Изомерия атомных ядер. Ядерная изомерия Изомерия искусственных радиоактивных ядер

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.

Других ядерных состояний. Вообще, термин "метастабильное" обычно применяют к состояниям с временем жизни от 10 -9 секунд и более.

Обычно, время жизни этих состояний гораздо больше, чем указанная граница, и может составлять минуты, часы, и (в одном случае 180m Ta) примерно 10 15 лет.

1. Ядра

Ядра ядерных изомеров находятся в высоком энергетическом состоянии, чем невозбужденных ядра, находящихся в так называемом основном состоянии . В возбужденном состоянии один из нуклонов ядра занимает ядерное орбиталь с энергией выше, чем свободная орбиталь с низкой энергией. Эти состояния подобные состояний электронов в атомах.

Другой известный очень стабильный ядерный изомер (с периодом полураспада 31 год) - это 178m2 Hf, имеющий наибольшую энергию конверсии из всех известных изомеров с сопоставим временем жизни. 1 г этого изомера содержит 1,33 гигаджоуля энергии, что эквивалентно 315 кг тротила . Он разлагается путем излучения гамма-лучей с енергиею 2,45 MeV . Этот материал считался способным к вынужденной эмиссии, и рассматривалась возможность создания на его основе гамма-лазера. Как кандидаты на эту роль рассматривались также другие изомеры, но пока, несмотря на активные усилия, о положительном результате не сообщалось .

4. Применение

Распад изомера, такого как 177m Lu происходит через каскад энергетических уровней ядра, и считается, что его можно применить для создания взрывчатых веществ и источников энергии, которые были бы на несколько порядков мощнее, чем традиционные химические .

5. Процессы распада

Изомеры переходят в состояние с более низкой энергией двумя основными типами изомерных переходов

Изомеры также могут превращаться в другие элементы. Например, 177m Lu может понести бета-распада с периодом 160,4 суток, превращаясь на 177 , либо подвергнуться внутренней конверсии на 177 Lu, который, в свою очередь, испытывает бета-распада на 177 Hf с периодом полураспада 6,68 суток .

См.. также

6. References

1. CB Collins et al. Depopulation of the isomeric state 180 Ta m by the reaction 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rev. C. - Т. 37. - (1988) С. 2267-2269. DOI : 10.1103/PhysRevC.37.2267 .
2. D. Belic et al. Photoactivation of 180 Ta m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature"s Rarest Naturally Occurring Isotope / / Phys. Rev. Lett .. - Т. 83. - (1999) (25) С. 5242. DOI : 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
3. "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission" . UNH Nuclear Physics Group. 1997. Архив

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).

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.

Наибольший интерес представляют относительно стабильные 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» (UX 1), 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 изомерному и основному состояниям изотопа 234 Pa . 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. 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

Распад изомерных состояний может осуществляться путём:

• изомерного перехода в основное состояние (испусканием гамма-кванта или посредством внутренней конверсии);
• 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 .

Некоторые примеры

См. также

Примечания

1. Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нем.) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (англ.) русск. : magazin. - 1921. - Bd. 54 , Nr. 6 . - S. 1131-1142 . - DOI :10.1002/cber.19210540602 .
2. D. E. Alburger. Nuclear isomerism // Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - Т. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. - P. 1.
3. J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l"Académie des sciences (англ.) русск. : magazine. - 1935. - Vol. 200 . - P. 1201-1203 .
4. , с. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (англ.) // Naturwissenschaften (англ.) русск. : journal. - 1936. - Vol. 24 , no. 51 . - P. 813-814 .
6. Константин Мухин. Экзотическая ядерная физика для любознательных (рус.) // Наука и жизнь . - 2017. - № 4 . - С. 96-100 .
7. G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1-124. Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка) . Дата обращения 17 марта 2008.

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).

ИЗОМЕРИЯ ЯДЕРНАЯ

Существование у нек-рых ядер наряду с основным состоянием достаточно долгоживущих (метастабильных) возбуждённых состояний, наз. изомерными. Явление И. я. было открыто в 1921 О. Ганом (О. Hahn), к-рый обнаружил радиоакт. вещество, названное им ураном Z (UZ), имевшее тот же атомный номер Z и массовое число А, что и др. радиоакт, вещество UX 2 , но отличалось от него периодом полураспада. Оба вещества являлись продуктами р-распада одного и того же элемента UX 1 (234 90 Th). В дальнейшем выяснилось, что UZ и UX 2 - основное и изомерное состояния ядра 234 91 Pa (изомерное состояние обозначают индексом т, напр. 234m 91 Ра). В 1935 И. В. Курчатов, Б. В. Курчатов, Л. В. Мысовский и Л. И. Русинов обнаружили, что при облучении нейтронами стабильного изотопа 79 35 Вr образуется радиоакт. изотоп 80 35 Вr, имеющий два периода полураспада, что соответствовало распадам из основного и изомерного состояний. Дальнейшие исследования выявили большое число изомерных состояний ядер с разл. периодами полураспада от 3 . 10 6 лет (210m Bi) до неск. мкс и даже не. Мн. ядра имеют по 2 изомера, а, напр., 160 Но имеет 4 изомерных состояния. Гамма-излучение). Обычно это происходит, когда небольшая энергия перехода сочетается с большой разностью значений моментов кол-ва движения I (угл. моментов) нач. и конечного состояний. Чем выше мультипольность и чем меньше энергия hw перехода, тем меньше вероятность у-перехода. В нeк-рых случаях ослабление вероятности испускания g-квантов объясняется более сложными структурными особенностями состояний ядра, между к-рыми происходит переход (разное строение ядра в изомерном и нижележащем состоянии).На рис. 1 и 2 приведены фрагменты схем распада изомеров 234m 91 Pa и 80m 35 Br. В случае протактиния причина И. я.- малая энергия и высокая мультипольность ЕЗ g -перехода. Он столь затруднён, что в подавляющем числе случаев изомер испытывает b-распад (см. Бета-распад ядер). Для нек-рых изомеров изомерный переход часто становится вообще ненаблюдаемым. В случаe 80m 35 Вr И. я. обязана g-переходу мультипольности МЗ.
Рис. 1. Схема распада изомера 234m 91 Ра. Основное (0) и изомерное состояния выделены жирными линиями; слева указаны значения спинов и чётностей (I p), правее - мультипольность, энергии уровней (в кэВ) и периоды полураспада; в % даны вероятности различных каналов распада ядра из изомерного состояния.

Изомерное состояние в основном распадается через g-переход, но в 5 из 1000 случаев наблюдается альфа-распад. В приведённых примерах изомерные переходы сопровождаются испусканием в большинстве случаев не g-квантов, а конверсионных электронов (см. Конверсия внутренняя).

Рис. 2. Схема распада изомера 80m 35 Br; Э.
Рис. 3. Схема распада 242m 95 Am.

Большое число изомерных переходов мулътиполь-ности M4 наблюдается при "разрядке" возбуждённых состояний нечётных ядер, когда число протонов или нейтронов приближается к магич. числам (острова изомерии). Это объясняется оболочечной моделью ядра, как следствие заполнения нуклонами соседних, близких по энергии, но сильно отличающихсяпо спинам состояний g 9/2 и р 1/2 , а также h 11/2 и d 3/2 (g, р, h, d - обозначения орбитальных моментов нуклонов, индексы при них - значения спина).

Рис. 4. Схема распада 180m 72 Hf.

В отличие от приведённых примеров, изомерное состояние 180m 72 Hf (рис. 4) принадлежит стабильному ядру и имеет сравнительно большую энергию возбуждения. Причиной изомерии является сильно ослабленный g-пе-реход E1с энергией 57,6 кэВ, к-рый заторможен в 10 16 раз из-за структурных отличий состояний 8 - и 8 + . В 1962 в ОИЯИ был открыт новый вид И. я.- делительная изомерия. Оказалось, что у нек-рых изотопов трансурановых элементов U, Pu, Am, Cm и Bk есть возбуждённые состояния с энергией ~2-3 МэВ, к-рые распадаются путём спонтанного деления ядер. Предполагается, что этот вид И. я. объясняется различием формы ядер в изомерном и основном состояниях (см. Деление ядер). Высоковозбужденные изомерные состояния могут испытывать протонный распад (см. Протонная радиоактивность). Лит.: М у х и н К. Н., Экспериментальная ядерная физика 4 изд т. 1, М, 1983; Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пеp. с англ. в 3. М. , 1969; см. также лит. и табл. к ст. Нуклид. А. И. Феоктистов.

• - Об изомерии говорят в тех случаях, когда из многих однозначно действующих генов каждый в отдельности может обусловить один и тот же фенотипический эффект, а их общее присутствие в геноме или усиливает проявление...

  Термины и определения, используемые в селекции, генетике и воспроизводстве сельскохозяйственных животных

• - существование соединений, одинаковых по составу и мол. массе, но различных по физ. и хим. св-вам. Такие соед. наз. изомерами...

  Химическая энциклопедия

• - явление в химии, гл. обр. органической, к-рое заключается в существовании соединений, одинаковых по составу и мол. массе, но различающихся по строению или по расположению атомов в пространстве и вследствие...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - хим. соединений, явление, заключающееся в существовании изомеров - соединений, одинаковых по составу и мол. массе, но различающихся по порядку связи атомов, положению кратных связей или функц...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - в генетике существование нескольких генов, обусловливающих один и тот же фенотипический эффект...

  Большой медицинский словарь

• - - В 1824 г. Либихом и Гей-Люссаком был установлен состав гремучекислого серебра, при чем, на основании полученных данных, они признали безводную гремучую кислоту за соединение циана с кислородом С4N2O2 ...

  Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

• - химических соединений, явление, заключающееся в существовании веществ, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и вследствие этого по...

  Большая Советская энциклопедия

• - химических соединений, явление, заключающееся в существовании изомеров - соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и,...

  Большой энциклопедический словарь

• - Р., Д., Пр....

  Орфографический словарь русского языка

• - изомери́я ж. Химическое явление, заключающееся в существовании изомеров...

  Толковый словарь Ефремовой

• - ...

  Орфографический словарь-справочник

• - изомер"...

  Русский орфографический словарь

• - Свойство изомерных...

  Словарь иностранных слов русского языка

• - ...

  Формы слова

• - метамерия,...

  Словарь синонимов

• - Множество перестановок или размещений из n элементов по...

  Словарь лингвистических терминов Т.В. Жеребило

"ИЗОМЕРИЯ ЯДЕРНАЯ" в книгах

Ядерная изюминка