Изомерия искусственных радиоактивных ядер. Изомерия 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).

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 , 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 , а, напр., 160 Но имеет 4 изомерных состояния. Причиной И. я. является ослабление вероятности испускания g-квантов из возбуждённого состояния (см. 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 нек-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. Ядро из изомерного состояния (I p = 5 -) переходит в более низкое по энергии состояние (2 -), к-рое за небольшое время переходит в осн. состояние ядра 80 35 Вr. В случае ядра 242 Аm (рис. 3) И. я. связана с g-переходом мультипольности E4.

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.З--электронный захват.

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 отличающихся по 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 E1 с 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

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).

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