Еще один тип ядерных превращений - это когда ядро не распадается, как при альфа-распаде, и не меняет свой состав, как при бета-распаде, а остается самим собой, но только, условно говоря, меняет свою форму. Разные варианты одного и того же ядра, отличающиеся только движением и взаимной ориентацией спинов протонов и нейтронов, называются изомерами . Разные изомеры обладают разной энергией, поэтому их превращение друг в друга приводит к испусканию фотона.

Это очень похоже на то, что бывает с атомами: там есть основное состояние, с самой низкой энергией, и возбужденные состояния , энергия которых выше. Когда атом меняет свою электронную структуру и тем самым перепрыгивает с возбужденного уровня на основной, он излучает фотон. В ядрах - то же самое. Для каждого ядра существует целая лестница возбужденных состояний, обладающих повышенной энергией. Возбужденные изомеры нестабильны и обычно они быстро превращаются в основное состояние ядра, излучая фотон. Иногда, впрочем, они распадаются и на другие ядра за счет обычной радиоактивности.

Так же, как возбужденные состояния атомов могут быть короткоживущими или долгоживущими, ядерные изомеры тоже могут иметь самые разные периоды полураспада. По аналогии с атомными переходами, если распаду возбужденного состояния ничто не мешает,он может происходить очень быстро, за времена порядка зептосекунд , т. е. буквально за несколько «тактовых циклов» ядерного движения. Таковы, например, большинство изомеров легких ядер. В тяжелых ядрах картина намного разнообразнее. Например, среди сотен известных изомеров ядра свинца 208 Pb встречаются такие, которые живут от десятков зептосекунд и вплоть до наносекунд.

В отдельных случаях, когда распад изомера очень затруднен, время жизни возбужденного ядра может достигать секунд и больше. Один такой пример уже нам встречался среди изомеров урана. Другой знаменитый пример - изомер гафния-178, обозначаемый 178m2 Hf. Он обладает огромным спином - целых 16 единиц. Это настолько затрудняет его переход в основное состояние, что его период полураспада составляет 31 год . Это уже очень много даже по человеческим меркам. Были даже предложения сделать на основе этого изомера гафния этакую разновидность «чистой» ядерной бомбы. Берем гафний-178, переводим его в возбужденное состояние, упаковываем небольшое количество изомера в оболочку и снабжаем ее устройством для высвобождения энергии. При взрыве такой бомбы выделялись бы исключительно фотоны. Она производила бы разрушения вокруг себя без долгоживущего радиационного заражения окружающей среды, и потому на нее не распространялись бы соглашения по «обычному» ядерному вооружению. К счастью, манипуляция уровнями энергии в ядрах - настолько сложная задача, что никакие известные технологии накачки и высвобождения энергии даже близко не могут удовлетворить необходимым требованиям. Так что гафниевую бомбу можно пока что считать несбыточной фантазией .

Наконец, в совсем исключительных случаях возбужденное ядро может быть таким долгоживущим, что его распад не наблюдается в лабораторных условиях, а сам этот изомер может даже присутствовать в какой-то концентрации в природных условиях. Таков, например, изомер тантала 180m Ta. Он составляет 0,012% от всего природного тантала, а время его жизни неизмеряемо велико (известно лишь, что оно превышает 10 15 лет).

ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР, существование у некоторых атомных ядер наряду с основным состоянием долгоживущих (метастабильных) возбуждённых состояний, называемых изомерными. Исторически к изомерным относят состояния с временами жизни, которые могут быть измерены непосредственно (более 0,01 мкс). Явление изомерии возникает из-за резкого различия структуры соседних состояний (возбуждённого и основного), что приводит к значительному уменьшению вероятности распада возбуждённого состояния (иногда на много порядков).

Первое указание на существование ядерных изомеров было получено в 1921 О. Ганом, обнаружившим среди продуктов распада урана радиоактивное вещество, которое при одном и том же атомном номере Z и массовом числе А имело два совершенно разных пути радиоактивного распада. Однако датой открытия изомерии атомных ядер считается 1935 год, когда группой советских учёных под руководством И. В. Курчатова было обнаружено при облучении брома медленными нейтронами образование трёх радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада.

Впоследствии выяснилось, что это явление достаточно широко распространено, известно уже несколько сотен изомерных состояний, причём у некоторых ядер может быть по несколько таких состояний. Например, у ядра гафния с А = 175 обнаружено 5 состояний с временами жизни более 0,1 мкс.

Непременным условием существования изомерного состояния ядра является наличие какого-либо запрета для радиационных переходов из изомерного в состояния с более низкой энергией. Известен целый ряд особенностей ядерной структуры, вызывающих такой запрет: различие угловых моментов (спинов) изомерного и основного состояний, приводящее к радиационным переходам высокой мультипольности, разная ориентация спинов относительно выделенной оси в ядре, различная форма ядер в обоих состояниях.

Распад изомерных состояний обычно сопровождается испусканием электронов или γ-квантов, в результате образуется то же ядро, но в состоянии с меньшей энергией. Иногда более вероятен бета-распад. Изомеры тяжёлых элементов могут распадаться путём самопроизвольного деления. Изомерные состояния ядер с высокой степенью вероятности спонтанного деления называют делящимися изомерами. Известно около 30 ядер (изотопы U, Pu, Am, Cm, Bk), для которых вероятность спонтанного деления в изомерном состоянии больше, чем в основном, примерно в 10 26 раз.

Изомерия атомных ядер является важным источником сведений о структуре атомных ядер; изучение изомеров помогло установить порядок заполнения ядерных оболочек. По временам жизни изомеров судят о величинах запретов для радиационных переходов и их связи с ядерной структурой.

Ядерные изомеры находят и практическое применение. Например, в активационном анализе их образование в ряде случаев позволяет достигнуть большей чувствительности метода. Долгоживущие ядерные изомеры рассматриваются как возможные в будущем аккумуляторы энергии.

Лит.: Корсунский М. И. Изомерия атомных ядер. М., 1954; Поликанов С. М. Изомерия формы атомных ядер. М., 1977.

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-X2 (UX 2), однако имело другой период полураспада. В современных обозначениях, UZ и UX 2 соответствуют основному и изомерному состояниям изотопа . В 1935 году Б. В. Курчатовым , И. В. Курчатовым , Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым был обнаружен изомер искусственного изотопа брома 80 Br, образующийся наряду с основным состоянием ядра при захвате нейтронов стабильным 79 Br. 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.

Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у 180 Hf).

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, 80m Br) или в правом верхнем индексе (например, 80 Br 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: m 1, m 2 и т. д.

Некоторые примеры

Примечания

Литература

1. Л. И. Русинов // Изомерия атомных ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630 .
2. Е. В. Ткаля. // Индуцированный распад ядерного изомера 178m2 Hf и «изомерная бомба». УФН. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561 .

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Изомерия атомных ядер" в других словарях:

- (от греч. isos равный, одинаковый и meros доля, часть), существование у нек рых ат. ядер метастабильных состояний с относительно большими временами жизни. Нек рые ат. ядра имеют неск. изомерных состояний с разными временами жизни. Понятие «И. а.… … Физическая энциклопедия

Явление, состоящее в существовании долгоживущих возбужденных (метастабильных) состояний атомных ядер. Переход в невозбужденное состояние происходит за счет? излучения либо конверсии внутренней … Большой Энциклопедический словарь

Существование у некоторых атомных ядер метастабильных состояний возбуждённых состояний с относительно большими временами жизни (см. Ядро атомное). Некоторые атомные ядра имеют несколько изомерных состояний с разными временами жизни.… … Большая советская энциклопедия

Явление, состоящее в существовании долгоживущих возбуждённых (метастабильных) состояний атомных ядер. Переход в невозбуждённое состояние происходит за счёт γ излучения либо конверсии внутренней. * * * ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР,… … Энциклопедический словарь

Явление, состоящее в существовании долгоживущих возбуждённых (метастабильных) состояний атомных ядер. Переход в невозбуждённое состояние происходит за счёт у)гаииа) излучения либо конверсии внутренней … Естествознание. Энциклопедический словарь

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

Явление искусственных радиоактивных изотопов, выдающееся мировое открытие (1935) русского ученого И. В. Курчатова.

Изомерами называются атомные ядра, имеющие одинаковое число нейтронов и протонов, но различные физические свойства, в частности различные периоды полураспада.

Рис. 6.1. Изомерный γ-переход в ядре 115 In.

Времена жизни γ-радиоактивных ядер обычно имеют порядок 10 -12 –10 -17 с. В некоторых случаях при сочетании высокой степени запрета с малой энергией γ-перехода могут наблюдаться γ-радиоактивные ядра с временами жизни макроскопического порядка (до нескольких часов, а иногда и больше). Такие долгоживущие возбужденные состояния ядер называются изомерами . Характерным примером изомера может служить изотоп индия 115 In (рис. 6.1). Основное состояние 115 In имеет J P = 9/2 + . Первый возбужденный уровень имеет энергию, равную 335 кэВ, и спин-четность J P = 1/2 - . Поэтому переход между этими состояниями происходит лишь посредством испускания М4 γ-кванта. Этот переход настолько сильно запрещен, что период полураспада возбужденного состояния оказывается равным 4.5 часа.
Явление ядерной изомерии было открыто в 1921 г. О. Ганном, обнаружившим, что существуют два радиоактивных вещества, имеющие одинаковые массовые числа A и порядковый номер Z, но различающиеся периодом полураспада. В дальнейшем было показано, что это было изомерное состояние 234m Pa. Согласно Вайцзеккеру (Naturwiss. 24, 813, 1936) изомерия ядер встречается каждый раз, когда момент количества движения ядра в возбужденном состоянии с низкой энергией возбуждения отличается от момента количества движения в любом состоянии, имеющем меньшую энергию возбуждения на несколько единиц ћ. Изомерное (метастабильное) состояние определили как возбужденное состояние с измеримым временем жизни. По мере совершенствования экспериментальных методов γ-спектроскопии измеримые периоды полураспада понизились до 10 -12 -10 -15 с.

Таблица 6.1

Возбужденные состояния 19 F

Изомерные состояния следует ожидать там, где оболочечные уровни, близкие друг другу по энергии, сильно различаются значениями спинов. Именно в этих областях и находятся так называемые «острова изомерии». Так, наличие изомера у приведенного выше изотопа 115 In обусловлено тем, что в нем не хватает одного протона до замкнутой оболочки Z = 50), т. е. имеется одна протонная «дырка». В основном состоянии эта дырка в подоболочке 1g 9/2 , а в возбужденном - в подоболочке 1p 1/2 . Такая ситуация типична. Острова изомерии расположены непосредственно перед магическими числами 50, 82 и 126 со стороны меньших Z и N. Так, изомерные состояния наблюдаются в ядрах 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, что близко к 82), 199 Hg (Z = 80, что близко к 82) и т. д. Отметим, что, наряду с рассмотренными, существуют и другие причины появления изомерных состояний. В настоящее время обнаружено большое число изомеров, имеющих период полураспада от нескольких секунд до 3·10 6 лет (210m Bi). Многие изотопы имеют несколько изомерных состояний. В таблице 6.2 приведены параметры долгоживущих изомеров (T 1/2 > год).

Таблица 6.2

Параметры изомерных состояний атомных ядер

Было обнаружено, что существуют ядра с одинаковыми значениями чисел но с различными периодами полураспада. Такие ядра получили название изомеров.

Исследование явления ядерной изомерии у искусственно радиоактивных ядер было проведено группой советских физиков под руководством Курчатова и Русинова. Изучалась искусственная

радиоактивность возникающая в результате облучения естественной смеси стабильных изотопов медленными нейтронами. При этом образуются два радиоактивных изотопа брома, химически неотделимые друг от друга:

Удивительным результатом этих опытов оказалось обнаружение у не двух, а трех различных периодов полураспада:

Очевидно, что один из изотопов распадается двояким образом. Опыт был видоизменен и подвергался облучению не нейтронами, а -лучами, которые вызывали так называемый ядерный фотоэффект

Образующиеся изотопы брома также являются -активными и распадаются по схеме:

Исследования показали, что и в этом случае наблюдаются также не два, а три периода полураспада:

Из сопоставления процессов стало ясно, что именно с изотопом Вгзб, образующимся в том и другом случае, связаны два периода полураспада: мин и час, которые также встречаются обеих сериях опытов. Нужно было объяснить существование у одного и того же изотопа двух разных периодов полураспада.

Дальнейшими опытами было показано, что изомерия объясняется наличием у этого ядра метастабильного состояния, т. е. такого возбужденного состояния, вероятность перехода из которого в основное состояние мала. Чтобы уяснить это, рассмотрим

более подробно схему распада ядра . В результате предшествующей ядерной реакции ядро возникает в сильно возбужденном состоянии.

Рис. 45. Схема распада

Снятие возбуждения происходит двумя путями: ядро в течение сек -переходом переводится в основное состояние, из которого уже происходит испускание -частиц с или ядро переходит на метастабильный уровень, дальнейший переход из которого на основной запрещен правилами отбора. В результате ядро «застревает» на метастабильном уровне с продолжительностью жизни 4,4 час; переход из метастабильного в основное состояние сопровождается как -излучением, так и внутренней конверсией электронов. В дальнейшем переход с основного уровня опять происходит при помощи -распада с образованием .

Таким образом, мы наблюдаем, по сути дела, один и тот же спектр -частиц, образующийся при переходе с основного уровня на основной уровень с единственным периодом полураспада мин, но из-за задержки переходов внутри ядра брома возникает эффект, приводящий как бы к двум периодам полураспада.

Ядерная изомерия не является редким явлением среди ядерных превращений. В настоящее время известно более 100 изомеров.

В связи с описанным выше явлением изомерии возникает вопрос: какое время необходимо для чтобы ядро из возбужденного состояния перешло в основное? От чего зависит время высвечивания Для его оценки воспользуемся тем, что энергетическая ширина уровня является мерой неопределенности энергии системы, находящейся на этом уровне. Время пребывания системы в таком состоянии может быть оценено из соотношения неопределенности:

В рассматриваемом случае величина и будет средним временем жизни ядра в возбужденном состоянии, а энергетическая ширина этого возбужденного уровня. Из опыта известно, что ширина спектральной линии обычно имеет порядок , следовательно,

(существующими приборами это время измерить невозможно, тогда как величину можно измерить довольно точно).

Таким образом, обычно Рассмотрим теперь, чем можно объяснить наличие изомеров и существование запрещенных переходов для -излучения.

На разных уровнях ядро, как уже говорилось, имеет разные угловые моменты. Так как должен выполняться закон сохранения момента количества движения, то при переходе разность моментов начального и конечного уровня уносит -квант. Этим определяются правила отбора.

Излучение, связанное с перестройкой системы на называется дипольным излучением; на -квадрупольным излучением; на октупольным излучением; на вообще излучением мультиполя порядка.

Согласно теории таких переходов, разработанной Вейдзеккером, -кванты различной мультипольности возникают результате разных колебаний внутри ядра. Некоторые из этих процессов связаны с перераспределением электрических зарядов внутри ядра (электрические дипольное, квадрупольное и т. д. излучения), другие - с перераспределением токов или магнитных моментов нуклонов (магнитные дипольное, квадрупольное и т. д. излучения). моментами начального состояния ядра и конечного состояния ядра и моментом уносимым -квантом, должно существовать соотношение

Однако из классической электродинамики известно, что если размеры системы малы по сравнению с X, то интенсивности излучения различной мультипольности отличаются в меру фактора таким образом радиус ядра, К-длина волны излучения).