79.173.85.181: /* Примечания */

2026-01-12T01:12:50Z

Примечания

Новая страница

'''Изомери́я а́томных я́дер''' — явление существования у [[Атомное ядро|ядер атомов]] [[Метастабильное состояние|метастабильных]] (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим [[Время жизни квантовомеханической системы|временем жизни]].

Изомерные состояния отличаются от обычных возбуждённых состояний ядер тем, что [[вероятность перехода]] во все нижележащие состояния для них сильно подавлена [[правила запрета|правилами запрета]] по [[спин]]у и [[Чётность (физика)|чётности]]. В частности, подавлены переходы с высокой [[мультипольность]]ю (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 {{lang-en|metastable}}) в индексе массового числа (например, 80''m''Br). 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: ''m''1, ''m''2 и т. д.

Наибольший интерес представляют метастабильные изомеры с временами полураспада от 10−6 сек до многих лет.

== История ==
Понятие изомерии атомных ядер возникло в [[1921 год]]у<ref>{{статья |автор=[[Ган, Отто|Hahn O.]] |заглавие=Über eine neue radioaktive Substanz im Uran |издание={{Нп3|Chemische Berichte|Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft||Chemische Berichte}}|год=1921 |том=54 |номер=6 |doi=10.1002/cber.19210540602 |страницы=1131—1142 |язык=de}}</ref>, когда немецкий [[физик]] [[Ган, Отто|О. Ган]], изучая [[бета-распад]] [[торий-234|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 [[изотоп]]а [[Протактиний-234|234Pa]]<ref>{{книга|автор=Alburger D. E. |ответственный=S. Flügge|заглавие=Handbuch der physik|часть=Nuclear isomerism|том=42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III||издательство=Springer-Verlag|год=1957|ссылка часть=https://books.google.com/books?id=FqT1CAAAQBAJ&pg=PA1|pages=1}}</ref>. В [[1935 год]]у<ref>{{статья |ссылка=https://archive.org/stream/ComptesRendusAcademieDesSciences0200/ComptesRendusAcadmieDesSciences-Tome200-Janvier-juin1935#page/n1199/mode/2up |автор=Kourtchatow I. V., Kourtchatow B. V., Myssowsky L. V., Roussinow L. I. |заглавие=Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron |год=1935 |язык=fr |издание={{Нп3|Comptes rendus de l'Académie des Sciences|Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences||Comptes rendus de l'Académie des Sciences}} |том=200 |страницы=1201—1203}}</ref> [[Курчатов, Борис Васильевич|Б. В. Курчатовым]], [[Курчатов, Игорь Васильевич|И. В. Курчатовым]], [[Мысовский, Лев Владимирович|Л. В. Мысовским]] и [[Русинов, Лев Ильич|Л. И. Русиновым]] был обнаружен изомер искусственного изотопа [[бром]]а [[изотопы брома|80Br]], образующийся наряду с основным состоянием ядра при захвате [[нейтрон]]ов стабильным 79Br. Через три года под руководством И. В. Курчатова было установлено, что изомерный переход брома-80 происходит в основном путём [[внутренняя конверсия|внутренней конверсии]], а не испусканием [[гамма-квант]]ов{{sfn|Русинов|1961|с=617}}. Всё это положило основу систематического изучения данного явления. Теоретически ядерная изомерия была описана [[Вайцзеккер, Карл Фридрих фон|Карлом Вайцзеккером]] в 1936 году<ref>{{статья |автор=[[Вайцзеккер, Карл Фридрих фон|von Weizsäcker C.]] |заглавие=Metastabile Zustände der Atomkerne |издание={{Нп3|Naturwissenschaften|Naturwissenschaften|en|The Science of Nature}} |год=1936 |том=24 |страницы=813—814 |номер=51 |язык=de |тип=journal}}</ref><ref>{{статья|автор=Мухин К. |заглавие=Экзотическая ядерная физика для любознательных |издание=[[Наука и жизнь]] |номер=4 |год=2017 |страницы=96—100 |язык=ru }}</ref>.

== Физические свойства ==
[[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 Nubase1997<ref name="Nubase1997">{{статья|автор=Audi G. et al.|заглавие=The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties|издание=Nuclear Physics A|год=1997|том=624|выпуск=1|номер=|страницы=1–124|ссылка=http://amdc.in2p3.fr/nubase/nubase1997/nubase97.pdf|doi=10.1016/S0375-9474(97)00482-X|arxiv=|bibcode=|язык=en|archivedate=2024-09-03|archiveurl=https://web.archive.org/web/20240903194647/http://amdc.in2p3.fr/nubase/nubase1997/nubase97.pdf}}</ref> к изомерам отнесены возбуждённые состояния с периодом полураспада более 1 мс, тогда как в более новых версиях этого справочника Nubase2003<ref name="Nubase2003">{{Справочник:Nubase2003}}</ref>, Nubase2016<ref name="Nubase2016">{{Справочник:Nubase2016}}</ref> и Nubase2020<ref name=Nubase2020>{{Nubase2020}}</ref> к ним добавлены состояния с периодом полураспада около {{nobr|100 нс}} и более. На 2020 год известны всего 3340 нуклидов, из них 1938 нуклидов имеют одно или более изомерных состояний с периодом полураспада, превышающим {{nobr|100 нс}}<ref name=Nubase2020/>.

Распад изомерных состояний может осуществляться путём:
* [[изомерный переход|изомерного перехода]] в основное состояние (испусканием [[гамма-квант]]а или посредством [[внутренняя конверсия|внутренней конверсии]]);
* [[альфа-распад]]а;
* [[бета-распад]]а и [[электронный захват|электронного захвата]];
* [[спонтанное деление|спонтанного деления]] (для тяжёлых ядер);
* [[протонная радиоактивность|излучения протона]] (для высоковозбуждённых изомеров).
Вероятность конкретного варианта распада определяется внутренней структурой ядра и его энергетическими уровнями (а также уровнями ядер — возможных продуктов распада).

В некоторых областях значений [[массовое число|массовых чисел]] существуют т. н. [[острова изомерии]] (в этих областях изомеры встречаются особенно часто). Это явление объясняется [[оболочечная модель ядра|оболочечной моделью ядра]], которая предсказывает существование в нечётных ядрах энергетически близких ядерных уровней с большим различием спинов, когда число протонов или нейтронов близко к [[Магические числа (физика)|магическим числам]].

== Некоторые примеры ==
* Изомер [[изотопы тантала|тантала-180]] (180mTa) — единственный стабильный (в пределах чувствительности современных методик) изомер. В отличие от радио- или космогенных короткоживущих [[радионуклид]]ов, он существует в земной коре с момента её формирования, встречаясь в естественном [[Тантал (элемент)|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]] — 4,5⋅1016 лет. В то же время основное состояние 180Ta бета-активно с периодом полураспада {{nobr|8,154(6) часа}}<ref name="Nubase2020"/>. Спин и чётность основного состояния равны 1+, изомера — 9−<ref name="Nubase2020"/>. Ввиду высокой разности спинов состояний и близости их энергий (изомерный уровень лежит выше основного состояния на {{nobr|75,3(14) [[кэВ]]}}<ref name="Nubase2020"/>) изомерный переход чрезвычайно сильно подавлен. 180mTa, как и любой другой ядерный изомер, теоретически может быть искусственно переведён в основное состояние посредством [[Вынужденное излучение|вынужденного излучения]], при облучении гамма-квантами с энергией, в точности равной разности энергий возбуждённого и основного состояний, однако экспериментально такие переходы пока не наблюдались.

* В природном [[Радиоактивные ряды|радиоактивном ряду]] [[Уран-238|урана-238]] присутствует изомер [[изотопы протактиния|протактиния-234]] 234mPa (период полураспада {{nobr|1,159(11) минуты}}<ref name="Nubase2020"/>).

* У ядра [[Уран-235|урана-235]] обнаружен очень низколежащий метастабильный уровень 235mU (период полураспада {{nobr|25,7(1) минуты}}<ref name="Nubase2020"/>), отстоящий от основного уровня лишь на {{nobr|76,7(1) электронвольта}}<ref name="Nubase2020"/>.

* Изомер [[Изотопы тория|тория-229]] 229mTh имеет исключительно низкую энергию возбуждения 8,355733554021(8) [[эВ]], при его распаде в основное состояние испускается гамма-квант, имеющий длину волны {{nobr|148,3821(5) нм}} и попадающий в диапазон [[Ультрафиолетовое излучение|вакуумного ультрафиолета]]. Период полураспада этого рекордно низколежащего уровня, в отличие от большинства радиоактивных распадов, сильно зависит от окружения: в кристалле [[Фторид кальция|фторида кальция]] [[Время жизни квантовомеханической системы|время жизни]] уровня составляло {{nobr|630(15) с}}, тогда как в виде ионов Th3+ в вакууме этот изомер распадался с временем жизни {{nobr|1400{{sup_sub|+600|−300}} с}}, что объясняется большей плотностью состояний фотонов, пропорциональной кубу [[Показатель преломления|показателя преломления]], в среде по сравнению с вакуумом. Использование этого ядерного перехода при распаде изомера в основное состояние может значительно улучшить точность измерения времени позволив создать {{нп5|ядерные часы|||Nuclear clock}}, на несколько порядков превосходящие по точности [[атомные часы]]<ref>[https://arxiv.org/abs/2406.18719]{{Wayback|url=https://arxiv.org/abs/2406.18719|date=20250315014008}} [2406.18719] Frequency ratio of the $^{229\mathrm{m}}$Th nuclear isomeric transition and the $^{87}$Sr atomic clock</ref><ref>{{Cite web |url=https://www.actaphys.uj.edu.pl/fulltext?series=Reg&vol=51&page=561 |title=Источник |archive-date=2024-08-10 |access-date=2025-03-14 |archive-url=https://web.archive.org/web/20240810100915/https://www.actaphys.uj.edu.pl/fulltext?series=Reg&vol=51&page=561 |url-status=live }}</ref><ref>[https://arxiv.org/abs/1811.03889]{{Wayback|url=https://arxiv.org/abs/1811.03889|date=20241217193026}} [1811.03889] Towards a 229Th-based nuclear clock</ref><ref>{{cite doi|10.1103/PhysRevLett.132.182501}}</ref>.

* Изомер [[изотопы гафния|гафния-178]] 178m2Hf со спином и чётностью 16+ имеет период полураспада 31(1) год<ref name="Nubase2020"/> (индекс 2 в обозначении 178m2Hf означает, что существует также более низколежащий изомер 178m1Hf). Энергия возбуждения 178m2Hf максимальна среди изомеров с периодом полураспада больше года. Три килограмма чистого 178m2Hf содержит примерно {{nobr|4 [[ТДж]]}} энергии, что эквивалентно [[тротиловый эквивалент|килотонне]] [[тротил]]а. Вся эта энергия высвобождается в виде каскадных гамма-квантов и конверсионных электронов с суммарной энергией по {{nobr|2446,09(8) 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 [[гафний|гафния]] могут быть использованы как для создания [[гамма-лазер]]ов, устройств хранения энергии, так и для разработки довольно мощного [[ядерное оружие|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<ref>{{публикация|статья|автор=Ткаля Е. В.|заглавие=Индуцированный распад ядерного изомера 178m2Hf и «изомерная бомба»|ссылка=http://www.ufn.ru/ru/articles/2005/5/i/|издание=[[Успехи физических наук]]|тип=журнал|год=2005|том=175|номер=5|страницы=555—561}}</ref>.

* Изомер [[изотопы иридия|иридия-192]] 192m2Ir со спином и чётностью предположительно 11− имеет период полураспада {{nobr|241(9) год}} и энергию возбуждения {{nobr|168,14(12) кэВ}}<ref name="Nubase2020"/>. Иногда его предлагается использовать для тех же целей, что и изомер гафния-178 178m2Hf.

* Наибольшее известное количество изомеров (по шесть штук, не считая основного состояния) обнаружено у изотопов [[иттрий|иттрия]]-98 ([[изотопы иттрия|98Y]]), [[лютеций|лютеция]]-174 ([[Изотопы лютеция|174Lu]]), [[Тантал (элемент)|тантала]]-179 ([[изотопы тантала|179Ta]]) и [[радий|радия]]-214 ([[изотопы радия|214Ra]])<ref name="Nubase2020"/>.

== См. также ==
* [[Химический элемент]]
* [[Нуклид]]
* [[Изотоп]]

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Литература ==
* {{публикация|статья|автор=Русинов Л. И.|заглавие=Изомерия атомных ядер|ссылка=http://www.ufn.ru/ru/articles/1961/4/d/|издание=[[Успехи физических наук]]|год=1961 |том=73 |номер=4 |страницы=615—630|ref=Русинов}}

== Ссылки ==
* [http://elementy.ru/news/432204 Граница протонной устойчивости ядер может оказаться довольно размытой] {{Wayback|url=http://elementy.ru/news/432204 |date=20140311043550 }} // [[Элементы.ру]]
* [http://elementy.ru/news/25697 Доказана теоретическая несостоятельность гафниевой бомбы] {{Wayback|url=http://elementy.ru/news/25697 |date=20140310141558 }} // Элементы.ру

{{внешние ссылки}}
[[Категория:Ядерная физика]]

Изомерия атомных ядер - История изменений

79.173.85.181: /* Примечания */