Изомерия атомных ядер

Изомери́я атомных ядер

Существование у некоторых атомных ядер метастабильных состояний — возбуждённых состояний с относительно большими временами жизни (см. Ядро атомное). Некоторые атомные ядра имеют несколько изомерных состояний с разными временами жизни. Понятие И. а. я. Возникло в 1921, когда немецким физиком О. Ганом было открыто радиоактивное вещество уран Z (UZ), которое как по химическим свойствам, так и по массовому числу (См. Массовое число) не отличалось от известного тогда урана UX₂. Позднее было установлено, что UZ и UX₂ — два состояния одного и того же изотопа ²³⁴Pa с разными энергией и периодом полураспада. По аналогии с изомерными органическими соединениями (см. Изомерия химических соединений) UZ и UX₂ стали называться ядерными изомерами. В 1935 Б. В. Курчатовым, И. В. Курчатовым, Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым было обнаружено изомерное состояние у искусственного радиоактивного изотопа брома ⁸⁰Br, что послужило началом систематического изучения И. а. я. Известно большое число изомерных состояний с периодами полураспада от 10^-6 сек до многих лет. Одним из наиболее долгоживущих изомеров является ²³⁶Np с периодом полураспада 5500 лет.

Распад изомеров чаще всего сопровождается испусканием конверсионных электронов (см. Конверсия внутренняя) или γ-квантов; в результате образуется ядро того же изотопа, но в более низком энергетическом состоянии. Иногда более вероятным является Бета-распад, который приводит к возникновению изотопа другого элемента (рис.). Изомеры тяжёлых элементов могут распадаться путём самопроизвольного деления (см. Ядра атомного деление).

И. а. я. обусловлена особенностями структуры атомных ядер. Изомерные состояния образуются в тех случаях, когда переход ядра из состояния с большей энергией в более низкое энергетическое состояние путём испускания γ-кванта затруднён. Чаще всего это связано с большим различием в значениях Спинов S ядер в этих состояниях. Если при этом различие энергии в двух состояниях невелико, то вероятность испускания γ-кванта становится малой и, как следствие, период полураспада возбуждённого состояния оказывается большим. Изомеры особенно часто встречаются у ядер в определённых областях значений массовых чисел (острова изомерии). Этот факт объясняет оболочечная модель ядра, которая предсказывает существование близких по энергии ядерных уровней с большим различием спинов при определённых значениях чисел протонов и нейтронов, входящих в состав ядра (см. Ядерные модели). В некоторых случаях (например, для ¹⁸⁰Hf) возникновение изомеров связано с существенным различием формы ядра в двух близких энергетических состояниях, что также приводит к уменьшению вероятности γ-излучения.

Лит.: Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, М., 1963; Мошковский С., Теория мультипольного излучения, в кн.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 3, М., 1969, с. 5.

Н. Н. Делягин.

Рис. к статье Изомерия атомных ядер.