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.

История

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 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^[7] к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase2003^[8], Nubase2016^[9] и Nubase2020^[10] к ним добавлены состояния с периодом полураспада около 100 нс и более. На 2020 год известны всего 3340 нуклидов, из них 1938 нуклидов имеют одно или более изомерных состояний с периодом полураспада, превышающим 100 нс^[10].

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 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 — 4,5⋅10¹⁶ лет. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,154(6) часа^[10]. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9^−[10]. Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(14) кэВ^[10]) изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. ^180mTa, как и любой другой ядерный изомер, теоретически 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, однако экспериментально такие переходы пока не наблюдались.

• В природном радиоактивном ряду урана-238 присутствует изомер протактиния-234 ^234mPa (период полураспада 1,159(11) минуты^[10]).

• У ядра урана-235 обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень ^235mU (период полураспада 25,7(1) минуты^[10]), отстоящий от основного уровня лишь на 76,7(1) электронвольта^[10].

• Изомер тория-229 ^229mTh имеет исключительно низкую энергию возбуждения 8,355733554021(8) эВ, при его распаде в основное состояние испускается гамма-квант, имеющий длину волны 148,3821(5) нм и попадающий в диапазон вакуумного ультрафиолета. Период полураспада этого рекордно низколежащего уровня, в отличие от большинства радиоактивных распадов, сильно зависит от окружения: в кристалле фторида кальция время жизни уровня составляло 630(15) с, тогда как в виде ионов Th³⁺ в вакууме этот изомер распадался с временем жизни 1400+600
  −300 с, что объясняется большей плотностью состояний фотонов, пропорциональной кубу показателя преломления, в среде по сравнению с вакуумом. Использование этого ядерного перехода при распаде изомера в основное состояние может значительно улучшить точность измерения времени позволив создать ядерные часы^[англ.], на несколько порядков превосходящие по точности атомные часы^{[11][12][13][14]}.

• Изомер гафния-178 ^178m2Hf со спином и чётностью 16⁺ имеет период полураспада 31(1) год^[10] (индекс 2 в обозначении ^178m2Hf означает, что существует также более низколежащий изомер ^178m1Hf). Энергия возбуждения ^178m2Hf максимальна 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 суммарной энергией по 2446,09(8) 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^[15].

• Изомер иридия-192 ^192m2Ir со спином и чётностью предположительно 11⁻ имеет период полураспада 241(9) год и энергию возбуждения 168,14(12) кэВ^[10]. Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и изомер гафния-178 ^178m2Hf.

• Наибольшее известное количество изомеров (по шесть штук, не считая основного состояния) обнаружено у изотопов иттрия-98 (⁹⁸Y), лютеция-174 (¹⁷⁴Lu), тантала-179 (¹⁷⁹Ta) и радия-214 (²¹⁴Ra)^[10].

См. также

• Химический элемент
• Нуклид
• Изотоп