Наносекунды: 2. Коллективные явления

Из рассуждений на предыдущей странице можно сделать любопытный вывод: в наносекундный интервал попадают разнообразные коллективные атомные явления. Это такие процессы, в которых движений отдельных молекул синхронизуется в нечто цельное, совместное, в какое-то единое физическое явление. Вот некоторые примеры таких эффектов.

• Кристаллизация, плавление, растворение, горение и прочие физико-химические процессы в веществе. Обратите внимание: под словом «плавление» здесь имеется в виду не таяние всего кубика льда целиком — это, конечно, очень долгий процесс, — а локальное плавление, превращение льда в воду в микроскопическом объемчике. Если в этот объемчик льда поступило лишнее тепло, молекулы стали дергаться сильнее, связи начали рваться, упорядоченное расположение молекул в кристалле нарушается, а затем и вовсе исчезает — и молекулы воды сходят со своих насиженных мест и начинают блуждать вокруг. Вот этот процесс и есть локальное плавление.


• Образование наноразмерных объектов, предвестников будущих крупных измерений в веществе. Эти наноразмерные объекты могут быть разные: зародыш трещины в твердом теле при нагрузке, наноразмерная капелька, на которой в будущем вырастет полноценная капля дождя, мельчайший пузырек пара в перегретой жидкости, предвестник вскипания.


• Сюда же относится и формирование сложных биологически важных молекул. Например, ключевые этапы фолдинга белков — сложного процесса самостоятельной упаковки белковой молекулы в наиболее энергетически выгодное состояние — занимают наносекунды. В уже собранном, рабочем виде белки выполняют свои биологические функции, и их элементарные шаги тоже занимают наносекунды.


• Поведение «чужих» атомов на атомарно гладкой поверхности кристалла. Если атом попал на поверхность кристалла и не связался с ней химической связью, он не обязан лежать в каком-то определенном месте поверхности, а может прыгать из одного узла в другой. Однако при не слишком высоких температурах эти прыжки происходят намного реже, чем период теплового колебания атома туда-сюда.

Приведенные здесь примеры служат хорошей иллюстрацией для той общей тенденции к замедлению, которую мы упоминали на страничке про тонкости оценки времен. Отдельные молекулы очень юркие, и их «родной» временной масштаб совсем иной — пико- или даже фемтосекунды. Однако для возникновения нового эффекта им требуется выполнить много таких рывков и тем самым попытаться скоординировать свои действия. И вот тогда на наносекундном масштабе из очень большого числа рывков туда-сюда может возникнуть новое, коллективное явление.

---

0

Написать комментарий

Вход в систему

Изомерия атомных ядер — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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.

Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году^[1], 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^[2]. В 1935 году^[3]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^[4]. Всё это положило основу систематического изучения данного явления. Теоретически ядерная изомерия была описана Карлом Вайцзеккером в 1936 году^[5][6].

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^[7] к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase’2003^[8] и Nubase’2016

[9] 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^[9].

Распад изомерных состояний может осуществляться путём:

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.

• 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^[9]. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,154(6) часа^[9]. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9^−[8]. Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(14) кэВ^[9]) 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.

• У ядра урана-235 обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень ^235mU (период полураспада 25,7(1) минуты^[9]), отстоящий от основного уровня лишь на 76,0(4) электронвольта^[9].

• Изомер гафния-178 ^178m2Hf с периодом полураспада 31(1) год^[9] (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^[10]

• Изомер иридия-192 ^192m2Ir имеет период полураспада 241(9) год и энергию возбуждения 168,14(12) кэВ^[9]. 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)^[9].

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. — 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. ↑ Русинов, 1961, 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. Архивировано 4 мая 2006 года.
8. ↑ ^{1 2} Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729….3A.
9. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11} Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — DOI:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode: 2017ChPhC..41c0001A.
10. ↑ Ткаля Е. В. Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба» // Успехи физических наук : журнал. — 2005. — Т. 175, № 5. — С. 555—561.

Изомерия атомных ядер — это… Что такое Изомерия атомных ядер?

Изомери́я а́томных я́дер — явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни.

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 (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.

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.

Время жизни изомерных состояний превышает доли микросекунды (и может измеряться годами), тогда как типичное время жизни неизомерных возбуждённых состояний порядка пикосекунд и меньше. Важно, что 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

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.

Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у ¹⁸⁰Hf).

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, ^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.

Некоторые примеры

• радионуклид) и встречается в естественном тантале в соотношении 1 к 8300. Хотя ^180mTa теоретически может распадаться как минимум тремя путями (изомерный переход, бета-минус-распад, электронный захват), но ни один из них экспериментально не был обнаружен, нижнее ограничение на его период полураспада — 1,2·10^15[2] лет. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,152(6)^[2] часа. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9^−[2]. Изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(13)^[2] кэВ; ввиду близости энергий и высокой разности спинов состояний изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. В принципе ^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 3,04·10^6[2] лет).

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

• Другой, весьма интересный изомер — ^178m2Hf с периодом полураспада 31(1)^[2] 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, идет обсуждение возможности искусственного перевода ^178m2Hf в основное состояние. Полученные (но неподтверждённые в других экспериментах) результаты говорят об очень быстром освобождении энергии (мощность порядка экзаватт). В принципе 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.

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

Примечания

Литература

1. Л. И. Русинов // Изомерия атомных ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630.
2. Е. В. Ткаля. // Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба». УФН. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561.

См. также

Атомное ядро — Википедия

А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Атомные ядра изучает ядерная физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным ℏ/2=h/4π{\displaystyle \hbar /2=h/4\pi }^{[сн 1]} и связанным с ним магнитным моментом. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий).

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.
В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы, у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z{\displaystyle Z} — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N{\displaystyle N}^{[источник не указан 159 дней (обс.)]}. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A{\displaystyle A} (A=N+Z{\displaystyle A=N+Z}) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами^[1][2][3].

В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил^[4]:

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. В 1921 году Лиза Мейтнер предложила^[5] первую, протон-электронную, модель строения атомного ядра, согласно которой оно состоит из протонов, электронов и альфа-частиц^[6]:96. Однако в 1929 году произошла «азотная катастрофа» — В. Гайтлер и Г. Герцберг установили^[7], что ядро атома азота подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна, а не статистике Ферми — Дирака, как предсказывала протон-электронная модель^[8][9]:374. Таким образом, эта модель вступила в противоречие с экспериментальными результатами измерений спинов и магнитных моментов ядер^[10]. В 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко^[11] и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена^[12].

Теории строения атомного ядра[править | править код]

В процессе развития физики выдвигались различные гипотезы строения атомного ядра; тем не менее, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели могут взаимоисключать друг друга.

Наиболее известными являются следующие:

Зарядовым числом Z{\displaystyle Z} полностью определяется химический элемент. Парой чисел Z{\displaystyle Z} и A{\displaystyle A} (массовое число) полностью определяется нуклид. Можно рассмотреть некоторые ядерно-физические характеристики нуклидов с заданными зарядовыми и массовыми числами.

Заряд[править | править код]

Число протонов в ядре Z{\displaystyle Z} определяет непосредственно его электрический заряд; у изотопов одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Ядерные свойства изотопов элемента, в отличие от химических, могут различаться чрезвычайно резко^[1].

Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году. Свои экспериментальные наблюдения учёный интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы Z{\displaystyle Z}, изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

1/λ=aZ−b{\displaystyle {\sqrt {1/\lambda }}=aZ-b}, где

a{\displaystyle a} и b{\displaystyle b} — постоянные.

Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли^[2].

Масса[править | править код]

Из-за разницы в числе нейтронов A−Z{\displaystyle A-Z} изотопы элемента имеют разную массу M(A,Z){\displaystyle M(A,Z)}, которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м.), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида ¹²C^{[сн 2]}. Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида — это масса нейтрального атома. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы M{\displaystyle M} соответствует полная энергия:

E=Mc2{\displaystyle E=Mc^{2}}, где c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме.

Соотношение между а. е. м. и её энергетическим эквивалентом в джоулях:

E1=1,660539⋅10−27⋅(2,997925⋅108)2=1,492418⋅10−10{\displaystyle E_{1}=1{,}660539\cdot 10^{-27}\cdot (2{,}997925\cdot 10^{8})^{2}=1{,}492418\cdot 10^{-10}},

а так как 1 электронвольт = 1,602176⋅10⁻¹⁹ Дж, то энергетический эквивалент а. е. м. в МэВ равен^[1][3]:

E1=931,494{\displaystyle E_{1}=931{,}494}.

Радиус[править | править код]

Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда^{[сн 3]} и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:

R=r0A1/3{\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}},

где r0{\displaystyle r_{0}} — константа.

Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил, то значение r0{\displaystyle r_{0}} зависит от процесса, при анализе которого получено значение R{\displaystyle R}, усреднённое значение r0=1,23⋅10−15{\displaystyle r_{0}=1{,}23\cdot 10^{-15}} м, таким образом радиус ядра в метрах^[1][2]:

R=1,23⋅10−15A1/3{\displaystyle R=1{,}23\cdot 10^{-15}A^{1/3}}.

Моменты ядра[править | править код]

Как и составляющие его нуклоны, ядро имеет собственные моменты.

Спин[править | править код]

Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным 1/2{\displaystyle 1/2}, то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения ℏ{\displaystyle \hbar } (постоянная Дирака). Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.

Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких ℏ{\displaystyle \hbar }, что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д.^[2].

Магнитный момент[править | править код]

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов. Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами, наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса.

Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона^[10].

Электрический квадрупольный момент[править | править код]

Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольные моменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина (веретенообразное тело), и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина (чечевицеобразное тело). Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии у электрического поля, создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры, расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента^[2].

Энергия связи[править | править код]

Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерных сил, поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткодействующими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре.

Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением:

ΔM(Z,A)=Zmp+(A−Z)mn−M(Z,A){\displaystyle \Delta M(Z,A)=Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-M(Z,A)},

где mp{\displaystyle m_{p}} и mn{\displaystyle m_{n}} — массы свободного протона и нейтрона, M(Z,A){\displaystyle M(Z,A)} — масса ядра.

Согласно принципу эквивалентности массы и энергии дефект массы представляет собой массу, эквивалентную работе, затраченной ядерными силами, чтобы собрать все нуклоны вместе при образовании ядра. Эта величина равна изменению потенциальной энергии нуклонов в результате их объединения в ядро.

Энергия, эквивалентная дефекту массы, называется энергией связи ядра и равна:

Ec=(Zmp+(A−Z)mn−M(Z,A))c2{\displaystyle E_{c}=(Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-M(Z,A))c^{2}},

где c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме.

Другим важным параметром ядра является энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, которую можно вычислить, разделив энергию связи ядра на число содержащихся в нём нуклонов:

ε=EcA{\displaystyle \varepsilon ={\frac {E_{c}}{A}}}

Эта величина представляет собой среднюю энергию, которую нужно затратить, чтобы удалить один нуклон из ядра, или среднее изменение энергии связи ядра, когда свободный протон или нейтрон поглощается в нём.

Как видно из поясняющего рисунка, при малых значениях массовых чисел удельная энергия связи ядер резко возрастает и достигает максимума при A≈50÷60{\displaystyle A\approx 50\div 60} (примерно 8,8 Мэв). Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом A{\displaystyle A} средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение энергии почти постоянно (ϵ≈8{\displaystyle \epsilon \approx 8} МэВ), из чего следует, что можно записать Ec≈ϵA{\displaystyle E_{c}\approx \epsilon A}.

Такой характер поведения средней энергии связи указывает на свойство ядерных сил достигать насыщения, то есть на возможность взаимодействия нуклона только с малым числом «партнёров». Если бы ядерные силы не обладали свойством насыщения, то в пределах радиуса действия ядерных сил каждый нуклон взаимодействовал бы с каждым из остальных и энергия взаимодействия была бы пропорциональна A(A−1){\displaystyle A(A-1)}, а средняя энергия связи одного нуклона не была бы постоянной у разных ядер, а возрастала бы с ростом A{\displaystyle A}.

Общая закономерность зависимости энергии связи от массового числа описывается формулой Вайцзеккера в рамках теории капельной модели ядра^{[1][2][13][14]}.

Зависимость числа нейтронов N от числа протонов Z в атомных ядрах (N=A-Z).

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми A{\displaystyle A} энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими A{\displaystyle A} — процесс деления. В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики, а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что устойчивость ядер также существенно зависит от параметра N/Z{\displaystyle N/Z} — отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер^[15]N/Z≈1+0.015A2/3{\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^{2/3}}, поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при N≈Z{\displaystyle N\approx Z}, а с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону N>Z{\displaystyle N>Z}(см. поясняющий рисунок).

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениям Z{\displaystyle Z} и N{\displaystyle N}. Все ядра с нечётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов 12H{\displaystyle {}_{1}^{2}{\textrm {H}}}, 36Li{\displaystyle {}_{3}^{6}{\textrm {Li}}}, 510B{\displaystyle {}_{5}^{10}{\textrm {B}}}, 714N{\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}}. Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных A{\displaystyle A} часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее — нечётно-нечётные. Это явление свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами, что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от A{\displaystyle A}^[1].

Z	N=A-Z	A	Число нуклидов
Чётное	Чётное	Чётное	167
Чётное	Нечётное	Нечётное	55
Нечётное	Чётное	Нечётное	53
Нечётное	Нечётное	Чётное	4

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов^[2].

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами^[2].

В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения (так называемый непрерывный спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике, могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро — система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным. Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние.

Расположение энергетических уровней ядра в первом приближении:

D=ae−bE∗{\displaystyle D=ae^{-b{\sqrt {E^{*}}}}}, где:

D{\displaystyle D} — среднее расстояние между уровнями,

E∗{\displaystyle E^{*}} — энергия возбуждения ядра,

a{\displaystyle a} и b{\displaystyle b} — коэффициенты, постоянные для данного ядра:

a{\displaystyle a} — среднее расстояние между первыми возбуждёнными уровнями (для лёгких ядер примерно 1 МэВ, для тяжёлых — 0,1 МэВ)

b{\displaystyle b} — константа, определяющая скорость сгущения уровней при увеличении энергии возбуждения (для лёгких ядер примерно 2 МэВ^−1/2, для тяжёлых — 4 МэВ^−1/2).

С ростом энергии возбуждения уровни сближаются быстрее у тяжёлых ядер, также плотность уровней зависит от чётности числа нейтронов в ядре. Для ядер с чётными (особенно магическими) числами нейтронов плотность уровней меньше, чем для ядер с нечётными, при равных энергиях возбуждения первый возбуждённый уровень в ядре с чётным числом нейтронов расположен выше, чем в ядре с нечётным.

Во всех возбуждённых состояниях ядро может находиться лишь конечное время, до тех пор, пока возбуждение не будет снято тем или иным путём. Состояния, энергия возбуждения которых меньше энергии связи частицы или группы частиц в данном ядре, называются связанными; в этом случае возбуждение может сниматься лишь гамма-излучением. Состояния с энергией возбуждения, превышающей энергию связи частиц, называются квазистационарными. В этом случае ядро может испустить частицу или гамма-квант^[1].

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом.

Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление получило название радиоактивности.

Для обозначения атомных ядер используется следующая система:

• в середине ставится символ химического элемента, что однозначно определяет зарядовое число Z{\displaystyle Z} ядра;
• слева сверху от символа элемента ставится массовое число A{\displaystyle A}.

Таким образом, состав ядра оказывается полностью определён, так как N=A−Z{\displaystyle N=A-Z}.

Пример такого обозначения:

238U{\displaystyle {}^{238}{\textrm {U}}} — ядро урана-238, в котором 238 нуклонов, из которых 92 — протоны, так как элемент уран имеет 92-й номер в таблице Менделеева.

Иногда, однако, для полноты вокруг обозначения элемента указывают все характеризующие ядро его атома числа:

• слева снизу — зарядовое число Z{\displaystyle Z}, то есть, то же самое, что указано символом элемента;
• слева сверху — массовое число A{\displaystyle A};
• справа снизу — изотопическое число N{\displaystyle N}^[

Изомерия атомных ядер — это… Что такое Изомерия атомных ядер?

Изомери́я а́томных я́дер — явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни.

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 (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.

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.

Время жизни изомерных состояний превышает доли микросекунды (и может измеряться годами), тогда как типичное время жизни неизомерных возбуждённых состояний порядка пикосекунд и меньше. Важно, что 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

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.

Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у ¹⁸⁰Hf).

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, ^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.

Некоторые примеры

• радионуклид) и встречается в естественном тантале в соотношении 1 к 8300. Хотя ^180mTa теоретически может распадаться как минимум тремя путями (изомерный переход, бета-минус-распад, электронный захват), но ни один из них экспериментально не был обнаружен, нижнее ограничение на его период полураспада — 1,2·10^15[2] лет. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,152(6)^[2] часа. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9^−[2]. Изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(13)^[2] кэВ; ввиду близости энергий и высокой разности спинов состояний изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. В принципе ^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 3,04·10^6[2] лет).

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

• Другой, весьма интересный изомер — ^178m2Hf с периодом полураспада 31(1)^[2] 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, идет обсуждение возможности искусственного перевода ^178m2Hf в основное состояние. Полученные (но неподтверждённые в других экспериментах) результаты говорят об очень быстром освобождении энергии (мощность порядка экзаватт). В принципе 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.

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

Примечания

Литература

1. Л. И. Русинов // Изомерия атомных ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630.
2. Е. В. Ткаля. // Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба». УФН. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561.

См. также

что такое в Терминах атомной энергетики

Смотреть что такое ЯВЛЕНИЯ в других словарях:

Все значение (11) шт здесь, краткое описание ↓↓↓

ЯВЛЕНИЯ

корень — ЯВЛ; суффикс — ЕНИ; окончание — Я; Основа слова: ЯВЛЕНИВычисленный способ образования слова: Суффиксальный∩ — ЯВЛ; ∧ — ЕНИ; ⏰ — Я; Слово Явлен

ЯВЛЕНИЯ

с. мн. ч. fenomeni m pl ( см. тж явление) — астрономические явления- атмосферные явления- вулканические явления- геофизические явления- земные явления

ЯВЛЕНИЯ

n, pl Erscheinungen f, pl вторичные явлениянасильственные явленияостаточные явленияпобочные явления

ЯВЛЕНИЯ

результаты влияния биосферы на поведение человека и этнического коллектива.

ЯВЛЕНИЯ

з’явы, з’яў- явления гальваномагнитные- явления динамические- явления поляризационные

ЯВЛЕНИЯ АНОМАЛЬНЫЕ

ЯВЛЕНИЯ АНОМАЛЬНЫЕ (греч. anomalia — отклонение от нормы) — явления физического мира не укладывающиеся в рамки естественнонаучных представлений, т.е. н

ЯВЛЕНИЯ БОР

— приливные волны высотой до 9 м со скоростью до 16 км/ч. Наблюдаются в некоторых прибрежных р-нах (побережье Англии, Франции и др.).Геологический слов

ЯВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ

— процессы, возникающие в природной обстановке под воздействием строительства и эксплуатации разл. инженерных сооружений. К типичным Я. и.-г. относятся

ЯВЛЕНИЯ МАССОВИДНЫЕ

сходство психич. состояний, настроений, стереотипов, установок, поведенческих реакций в рамках большой социальной группы, обусловленное механизмами зар

ЯВЛЕНИЯ МАССОВИДНЫЕ

— сходство психических состояний, настроений, стереотипов, установок, поведенческих реакций в рамках большой социальной группы, обусловленное механизма

ЯВЛЕНИЯ ОСОБОГО ТИПА

ЯВЛЕНИЯ ОСОБОГО ТИПА — анализы и статистические исследования большого массива уфологических данных (разных стран) показывают: необъясненные НЛО (см. «И

ЯВЛЕНИЯ ПАРАВУЛКАНИЧЕСКИЕ

Ceze, 1943,—все вторичные проявления вулк. явлений на поверхности.Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра.Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др

ЯВЛЕНИЯ ПСИХОФИЗИЧЕСКИЕ

ЯВЛЕНИЯ ПСИХОФИЗИЧЕСКИЕ — согласно работе амер. исследователя Р.Г.Джана, под это определение (иначе — оккультные, парапсихологические, паранормальные,

ЯВЛЕНИЯ ТРЕВОЖНОГО РЯДА

Автор. Ф.Б.Березин. Категория. Динамика эмоциональных состояний при нарастании тревоги. Специфика. При относительно небольшой степени тревоги возн

ЯВЛЕНИЯ ТРЕВОЖНОГО РЯДА

Явления тревожного ряда — понятие, введенное Ф.Б. Березиным для обозначения смены эмоциональных состояний при нарастании тревоги — . При относительно

Изомерия атомных ядер — это… Что такое Изомерия атомных ядер?

Изомери́я а́томных я́дер — явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни.

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 (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.

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.

Время жизни изомерных состояний превышает доли микросекунды (и может измеряться годами), тогда как типичное время жизни неизомерных возбуждённых состояний порядка пикосекунд и меньше. Важно, что 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

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.

Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у ¹⁸⁰Hf).

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, ^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.

Некоторые примеры

• радионуклид) и встречается в естественном тантале в соотношении 1 к 8300. Хотя ^180mTa теоретически может распадаться как минимум тремя путями (изомерный переход, бета-минус-распад, электронный захват), но ни один из них экспериментально не был обнаружен, нижнее ограничение на его период полураспада — 1,2·10^15[2] лет. В то же время основное состояние ¹⁸⁰Ta бета-активно с периодом полураспада 8,152(6)^[2] часа. Спин и чётность основного состояния равны 1⁺, изомера — 9^−[2]. Изомерный уровень лежит выше основного состояния на 75,3(13)^[2] кэВ; ввиду близости энергий и высокой разности спинов состояний изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. В принципе ^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 3,04·10^6[2] лет).

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

• Другой, весьма интересный изомер — ^178m2Hf с периодом полураспада 31(1)^[2] 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, идет обсуждение возможности искусственного перевода ^178m2Hf в основное состояние. Полученные (но неподтверждённые в других экспериментах) результаты говорят об очень быстром освобождении энергии (мощность порядка экзаватт). В принципе 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.

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

Примечания

Литература

1. Л. И. Русинов // Изомерия атомных ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630.
2. Е. В. Ткаля. // Индуцированный распад ядерного изомера ^178m2Hf и «изомерная бомба». УФН. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561.

См. также