Ізомерія атомних ядер

Ядерний ізомер- метастабільний стан атомного ядра, обумовлений збудженим станом одного або кількох його нуклонів (протонів або нейтронів). Метастабільними прийнято називати ядра, період напіврозпаду яких на 2-3 порядки більше, ніж життя інших ядерних станів. Взагалі термін "метастабільний" зазвичай застосовують до станів з часом життя від 10 -9 секунд і більше.

Зазвичай, час життя цих станів набагато більше, ніж зазначена межа, і може становити хвилини, години, і (в одному випадку 180m Ta) приблизно 10-15 років.

Ядра ядерних ізомерів знаходяться у високому енергетичному стані, ніж незбуджені ядра, що знаходяться в так званому основному стані. У збудженому стані один із нуклонів ядра займає ядерну орбіталь з енергією вище, ніж вільна орбіталь з низькою енергією. Ці стани подібні до станів електронів в атомах.

Збуджені атомні стани позбавляються енергії шляхом флуоресценції, зазвичай випромінюючи хвилі в діапазоні видимого світла або близькому до нього. Перехід нуклонів з рівня на рівень енергетичніший, і супроводжується гамма-випромінюванням. Наприклад, добре відомий і широко використовується в медицині ізомер Tc-99m, що має період напіврозпаду близько 6 годин, випромінює γ-промені з енергії 140 кеВ.

2. Внутрішня конверсія

Метастабільні ізомери можуть також розпадатися шляхом внутрішньої конверсії - процесу, при якому надлишок енергії не випромінюється -променями, а передається одному з електронів атома. Цей процес можливий, якщо атомні електрони здатні проникати у ядро. У такому випадку, енергія ядра передається цьому електрону, внаслідок чого він набуває великої швидкості та енергії. Для збуджених ядер відомі також інші шляхи розпаду.

Є лише один достатньостабільний природний ядерний ізомер, що існує з часів первинного нуклеосинтезу – ізотоп танталу 180m Ta. Цей нуклід має довгий період напіврозпаду: 10 15 років.

3. Метастабільні ізомери

Метастабільні ізомериможуть бути отримані шляхом ядерного синтезу або іншою ядерною реакцією. Ядра, які продукуються в основному знаходяться в збудженому стані, і випромінюють гамма-кванти або конверсійні електрони. Однак іноді трапляється, що перехід до основного стану відбувається не так швидко. Це відбувається тому, що спин ядра у збудженні стані, конверсійному інтермедіаті та основному стані дещо відрізняються. Випромінювання гамма-променів гальмується, якщо різниця в Спіна є суттєвим, а енергія конверсії мала. У такому разі збуджений стан – добрий кандидат на метастабільність.

Метастабільні ізомери - це рідкісний вид ізотопів, що зазвичай позначають додатковим індексом "m" (а якщо ізомерів кілька, то m2, m3 і т.д.). Наприклад, Co-58m. Виростаючи індекси, m, m2, корелюють зі зростаючим рівнем енергії збудження ізомерного стану (наприклад, Hf-177m2).

Окремим видом метастабільних станів (ізомерів) є ізомери, що діляться абоshape isomer.Більшість ядер актиноїдів в основному стані не є сферичними, швидше за еліпсоїдальну, з віссю симетрії, є довшою за інші, подібно до м'яча в регбі, хоча і менше витягнуті. У деяких із них квантово-механічні стани можуть складатися з такого розподілу протонів та нейтронів, що перехід до основного стану утруднений. Система може релаксувати шляхом переходу в основний стан, або шляхом поділу ядра. Іноді ймовірність поділу набагато вища, ніж можливість переходу до основного стану. Ізоміри, що діляться зазвичайпозначають буквою "f" замість "m", наприклад, плутоній -240f або 240f Pu.

Більшість ядер у збудженому стані дуже нестабільні та випромінюють енергію майже миттєво (за час приблизно 10 -12 сек). Термін "метастабільне" застосовують для позначення ізомерів з часом життя понад 10 -9 сек. Квантова механіка припускає, що деякі ядерні ізомери матимуть досить довгий час життя та цікаві властивості. Не існує цілком стабільних ізомерів, але можуть існувати такі стабільні стани, що ядерні ізомери можна напрацювати в достатніх кількостях.

Найбільш стабільний та поширений ядерний ізомер, що зустрічається в природі, це ізомер 180m Ta, присутній у всіх зразках природного танталу у співвідношенні 1 до 8300. Період його напіврозпаду становить менше 10 15 років. Це значно більше, ніж вік Всесвіту. Ця дивовижна стабільність зумовлена тим, що енергія конверсії в основний стан мала, і перехід утруднений великою різницею в спину. Цікаво, що основний стан, ізотоп 180 Ta нестійкий, має період напіврозпаду всього 8 годин. Бета-розпад ізомеру в гафнії або вольфрамі також енергетично ускладнено за рахунок спинових особливостей переходу. Походження цього ізомеру є загадкою, але ймовірно він утворився під час спалахів наднових, як і більшість важких елементів. Перехід цього ізомеру до основного стану супроводжується випромінюванням фотону з енергією 75 keV. 1988 року було вперше повідомлено, що Ta-180m можна змусити вивільняти енергію шляхом опромінення рентгенівськими променями. Після 11-річної дискусії заява вчених була підтверджена 1999 р. Бєлік та ін. співробітниками Штутгартської групи ядерної фізики (Stuttgart nuclear physics group) [2] .

Інший відомий дужеСтабільний ядерний ізомер (з періодом напіврозпаду 31 рік) - це 178m2 Hf, що має найбільшу енергію конверсії з усіх відомих ізомерів із порівняним часом життя. 1 г цього ізомеру містить 1,33 гігаджоуля енергії, що еквівалентно 315 кг тротилу. Він розкладається шляхом випромінювання гамма-променів з енергією 2,45 MeV. Цей матеріал вважався здатним до вимушеної емісії, і розглядалася можливість створення його основі гамма-лазера. Як кандидати на цю роль розглядалися також інші ізомери, але поки що, незважаючи на активні зусилля, про позитивний результат не повідомлялося [3] [4] .

Гольмій також цікавий ізомер, 166m1 Ho, з періодом напіврозпаду 1200 років, що є періодом існування для всіх відомих радіоізотопів гольмію (стабільніший тільки Ho-163, що має період напіврозпаду 4570).

Торій -229 має напрочуд низьку енергію переходу до основного стану - лише 7,6? 0,5 еВ, передбачену на основі спектрометричних розрахунків. Цей ізомер розпадається, випромінюючи фотони з ядра в ультрафіолетовому діапазоні. Ці "ультрафіолетові гамма-промені" було зареєстровано лише одного разу [5], проте, як з'ясувалося надалі, помилково. Вони належали азоту у нестандартному стані збудження [6] .

4. Застосування

Ізомери гафнію [7] [8] та танталу [ ] Розглядалися як кандидати на матеріали для створення потужної зброї, яка могла б обійти Договір про нерозповсюдження ядерної зброї. DARPA має (принаймні мало) програму з дослідження обох цих ядерних ізомерів [9] . Створення матеріалів, здатних до вимушеної емісії, є сумнівним, але DARPA створило групу з 12 осіб для дослідження можливості виробництва цих матеріалів [10] .

Ізомер технеція Tc-99m (з періодом напіврозпаду 6,01 годин) таTc-95m (з періодом напіврозпаду 61 добу) знаходять застосування в медицині та техніці.

4.1. Ядерні електричні батареї

Дуже перспективне застосування ядерних ізомерів для створення ядерних електричних батарей. Ядерні ізомери можуть замінити інші ізотопи з перспективою створення батарей, які будуть виробляти енергію тільки тоді, коли це необхідно. Цю роль розглядаються кандидати 108 Ag, 166 Ho, 177 Lu, and 241 Am. Єдиним ізомером, де вдалося викликати ефект перемикання був 180 Ta, який, на жаль, потребував більше енергії для вимушеної емісії, ніж виробляв [11] .

Розпад ізомеру, такого як 177m Lu, відбувається через каскад енергетичних рівнів ядра, і вважається, що його можна застосувати для створення вибухових речовин і джерел енергії, які були б на кілька порядків потужнішими, ніж традиційні хімічні [11] .

5. Процеси розпаду

Ізомери переходять у стан з нижчою енергією двома основними типами ізомерних переходів

γ гамма-випромінюванням високоенергетичних фотонів;
внутрішньої конверсії (з іонізацією атома)

Ізомери також можуть перетворюватися на інші елементи. Наприклад, 177m Lu може понести бета-розпаду з періодом 160,4 діб, перетворюючись на 177 Hf, або зазнати внутрішньої конверсії на 177 Lu, який, у свою чергу, відчуває бета-розпаду на 177 Hf з періодом напіврозпаду 6,68 діб [ 11].