Ядерные изомеры

Ядерные изомеры

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

Содержание

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

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, 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.

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.

Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Ядерные изомеры" в других словарях:

  • изомеры — ов; мн. (ед. изомер, а; м.). [от греч. isos равный и meros доля, часть] Хим. Химические соединения, имеющие одинаковый состав и молекулярную массу, но различающиеся между собой по строению, физическим и химическим свойствам. Изучение изомеров.… …   Энциклопедический словарь

  • изомеры — ов; мн. (ед. изоме/р, а; м.) (от греч. ísos равный и méros доля, часть); хим. Химические соединения, имеющие одинаковый состав и молекулярную массу, но различающиеся между собой по строению, физическим и химическим свойствам. Изучение изомеров.… …   Словарь многих выражений

  • изомеры — (изо... гр. meros доля, часть) 1) хим. соединения, одинаковые по составу и молекулярной массе, но различающиеся по строению; 2) ядерные и. (делящиеся и.) одинаковые радиоактивные изотопы трансурановых элементов, имеющие разные периоды полураспада …   Словарь иностранных слов русского языка

  • Радиоактивность — (от лат. radio излучаю, radius луч и activus действенный)         самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно изотоп другого элемента). Сущность явления Р. состоит в… …   Большая советская энциклопедия

  • Америций — (лат. Americium)         Am, искусственно полученный радиоактивный химический элемент, относится к актиноидам (См. Актиноиды), атомный номер 95. Стабильных изотопов не имеет. Синтезирован в конце 1944 начале 1945 американскими учёными Г. Сиборгом …   Большая советская энциклопедия

  • Поликанов Сергей Михайлович — (р. 14.9.1926, Москва), советский физик, член корреспондент АН СССР (1974). Член КПСС с 1955. После окончания Московского инженерно физического института (1950) работал в институте атомной энергии. С 1957 ‒ в Объединённом институте ядерных… …   Большая советская энциклопедия

  • Поликанов —         Сергей Михайлович (р. 14.9.1926, Москва), советский физик, член корреспондент АН СССР (1974). Член КПСС с 1955. После окончания Московского инженерно физического института (1950) работал в институте атомной энергии. С 1957 в Объединённом… …   Большая советская энциклопедия

  • ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР — существование ядер нек рых нуклидов в метастабильных возбужденных энергетич. состояниях. Нуклиды с метастабильными ядрами обозначают латинской буквой тв верх. индексе слева от массового числа. Так, метастабильный изомер 236Np обозначают 236mNp. И …   Химическая энциклопедия

  • Радиоизотопные источники энергии — Один из радиоизотопных генераторов зонда Кассини …   Википедия

  • Изотопная батарея — Один из радиоизотопных генераторов зонда Кассини Радиоизотопный генератор космического аппарата New Horizons Радиоизотопные источники энергии  устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном… …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»