個質子為了逃脫原子核，這個質子的分離能必須為負值，因此質子才會在有限時間內解開束縛并從低能隧道穿出原子核。天然存在的同位素并沒有觀測到質子發(fā)射，但通過粒子加速器進行核反應產生的短壽命元素可以觀測到。

雖然瞬時質子發(fā)射是早在1969年就從鈷-53的一個核同質異能素中被觀察到，在這之后沒有其他的質子發(fā)射被發(fā)現，直到1981年基態(tài)的镥-151和銩-147在的實驗中被觀察到質子發(fā)射。在這一突破后，該領域的研究蓬勃發(fā)展，到今天為止已發(fā)現有超過25種同位素可進行質子發(fā)射。質子發(fā)射的研究有助于對原子核結構的理解，它是量子隧穿效應的純粹應用例子。

③雙質子發(fā)射(A-2,Z-2)

嚴格來說雙質子發(fā)射是一種質子發(fā)射，只不過是同時發(fā)射兩顆質子，2002年，鐵-45在被確認會發(fā)生雙質子發(fā)射，2005年發(fā)現鋅-54也可以經歷雙質子發(fā)射。

④中子發(fā)射(A-1,Z)

中子發(fā)射是原子排除多余中子的一種放射性衰變的形式，只是很單純的將中子從核中拋出。如氦-5和鈹-13是中子發(fā)射的兩個例子。許多重的同位素，如锎-252，可以經由不同的放射性衰變過程，放射出中子。

由于在這個過程中只有一個中子被失去了，原子不獲得或失去任何質子。這意味著，原子不會成為不同元素的原子，但會成為原來元素的一個新的同位素。

中子在核分裂的過程中會被吸收，也會被發(fā)射，核連鎖反應就是中子的傳播引起的。

⑤雙中子發(fā)射(A-2,Z)

同樣地，雙中子發(fā)射也是中子發(fā)射的一種情況，只不過是同時發(fā)射兩顆中子，如鈹-16，硼-21等同位素進行的衰變。

⑥自發(fā)裂變(—)

自發(fā)裂變是一種放射性衰變，只發(fā)生于原子量高的化學元素。由于元素的核結合能在原子量約為58個原子質量單位時最高，因此更高質量的原子核會自發(fā)性分解為較小的數個原子核，以及一些單獨的核子。由于裂變形成的產物原子核有限制，所以在一些原子量大于92原子質量單位的原子核也理論上能夠進行自發(fā)裂變，而其自發(fā)裂變的概率隨著原子量的上升而增加。

理論上能夠自發(fā)裂變的最輕自然核素為鈮-93和鉬-94。在自然產生的鈮和鉬同位素中卻沒有觀察到自發(fā)裂變。釷-232是仍存有進行自發(fā)裂變的證據的最輕原始核素。已知元素中，最容易進行自發(fā)裂變的是高原子序的錒系元素中擁有奇數原子序的鍆和鐒，以及一些錒系后元素，如104號元素钅盧

⑦團簇衰變(—)

團簇衰變，也稱為重粒子放射性衰變，是一種產生比α粒子更大的小團簇原子核和其他產物的衰變類型，如鐳-223分解成碳-14和鉛-209。這是一種罕見的衰變模式，因為大部分含有小團簇核的衰變主要通過α衰變進行。

2.?各種不同形式的β衰變

①β?衰變(A,Z+1)

最常見的β衰變，核內的一個中子轉變?yōu)橘|子，同時釋放一個電子和一個反電子中微子。

②β?衰變，也稱正電子發(fā)射(A,Z-1)

β?衰變，也稱正電子發(fā)射，是一種粒子放射性衰變的方式。在這種衰變反應中，一個質子轉化成中子，同時釋放出一個正電子和一個電子中微子。正電子發(fā)射是由弱相互作用介導的。

③電子捕獲(A,Z-1)

電子捕獲，也稱ε衰變，是一個內層軌道上的電子，被原子核內的的一個質子捕獲（使一個質子轉變成中子）、并同時發(fā)射出一個中微子的過程。伴隨產生的還有伽馬射線，使新產生原子核的能級降至基態(tài)。

對于具有充足質子的原子核，電子俘獲是其同位素最主要的衰變形式，不過該同位素和其即將衰變?yōu)樯僖粋€正電荷的核素之間的能量差值不足，則該過程無法發(fā)生。如果能發(fā)生正電子發(fā)射，放射性同位素將具有足夠的能量發(fā)生電子俘獲，而且，在這種情況里，電子俘獲與正電子發(fā)射處于競爭的狀態(tài)。

如果發(fā)生衰變的母原子和子原子之間的能量差小于1.022MeV，將會沒有足夠的能量允許正電子發(fā)射發(fā)生，這樣，就只有電子俘獲單獨進行。例如，銣-83的原子核發(fā)生電子俘獲將衰變?yōu)殡?83，并由于能量差為0.9兆電子伏特，除電子俘獲過程，將不會發(fā)生正電子發(fā)射。

④束縛態(tài)β?衰變(A,Z+1)

極少數的自由中子衰變（約為百萬分之四）被稱為“兩體衰變”，其中產生質子、電子和反中子，但電子無法獲得逃逸質子所需的13.6eV能量，因此作為中性氫原子，它仍然與之結合。在這種β衰變中，本質上所有的中子衰變能都是由反中子攜帶的。

同樣地，對于完全離子化的裸核原子，電子也可能無法逃離原子，并被原子核發(fā)射到位勢較低的原子束縛態(tài)軌道。而對于已經被電子填充的束縛態(tài)的中性原子，這是不可能發(fā)生的。

束縛態(tài)β?衰變于1947年被預測，1992年首次在鏑-163*（*代表一種核同質異能素）上觀察到完全電離原子的現象。盡管中性鏑-163是一種穩(wěn)定的同位素，但完全電離的鏑-163*會經過β?衰變使電子進入k層和l層，半衰期為47天。

另一種可能性是完全電離的原子經歷了十分快速的β?衰變，如錸-187。基態(tài)的錸-187會經歷了β?衰變，半衰期為412億年，但對于完全電離的錸-187*，半衰期卻只有32.9年。相比之下，其他核過程的衰變率變化卻小于1%。

⑤雙β?衰變(A,Z+2)

雙β衰變是一種放射性衰變，當中在原子核內的兩顆中子同時變換成兩顆質子。

雙β?衰變共有兩種：“尋?！彪pβ衰變和“無中微子”雙β?衰變。尋常雙β衰變在多種同位素中都被觀測到，過程中衰變核射出兩電子和兩反電中微子。而無中微子雙β衰變則是一項假想過程，從未曾被觀測過，過程中只會射出電子。

在雙β?衰變中，原子核內的兩中子變換成質子，并射出兩電子及兩電中微子。這個過程可被視為兩次β?衰變的總和。要使雙β?衰變變得可行，衰變所產生原子核的束縛能必須比原來的大。對某些像鍺-76的原子核而言，原子數高一的原子核有著較低的束縛能，因此阻止了β?衰變的發(fā)生。然而，原子數高二的原子核（硒-76）則有較大的束縛能，因此可以發(fā)生雙β衰變。

目前已被確定能發(fā)生雙β?衰變的自然產生同位素共有11種。若單β?衰變因能量守恒被禁止的話，實際上就能夠觀測到雙β?衰變。質子數及中子數皆為偶數的同位素有可能有這種情況，這是因為自旋耦合所導致的較高穩(wěn)定性，可由液滴模型質量公式的配對項得知。

⑥雙電子捕獲(A,Z-2)

雙電子捕獲，是原子核內的的兩個質子捕獲兩個內層電子并成為兩個中子、同時發(fā)射出兩個中微子的過程。衰變后的原子核以不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)的形式存在，同時產生的伽馬射線，從而使新產生原子核的能級降至基態(tài)。

目前只有2個同位素已觀測到可進行雙電子捕獲，分別是氪-78和鋇-130。

⑦伴隨正電子發(fā)射的電子俘獲(A,Z-2)

這是由原子核吸收一個軌道電子，并放出一個正電子及兩個中微子的衰變類型，比較罕見。

⑧雙正電子發(fā)射(A,Z-2)

在這種衰變反應中，兩個質子轉化成兩個中子，同時釋放出兩個正電子和兩個電子中微子。同樣非常罕見。

3.?同種原子核間的轉換

①同質異構轉換(A,Z)

同質異構轉換是激發(fā)態(tài)原子核放射出高能光子（γ射線）的衰變類型。

②內部轉換(A,Z)

內部轉換是激發(fā)態(tài)原子核將能量轉移至軌道電子上，軌道電子再脫離原子的衰變類型。即使用衰變能量來電離自身。