Ядерный изомер - NiNa.Az

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 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, 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. В 1935 годуБ. 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. 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, Nubase2016 и Nubase2020 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.

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 (^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. 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. ^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).

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

• 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 ^[англ.], на несколько порядков превосходящие по точности атомные часы.

• Изомер гафния-178 ^178m2Hf со спином и чётностью 16⁺ имеет период полураспада 31(1) год (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.

• Изомер иридия-192 ^192m2Ir со спином и чётностью предположительно 11⁻ 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 ^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).

См. также

• Химический элемент
• Нуклид
• Изотоп

Примечания

1. Hahn O. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нем.) // ^[англ.]. — 1921. — Bd. 54, Nr. 6. — S. 1131—1142. — doi:10.1002/cber.19210540602.
2. Alburger D. E. Nuclear isomerism // Handbuch der physik / S. Flügge. — Springer-Verlag, 1957. — P. 1.
3. Kourtchatov J. V., Kourtchatov B. V., Misowski L. V., Roussinov L. I. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (фр.) // ^[англ.]. — 1935. — Vol. 200. — P. 1201—1203.
4. Русинов, 1961, с. 617.
5. von Weizsäcker C. Metastabile Zustände der Atomkerne (нем.) // ^[англ.] : journal. — 1936. — Bd. 24, Nr. 51. — S. 813—814.
6. Мухин К. Экзотическая ядерная физика для любознательных (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 4. — С. 96—100.
7. Audi G. et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (англ.) // Nuclear Physics A. — 1997. — Vol. 624, iss. 1. — P. 1–124. — doi:10.1016/S0375-9474(97)00482-X. Архивировано 3 сентября 2024 года.
8. 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.
9. Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // . — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode: 2017ChPhC..41c0001A.
10. Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // . — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
11. [https://web.archive.org/web/20250315014008/https://arxiv.org/abs/2406.18719 Архивная копия от 15 марта 2025 на Wayback Machine [2406.18719] Frequency ratio of the $^{229\mathrm{m}}$Th nuclear isomeric transition and the $^{87}$Sr atomic clock]
12. Источник  (неопр.). Дата обращения: 14 марта 2025. Архивировано 10 августа 2024 года.
13. [https://web.archive.org/web/20241217193026/https://arxiv.org/abs/1811.03889 Архивная копия от 17 декабря 2024 на Wayback Machine [1811.03889] Towards a 229Th-based nuclear clock]
14. Tiedau J. et al. Laser Excitation of the Th-229 Nucleus (англ.) // Physical Review Letters. — 2024. — Vol. 132, iss. 18. — P. 182501. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.132.182501.  [исправить]
15. Ткаля Е. В. Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба» // Успехи физических наук : журнал. — 2005. — Т. 175, № 5. — С. 555—561.

Литература

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

Ссылки

• 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