Изомери́я а́томных я́дер — 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, ⁸⁰Br^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: 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 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 основному и изомерному 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. Это положило основу систематического изучения данного явления.

§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^[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:

• 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

• ^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 — 1,2·10¹⁵ лет^[2]. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,152(6) часа^[2]. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9^−[2]. Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(13) кэВ^[2]) изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. Ожидается, что ^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^[2]).

• У ядра урана-235 обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень ^235mU (период полураспада 26 минут^[2]), отстоящий от основного уровня лишь на 76,5(4) электронвольт^[2].

• ^178m2Hf с периодом полураспада 31(1) год^[2] (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 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.

• ^192m2Ir имеет период полураспада 241(9) год^[2]. Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и гафний-178m2.

• ⁹⁰Nb имеет 5 ядерных изомеров.

§См. также

• Химический элемент
• Нуклид
• Изотоп

§Примечания