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
Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году[1], когда немецкий физикО. Ган, изучая бета-распадтория-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 изотопа234Pa[2]. В 1935 году[3]Б. В. Курчатовым, И. В. Курчатовым, Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым был обнаружен изомер искусственного изотопа брома80Br, 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 свойства
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[7] к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase’2003[8] и Nubase’2016[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:
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
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.
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 килотоннетротила. 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].
↑ Otto Hahn (1921). “Über eine neue radioaktive Substanz im Uran”. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 54 (6): 1131–1142. DOI:10.1002/cber.19210540602.
↑ D. E. Alburger.Nuclear isomerism//Handbuch der physik/S. Flügge.— Springer-Verlag, 1957.— Т.42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III.— P.1.
↑ C. von Weizsäcker (1936). “Metastabile Zustände der Atomkerne”. Naturwissenschaften. 24 (51): 813–814.
↑ Константин Мухин.Экзотическая ядерная физика для любознательных// 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.)(недоступная ссылка).Проверено 17 марта 2008.Архивировано 4мая 2006года.
Другой контент может иметь иную лицензию. Перед использованием материалов сайта WikiSort.ru внимательно изучите правила лицензирования конкретных элементов наполнения сайта.
2019-2024 WikiSort.ru - проект по пересортировке и дополнению контента Википедии