Ядерный изомер

Ядерный изомер

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 "Ядерный изомер" в других словарях:

  • ядерный изомер — branduolinis izomeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. nuclear isomer vok. Kernisomer, n rus. ядерный изомер, m pranc. isomère nucléaire, m …   Fizikos terminų žodynas

  • Ядерная изомерия — Изомерия атомных ядер  явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни. Содержание 1 Исторические сведения 2 Теоретические сведения 3 …   Википедия

  • Ядерные изомеры — Изомерия атомных ядер  явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни. Содержание 1 Исторические сведения 2 Теоретические сведения 3 …   Википедия

  • Изомерия атомных ядер — Изомерия атомных ядер  явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни. Содержание 1 Исторические сведения 2 Теоретические сведения …   Википедия

  • Протактиний — (лат. Protactinium)         Pa, радиоактивный химический элемент, атомный номер 91, относится к актиноидам (См. Актиноиды). Первый изотоп П. (точнее, ядерный изомер) короткоживущий 234mPa (период полураспада T1/2 = 1,18 мин) был обнаружен в 1913… …   Большая советская энциклопедия

  • Фтор — У этого термина существуют и другие значения, см. Фтор (значения). 9 Кислород ← Фтор → Неон …   Википедия

  • 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

  • Берклий —         беркелий (Berkelium), Bk, искусственно полученный радиоактивный химический элемент, относится к актиноидам (См. Актиноиды), атомный номер 97. Стабильных изотопов не имеет. Синтезирован в декабре 1949 американским учёными С. Томпсоном, А.… …   Большая советская энциклопедия

  • технеций — я; м. [от греч. technetos искусственный] Химический элемент (Tc), серебристо серый радиоактивный металл, получаемый из отходов атомной промышленности. ◁ Технециевый, ая, ое. * * * технеций (лат. Technetium), химический элемент VII группы… …   Энциклопедический словарь

  • Тантал (элемент) — 73 Гафний ← Тантал → Вольфрам …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

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