Изомерия атомных ядер

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). 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 метастабильные изомеры с временами полураспада от 10⁻⁶ сек до многих лет.

ИсторияПравить

Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году^[1], когда немецкий физик О. Ган, изучая бета-распад тория-234, известного в то время как «уран-X1» (UX₁), 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 изомерному и основному состояниям изотопа ²³⁴Pa^[2]. В 1935 году^[3] 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. Через три года под руководством И. В. Курчатова было установлено, что изомерный переход брома-80 происходит в основном путём внутренней конверсии, а не испусканием гамма-квантов^[4]. Всё это положило основу систематического изучения данного явления. Теоретически ядерная изомерия была описана Карлом Вайцзеккером в 1936 году^[5]^[6].

Физические свойстваПравить

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 Nubase1997^[7] к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase2003^[8] и Nubase2016^[9] к ним добавлены состояния с периодом полураспада около 100 нс и более. На 2016 год известны всего 3437 нуклидов, из них 1318 нуклидов имеют одно или более изомерных состояний с периодом полураспада, превышающим 100 нс^[9].

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.

Некоторые примерыПравить

Изомер тантала-180 (^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 — 7,1⋅10¹⁵ лет^[9]. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,154(6) часа^[9]. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9⁻^[8]. Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(14) кэВ^[9]) изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. Ожидается, что ^180mTa, как и любой другой ядерный изомер, может быть искусственно переведён в основное состояние посредством вынужденного излучения, при облучении гамма-квантами с энергией, в точности равной разности энергий возбуждённого и основного состояний.

В природном радиоактивном ряду урана-238 присутствует изомер протактиния-234 ^234mPa (период полураспада 1,159(11) минуты^[9]).

У ядра урана-235 обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень ^235mU (период полураспада 25,7(1) минуты^[9]), отстоящий от основного уровня лишь на 76,0(4) электронвольта^[9].

Изомер гафния-178 ^178m2Hf с периодом полураспада 31(1) год^[9] (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, идёт 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^[10].

Изомер иридия-192 ^192m2Ir имеет период полураспада 241(9) год и энергию возбуждения 168,14(12) кэВ^[9]. Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и изомер гафния-178 ^178m2Hf.

Наибольшее количество изомеров (по шесть штук, не считая основного состояния) обнаружено у изотопов тантал-179 (¹⁷⁹Ta) и радий-214 (²¹⁴Ra)^[9].

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

↑ Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нем.) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (англ.) (рус. : magazin. — 1921. — Bd. 54, Nr. 6. — S. 1131—1142. — doi:10.1002/cber.19210540602.
↑ D. E. Alburger. Nuclear isomerism // Handbuch der physik / S. Flügge. — Springer-Verlag, 1957. — P. 1.
↑ J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences (англ.) (рус. : magazine. — 1935. — Vol. 200. — P. 1201—1203.
↑ Русинов, 1961, с. 617.
↑ C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (англ.) // Naturwissenschaften (англ.) (рус. : journal. — 1936. — Vol. 24, no. 51. — P. 813—814.
↑ Константин Мухин. Экзотическая ядерная физика для любознательных (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 4. — С. 96—100.
↑ G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1–124. Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 17 марта 2008. Архивировано из оригинала 4 мая 2006 года.
↑ ¹ ² Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode: 2017ChPhC..41c0001A.
↑ Ткаля Е. В. Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба» // Успехи физических наук : журнал. — 2005. — Т. 175, № 5. — С. 555—561.

ЛитератураПравить

Русинов Л. И. Изомерия атомных ядер // Успехи физических наук : журнал. — 1961. — Т. 73, № 4. — С. 615—630.

СсылкиПравить

Граница протонной устойчивости ядер может оказаться довольно размытой Архивная копия от 11 марта 2014 на Wayback Machine // Элементы.ру
Доказана теоретическая несостоятельность гафниевой бомбы Архивная копия от 10 марта 2014 на Wayback Machine // Элементы.ру

[1] Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нем.) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (англ.) (рус. : magazin. — 1921. — Bd. 54, Nr. 6. — S. 1131—1142. — doi:10.1002/cber.19210540602.

[2] D. E. Alburger. Nuclear isomerism // Handbuch der physik / S. Flügge. — Springer-Verlag, 1957. — P. 1.

[3] J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences (англ.) (рус. : magazine. — 1935. — Vol. 200. — P. 1201—1203.

[_3436ab87e871c599-4] Русинов, 1961, с. 617.

[5] C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (англ.) // Naturwissenschaften (англ.) (рус. : journal. — 1936. — Vol. 24, no. 51. — P. 813—814.

[6] Константин Мухин. Экзотическая ядерная физика для любознательных (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 4. — С. 96—100.

[Nubase1997-7] G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1–124. Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 17 марта 2008. Архивировано из оригинала 4 мая 2006 года.

[Nubase2003-8] ¹ ² Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.

[Nubase2016-9] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode: 2017ChPhC..41c0001A.

[10] Ткаля Е. В. Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба» // Успехи физических наук : журнал. — 2005. — Т. 175, № 5. — С. 555—561.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]