Изомерия атомных ядер

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

Содержание 1 Исторические сведения 2 Теоретические сведения 3 Некоторые примеры 4 Литература

[править] Исторические сведения

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-X (UX₂), однако имело другой период полураспада. В современных обозначениях, UZ и UX₂ соответствуют основному и изомерному состояниям изотопа ²³⁴Th. 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.

[править] Теоретические сведения

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.

Время жизни изомерных состояний превышает доли микросекунды (и может измеряться годами), тогда как типичное время жизни неизомерных возбуждённых состояний порядка пикосекунд и меньше. Важно, что 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

• изомерного перехода в основное состояние (испусканием гамма-кванта или посредством внутренней конверсии);
• альфа-распада;
• бета-распада и электронного захвата;
• спонтанного деления (для тяжёлых ядер);
• излучения протона для высоковозбуждённых изомеров.

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.

Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у ¹⁸⁰Hf).

Наибольший интерес представляют относительно стабильные изомеры с временами полураспада от 10⁻⁶ сек до многих лет. Изомеры обозначаются буквой m (от англ. metastable) в индексе массового числа (например, ^80mBr) или в правом верхнем индексе (например, ⁸⁰Br^m). 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.

[править] Некоторые примеры

• ^180mTa — единственный стабильный (в пределах чувствительности современных методик) изомер. Он существует в земной коре с момента её формирования (а не как радио- или космогенный короткоживущий радионуклид) и встречается в естественном тантале в соотношении 1 к 8300. Хотя ^180mTa теоретически может распадаться как минимум тремя путями (изомерный переход, бета-минус-распад, электронный захват), но ни один из них экспериментально не был обнаружен, нижнее ограничение на его период полураспада — 10¹⁵ лет. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,15 часа. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 8⁻. Изомерный уровень лежит выше основного состояния на 77 кэВ; ввиду близости энергий и высокой разности спинов состояний изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. В принципе ^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).

• У ядра урана-235 обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень ^235mU (период полураспада 26 минут), отстоящий от основного уровня лишь на 77 электронвольт.

• Другой, весьма интересный изомер — ^178m2Hf с периодом полураспада 31 год (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 экзаватт). В принципе 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.

• Еще один интересный изомер ^192m2Ir, он имеет период полураспада 241 год. Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и гафний-178m2.

[править] Литература

1. ↑ G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1-124. [1]
2. ↑ G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 2003, vol. 729, page 3-128. [2]

1. Л. И. Русинов // Изомерия атомных ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630.
2. Е. В. Ткаля. // Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба». УФН. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561.