Форум Статьи Контакты
Строительство — возведение зданий и сооружений, а также их капитальный и текущий ремонт, реконструкция, реставрация и реновация.

Изомерия атомных ядер

Дата: 19-12-2020, 04:59 » Раздел: Статьи  » 

Изомерия атомных ядер — 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 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 180Hf).

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.

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» (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 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. 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 Nubase’1997 к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase’2003 и Nubase’2016 к ним добавлены состояния с периодом полураспада около 100 нс и более. На 2016 год известны всего 3437 нуклидов, из них 1318 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. 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

  • 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 — 7,1⋅1015 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. Ожидается, что 180mTa, как и любой другой ядерный изомер, 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.
  • В природном радиоактивном ряду урана 238U существует 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 76,0(4) электронвольта.
  • Изомер гафния-178 178m2Hf с периодом полураспада 31(1) 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, 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 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 количество изомеров (по шесть штук, не считая основного состояния) обнаружено у изотопов тантал-179 (179Ta) и радий-214 (214Ra).

(голосов:0)

Пожожие новости
Комментарии

Ваше Имя:   Ваш E-Mail: