Ядерная изомерия

Ядерная изомерия — это явление в ядерной физике, заключающееся в существовании возбуждённых состояний атомных ядер с аномально большим временем жизни (периодом полураспада) по сравнению с типичными временами жизни возбуждённых ядерных состояний. Такие долгоживущие возбуждённые ядра называются ядерными изомерами, а само состояние — изомерным. В отличие от обычных возбуждённых состояний, которые распадаются за времена порядка 10⁻¹² — 10⁻¹⁵ секунд, изомеры могут существовать от наносекунд до миллионов лет.

История открытия

Явление ядерной изомерии было открыто в 1921 году немецким радиохимиком Отто Ганом. При изучении бета-распада урана-238 он обнаружил, что образующийся изотоп протактиния-234 (UX₂) существует в двух формах с разными периодами полураспада: 6,7 часа и 1,17 минуты. Ган предположил, что эти формы являются разными изотопами, однако дальнейшие исследования показали, что они имеют одинаковый атомный номер и массовое число.

В 1935 году советский физик Игорь Курчатов вместе с братом Борисом Курчатовым и Львом Мысовским в Радиевом институте в Ленинграде экспериментально доказали, что изомеры — это различные энергетические состояния одного и того же ядра. Они наблюдали изомерию у изотопа брома-80, который после захвата нейтрона образовывался в двух формах с периодами полураспада 4,4 часа и 18 минут. Курчатов ввёл термин «ядерная изомерия» и заложил основы её теоретического описания.

Теоретическое объяснение явления было дано в 1936 году немецким физиком Карлом фон Вайцзеккером, который связал долгоживущие состояния с большим различием спинов основного и возбуждённого состояний ядра, что затрудняет переходы между ними.

Физическая природа

Механизмы возникновения

Ядерная изомерия возникает, когда возбуждённое состояние ядра не может быстро перейти в основное состояние из-за ограничений, накладываемых законами сохранения. Основные факторы, приводящие к изомерии:

1. Большое различие спинов (угловых моментов). Гамма-переходы между состояниями с сильно различающимися спинами (например, ΔI ≥ 3) имеют малую вероятность, так как для сохранения момента импульса требуется излучение гамма-кванта высокой мультипольности. Вероятность таких переходов резко падает с ростом мультипольности.

1. Малая энергия перехода. Если энергия возбуждения мала (менее 100 кэВ), то частота гамма-излучения низка, что увеличивает время жизни состояния.

1. Изменение формы ядра. В некоторых случаях возбуждённое состояние имеет существенно другую форму (например, сферическую вместо деформированной), что затрудняет переход.

1. K-изомерия. В деформированных ядрах проекция полного углового момента на ось симметрии ядра (K) может сохраняться. Переходы с изменением K требуют перестройки всей ядерной структуры и поэтому сильно замедлены.

Типы изомеров

По времени жизни изомеры условно делятся на три категории:

• Метастабильные — с периодом полураспада от наносекунд до секунд. Обозначаются символом m после массового числа (например, ⁸⁰ᵐBr).
• Долгоживущие — с периодом полураспада от секунд до лет. Обозначаются m1, m2 и т.д. для нескольких изомеров одного ядра.
• Стабильные изомеры — с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной (более 10¹⁰ лет). Такие изомеры практически не распадаются.

Свойства и характеристики

Энергия возбуждения

Энергия изомерного состояния обычно составляет от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Наиболее известные изомеры имеют энергии в диапазоне 100–500 кэВ. Например, изомер тантала-180ᵐ (¹⁸⁰ᵐTa) имеет энергию возбуждения 77 кэВ и является единственным природным ядерным изомером, существующим в заметных количествах.

Период полураспада

Периоды полураспада изомеров варьируются в широких пределах:

• ¹⁸⁰ᵐTa — более 10¹⁵ лет (практически стабилен)
• ²⁴²ᵐAm — 141 год
• ⁸⁰ᵐBr — 4,42 часа
• ¹³⁷ᵐBa — 2,55 минуты
• ⁹⁹ᵐTc — 6,01 часа (широко используется в медицине)

Каналы распада

Изомеры могут распадаться несколькими способами:

• Гамма-излучение — переход в основное состояние с испусканием гамма-кванта.
• Внутренняя конверсия — передача энергии возбуждения электрону внутренней оболочки атома, который вылетает из атома.
• Бета-распад — если изомерное состояние имеет достаточную энергию, возможен бета-распад в другое ядро.
• Деление — для тяжёлых изомеров (например, ²⁴²ᵐAm) возможен спонтанный или индуцированный делением.

Распространённость и обнаружение

Природные изомеры

В природе встречается только один стабильный ядерный изомер — ¹⁸⁰ᵐTa. Он составляет 0,012% природного тантала. Все остальные изомеры получают искусственно в ядерных реакциях.

Искусственные изомеры

Изомеры образуются в следующих процессах:

• Реакции с нейтронами (захват нейтрона, деление ядер)
• Реакции с заряженными частицами (протоны, дейтроны, альфа-частицы)
• Фотоядерные реакции (облучение гамма-квантами высокой энергии)
• Распад радиоактивных ядер (бета-распад может приводить к образованию изомеров)

На сегодняшний день известно более 800 ядерных изомеров у различных изотопов.

Применение

Медицина

Наиболее известное применение ядерных изомеров — в ядерной медицине. Изомер технеций-99ᵐ (⁹⁹ᵐTc) является основным радиофармпрепаратом для диагностических исследований. Он используется в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) для визуализации различных органов и систем:

• Сердечно-сосудистая система
• Костная ткань
• Щитовидная железа
• Печень и почки
• Головной мозг

Преимущества ⁹⁹ᵐTc: оптимальный период полураспада (6 часов), низкая энергия гамма-излучения (140 кэВ), отсутствие бета-излучения, что минимизирует дозу облучения пациента.

Энергетика и военные технологии

Изомеры рассматриваются как потенциальные источники энергии:

• ²⁴²ᵐAm (америций-242ᵐ) — изомер с периодом полураспада 141 год, который может использоваться в качестве топлива для ядерных батарей и в космических энергоустановках. Его критическая масса для цепной реакции деления составляет всего 3–5 кг, что значительно меньше, чем у плутония-239 (10 кг) или урана-235 (50 кг).
• ¹⁷⁸ᵐHf (гафний-178ᵐ) — изомер с энергией возбуждения 2,45 МэВ, который рассматривался для создания компактных источников гамма-излучения и даже для разработки «изомерных бомб» (гипотетическое оружие, основанное на стимулированном высвобождении энергии изомеров). Однако практическая реализация таких проектов остаётся под вопросом из-за низкой эффективности стимулирования распада.

Фундаментальные исследования

Ядерные изомеры используются для изучения структуры атомных ядер, механизмов ядерных реакций, свойств ядерной материи. Они также применяются в астрофизике для объяснения процессов нуклеосинтеза в звёздах.

Интересные факты

• ¹⁸⁰ᵐTa — единственный природный ядерный изомер, который существует в заметных количествах. Его период полураспада оценивается в 10¹⁵ лет, что в 70 000 раз больше возраста Вселенной.
• В 2019 году российские учёные из Объединённого института ядерных исследований в Дубне синтезировали новый изомер — ²⁵⁶ᵐRf (резерфордий-256ᵐ) с периодом полураспада около 6 миллисекунд.
• Существует гипотеза о возможности использования ядерных изомеров для создания «ядерного лазера» — устройства, способного генерировать когерентное гамма-излучение (гамма-лазер, или гразер).
• В 1990-х годах в США велись секретные исследования по созданию «изомерной бомбы» на основе гафния-178ᵐ, но проект был закрыт из-за технической нереализуемости.

Источники

• Ган О. «О радиоактивных изотопах урана» (1921)
• Курчатов И.В., Курчатов Б.В., Мысовский Л.В. «Изомерия ядер брома» (1935)
• Вайцзеккер К.Ф. «Теория ядерной изомерии» (1936)
• Мурин А.Н. «Ядерная изомерия» (1960)
• Физическая энциклопедия, том 5 — статья «Ядерная изомерия»
• Walker P.M., Dracoulis G.D. «Nuclear Isomers» (1999)