Изомерия атомных ядер

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Изомери́я а́томных я́дер — явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни.

Изомерные состояния отличаются от обычных возбуждённых состояний ядер тем, что вероятность перехода во все нижележащие состояния для них сильно подавлена правилами запрета по спину и чётности. В частности, подавлены переходы с высокой мультипольностью (то есть большим изменением спина, необходимым для перехода в нижележащее состояние) и малой энергией перехода. Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у 180Hf).

Изомеры обозначаются буквой m (от англ. metastable) в индексе массового числа (например, 80mBr) или в правом верхнем индексе (например, 80Brm). Если нуклид имеет более одного метастабильного возбуждённого состояния, они обозначаются в порядке роста энергии буквами m, n, p, q и далее по алфавиту, либо буквой m с добавлением номера: m1, m2 и т. д.

Наибольший интерес представляют относительно стабильные изомеры с временами полураспада от 10−6 сек до многих лет.

История[править | править вики-текст]

Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году, когда немецкий физик О. Ган открыл новое радиоактивное вещество уран-Z (UZ), которое ни по химическим свойствам, ни по массовому числу не отличалось от известного уже урана-X2 (UX2), однако имело другой период полураспада. В современных обозначениях, UZ и UX2 соответствуют основному и изомерному состояниям изотопа 234Pa. В 1935 году Б. В. Курчатовым, И. В. Курчатовым, Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым был обнаружен изомер искусственного изотопа брома 80Br, образующийся наряду с основным состоянием ядра при захвате нейтронов стабильным 79Br. Это положило основу систематического изучения данного явления.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Время жизни изомерных состояний превышает доли микросекунды (и может измеряться годами), тогда как типичное время жизни неизомерных возбуждённых состояний — порядка пикосекунд и меньше. Никакой природной разницы, кроме времени жизни, между теми и другими нет: граница между изомерными и неизомерными возбуждёнными состояниями ядра — вопрос соглашения. Так, в справочнике по свойствам изотопов Nubase’1997[1] к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в новой версии этого справочника Nubase’2003[2] к ним добавлены многие состояния с периодом полураспада около 100 нс и более, которые могут представлять интерес для ускорительной масс-спектрометрии.

Распад изомерных состояний может осуществляться путём:

Вероятность конкретного варианта распада определяется внутренней структурой ядра и его энергетическими уровнями (а также уровнями ядер — возможных продуктов распада).

В некоторых областях значений массовых чисел существуют т. н. острова изомерии (в этих областях изомеры встречаются особенно часто). Это явление объясняется оболочечной моделью ядра, которая предсказывает существование в нечётных ядрах энергетически близких ядерных уровней с большим различием спинов, когда число протонов или нейтронов близко к магическим числам.

Некоторые примеры[править | править вики-текст]

  • 180mTa — единственный стабильный (в пределах чувствительности современных методик) изомер. В отличие от радио- или космогенных короткоживущих радионуклидов, он существует в земной коре с момента её формирования, встречаясь в естественном тантале в соотношении 1 к 8300. Хотя 180mTa теоретически может распадаться как минимум тремя путями (изомерный переход, бета-минус-распад, электронный захват), ни один из них экспериментально не был обнаружен; нижнее ограничение на его период полураспада — 1,2·1015 лет[2]. В то же время основное состояние 180Ta бета-активно с периодом полураспада 8,152(6) часа[2]. Спин и чётность основного состояния равны 1+, изомера — 9[2]. Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(13) кэВ[2]) изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. Ожидается, что 180mTa, как и любой другой ядерный изомер, может быть искусственно переведен в основное состояние посредством вынужденного излучения, при облучении гамма-квантами с энергией, в точности равной разности энергий возбуждённого и основного состояний.
  • В природных радиоактивных рядах урана-238, урана-235 и тория существует несколько радиогенных изомерных состояний, например 210mBi (период полураспада 3,04·106 лет[2]).
  • У ядра урана-235 обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень 235mU (период полураспада 26 минут[2]), отстоящий от основного уровня лишь на 76,5(4) электронвольт[2].
  • 178m2Hf с периодом полураспада 31(1) год[2] (индекс 2 означает, что существует также более низколежащий изомер 178m1Hf). Он имеет наибольшую энергию возбуждения среди изомеров с периодом полураспада больше года. Три килограмма чистого 178m2Hf содержит примерно 4 ТДж энергии, что эквивалентно килотонне тротила. Вся эта энергия высвобождается в виде каскадных гамма-квантов и конверсионных электронов с энергией по 2446 кэВ на ядро. Как и с 180mTa, идет обсуждение возможности искусственного перевода 178m2Hf в основное состояние. Полученные (но неподтверждённые в других экспериментах) результаты говорят об очень быстром освобождении энергии (мощность порядка эксаватт). Теоретически изомеры гафния могут быть использованы как для создания гамма-лазеров, устройств хранения энергии, так и для разработки довольно мощного ядерного оружия, не создающего радиоактивного заражения местности. Тем не менее, перспективы здесь остаются в целом довольно туманными, поскольку ни экспериментальные, ни теоретические работы по данному вопросу не дают однозначных ответов, а наработка макроскопических количеств 178m2Hf, при современном развитии техники, практически недоступна.
  • 192m2Ir имеет период полураспада 241(9) год[2]. Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и гафний-178m2.
  • 90Nb имеет 5 ядерных изомеров.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1-124. [1]
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode2003NuPhA.729....3A.

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]