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).
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
- 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 .
- 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 .
- "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission" . UNH Nuclear Physics Group. 1997. Архив
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).
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
- Л. И. Русинов // Изомерия атомных ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630 .
- 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.
