Ядерные изомеры

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

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.

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.

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.

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.