Interested Article - 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 по спину и чётности . В частности, подавлены переходы с высокой (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 ¹⁸⁰ Hf).

Изомеры обозначаются буквой m (от англ. metastable ) в индексе массового числа (например, ^80

m Br). 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: m 1, m 2 и т. д.

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

История

Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году , когда немецкий физик О. Ган , изучая бета-распад тория-234 , известного в то время как «уран-X1» (UX ₁ ), открыл новое радиоактивное вещество «уран-Z» (UZ), которое ни по химическим свойствам, ни по массовому числу не отличалось от известного уже «урана-X2» (UX ₂ ), однако имело другой период полураспада. В современных обозначениях, UZ и UX ₂ соответствуют изомерному и основному состояниям изотопа ²³⁴ Pa . В 1935 году Б. В. Курчатовым , И. В. Курчатовым , Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым был обнаружен изомер искусственного изотопа брома ⁸⁰ Br, образующийся наряду с основным состоянием ядра при захвате нейтронов стабильным ⁷⁹ Br. 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 . Всё это положило основу систематического изучения данного явления. Теоретически ядерная изомерия была описана Карлом Вайцзеккером в 1936 году .

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 Nubase1997 к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase2003 и Nubase2016 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 .

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. (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 ( ^180m Ta) — 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 ^180m Ta 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⋅10 ¹⁵ лет . В то же время основное состояние ¹⁸⁰ Ta бета-активно с периодом полураспада 8,154(6) часа . Спин и чётность основного состояния равны 1 ⁺ , изомера — 9 ⁻ . Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(14) кэВ ) изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. ^180m Ta, 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 ^234m Pa (период полураспада 1,159(11) минуты ).

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

Изомер гафния-178 ^178m2 Hf с периодом полураспада 31(1) год (индекс 2 означает, что существует также более низколежащий изомер ^178m1 Hf). Он имеет наибольшую энергию возбуждения среди изомеров с периодом полураспада больше года. Три килограмма чистого ^178m2 Hf 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 ^180m Ta, идёт обсуждение возможности искусственного перевода ^178m2 Hf 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 ^178m2 Hf, при современном развитии техники, практически недоступна .

Изомер иридия-192 ^192m2 Ir имеет период полураспада 241(9) год и энергию возбуждения 168,14(12) кэВ . Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и изомер гафния-178 ^178m2 Hf.

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

См. также

Примечания

Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нем.) // (англ.) ( : magazin. — 1921. — Bd. 54 , Nr. 6 . — S. 1131—1142 . — doi : .
D. E. Alburger. // Handbuch der physik / S. Flügge. — Springer-Verlag, 1957. — P. 1.
J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. (фр.) // (англ.) ( : magazine. — 1935. — Vol. 200 . — P. 1201—1203 .
, с. 617.
C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (англ.) // (англ.) ( : 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. (неопр.) . Дата обращения: 17 марта 2008. 4 мая 2006 года.
↑ Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra A. H. // Nuclear Physics A . — 2003. — Т. 729 . — С. 3—128 . — doi : . — Bibcode : .
↑ Audi G. , Kondev F. G. , Wang M. , Huang W. J. , Naimi S. (англ.) // . — 2017. — Vol. 41 , iss. 3 . — P. 030001-1—030001-138 . — doi : . — Bibcode : .
Ткаля Е. В. // Успехи физических наук : журнал. — 2005. — Т. 175, № 5. — С. 555—561.