6. Ядерная изомерия

    Изомерами называются атомные ядра, имеющие одинаковое число нейтронов и протонов, но различные физические свойства, в частности различные периоды полураспада.

Рис. 6.1. Изомерный γ-переход в ядре ¹¹⁵In.

    Времена жизни γ-радиоактивных ядер обычно имеют порядок 10^-12–10^-17 с. В некоторых случаях при сочетании высокой степени запрета с малой энергией γ-перехода могут наблюдаться γ-радиоактивные ядра с временами жизни макроскопического порядка (до нескольких часов, а иногда и больше). Такие долгоживущие возбужденные состояния ядер называются изомерами. Характерным примером изомера может служить изотоп индия ¹¹⁵In (рис. 6.1). Основное состояние ¹¹⁵In имеет J^P = 9/2⁺. Первый возбужденный уровень имеет энергию, равную 335 кэВ, и спин-четность J^P = 1/2^-. Поэтому переход между этими состояниями происходит лишь посредством испускания М4 γ-кванта. Этот переход настолько сильно запрещен, что период полураспада возбужденного состояния оказывается равным 4.5 часа.
    Явление ядерной изомерии было открыто в 1921 г. О. Ганном, обнаружившим, что существуют два радиоактивных вещества, имеющие одинаковые массовые числа A и порядковый номер Z, но различающиеся периодом полураспада. В дальнейшем было показано, что это было изомерное состояние ^234mPa. Согласно Вайцзеккеру (Naturwiss. 24, 813, 1936) изомерия ядер встречается каждый раз, когда момент количества движения ядра в возбужденном состоянии с низкой энергией возбуждения отличается от момента количества движения в любом состоянии, имеющем меньшую энергию возбуждения на несколько единиц ћ. Изомерное (метастабильное) состояние определили как возбужденное состояние с измеримым временем жизни. По мере совершенствования экспериментальных методов γ-спектроскопии измеримые периоды полураспада понизились до 10^-12-10^-15 с.

Таблица 6.1

Возбужденные состояния ¹⁹F

    Изомерные состояния следует ожидать там, где оболочечные уровни, близкие друг другу по энергии, сильно различаются значениями спинов. Именно в этих областях и находятся так называемые «острова изомерии». Так, наличие изомера у приведенного выше изотопа ¹¹⁵In обусловлено тем, что в нем не хватает одного протона до замкнутой оболочки Z = 50), т. е. имеется одна протонная «дырка». В основном состоянии эта дырка в подоболочке 1g_9/2, а в возбужденном - в подоболочке 1p_1/2. Такая ситуация типична. Острова изомерии расположены непосредственно перед магическими числами 50, 82 и 126 со стороны меньших Z и N. Так, изомерные состояния наблюдаются в ядрах ⁸⁶Rb (N = 49), ¹³¹Te (N = 79, что близко к 82), ¹⁹⁹Hg (Z = 80, что близко к 82) и т. д. Отметим, что, наряду с рассмотренными, существуют и другие причины появления изомерных состояний. В настоящее время обнаружено большое число изомеров, имеющих период полураспада от нескольких секунд до 3·10⁶ лет (^210mBi). Многие изотопы имеют несколько изомерных состояний. В таблице 6.2 приведены параметры долгоживущих изомеров (T_1/2 > год).

Таблица 6.2

Параметры изомерных состояний атомных ядер

Изомер ^80mBr.

В 1935 г. И.В. Курчатов с сотрудниками обнаружили, что при облучении ⁷⁹Br нейтронами образуется изотоп ⁸⁰Br, имеющий два периода полураспада T_1/2 = 17.7 мин и T_1/2 = 4.4 часа, что соответствовало β^--распадам из основного и изомерного E* = 0.086 МэВ, J^P = 5^- состояний. В изотопе ⁸⁰Br есть ещё одно изомерное состояние, расположенное при энергии E* = 0.04 МэВ J^P = 2^-. Это изомерное состояние имеет период полураспада T_1/2 = 7.4 нс. Изомерное состояние с энергией E* = 0.086 МэВ переходит в изомерное состояние E* = 0.04 МэВ посредством испускания М3 γ-кванта с энергией E_γ = 0.05 МэВ. Высокая мультипольность γ-кванта и небольшая энергия γ-перехода − причины большого периода полураспада изомерного состояния E* = 0.086 МэВ. Распад изомерного состояния с энергией E* = 0.04 МэВ в основное состояние ⁸⁰Br происходит в результате Е1 перехода с испусканием дипольных γ-квантов.

Распады основного и изомерного состояний могут происходить по различным каналам. На рис. приведены β⁺-распады основного (J^P = 1⁺) и возбужденного изомерного (J^P = 5^-, E* = 0.28 МэВ) состояний ⁸²Rb. Распад из основного состояния ⁸²Rb происходит преимущественно на состояния ⁸²Kr с энергией < 2 МэВ, в то время как изомерное состояние со 100% вероятностью распадается на состояние (J^P = 4^-, E* 2 МэВ) ⁸²Kr. В случае β^--распада изомерного состояния ⁸²Br (J^P = 2^-, E* = 0.046 МэВ) распад происходит в низковозбужденные состояния ⁸²Kr, в то время как распад из основного состояния ⁸²Br происходит на возбужденное состояние (J^P = 4^-, E* = 2.6 МэВ) ⁸²Kr.

β^--распад изотопа ⁶⁰Co

В изотопе ⁶⁰Co изомерное состояние J^P = 2⁺ располагается при энергии 0.06 МэВ. Оно образуется от результате β^--распада ⁶⁰Fe. Период полураспада изомерного состояния T_1/2 = 10.5 мин. Оно распадается в основном в результате М3 γ-перехода (99.76%). Распад этого изомерного состояния на возбужденное состояние ⁶⁰Ni составляет 0,24%. Основное состояние ⁶⁰Co имеет период полураспада T_1/2 = 5.26 лет и с вероятностью ~99% распадается в результате β^--распада на возбужденное состояние E* = 2.50 МэВ, J^P = 4⁺ изотопа ⁶⁰Ni.

Распады ядер-изобар A = 87, Z = 36–40.

В цепочке ядер-изобар стабильным изотопом является ⁸⁷Sr (Z=38). Он образуется как в результате цепочки β^--распадов ⁸⁷Kr → ⁸⁷Rb + e^- + _e, ⁸⁷Rb → ⁸⁷Sr + e^- + _e, так и в результате β^--распада и е-захвата изотопов ⁸⁷Zr, ⁸⁷Y. Основное состояние изотопа ⁸⁷Zr имеет J^P = 9/2⁺ и период полураспада T_1/2 = 1.68 ч. Оно распадается на изомерное состояние E* = 0.38 МэВ J^P = 9/2⁺ изотопа ⁸⁷Y. Доля β^--распадов составляет 87%, е-захват − 13%. Изомерное состояние E* = 0.38 МэВ изотопа ⁸⁷Y в результате М4-перехода распадается на основное состояние ⁸⁷Y. Так как основное состояние ⁸⁷Y имеет J^P = 1/2^-, оно в результате е-захвата распадается на возбужденное состояние ⁸⁷Sr. Изомерное состояние E* = 0.388 МэВ ⁸⁷Sr в 99% случаев в результате М4-перехода распадается в основное состояние ядра и 0,7% случаев происходит е-захват с образованием основного состояния ⁸⁷Rb. Изомерное состояние E* = 0.388 МэВ имеет период полураспада T_1/2 = 2.81 ч.

Распад изомерного состояния ^108mAg.

    В изотопе ¹⁰⁸Ag изомерное состояние расположено при энергии E* = 0.110  и имеет спин-четность J^P = 6⁺. Оно распадается на основное состояние J^P = 1^{+ 108}Ag, испуская каскад из двух γ-квантов

    Изомерный переход составляет 8.7% распада изомерного состояния. В 91.3% случаев изомерное состояние распадается в результате е-захвата на возбужденное состояние изотопа ¹⁰⁸Pd E* = 1.77 МэВ J^P = 6⁺.
    Основное состояние изотопа ¹⁰⁸Ag в 97.15% случаев распадается в результате β^--распада на основное J^P = 0⁺ и первое возбужденное J^P = 2⁺, E* = 0.63 МэВ состояния изотопа ¹⁰⁸Cd. Распад на основное состояние ¹⁰⁸Cd доминирует (96%).
    В 2.85% случаев в результате е-захвата и β^--распада образуется изотоп ¹⁰⁸Pd.

    Изотоп ¹⁷⁶Lu имеет в основном состоянии J^P = 7^- и распадается в результате β^--распада на возбужденное состояние E* = 0.596 МэВ J^P = 6⁺ изотопа ¹⁷⁶Hf. Энергия
β^--распада 1.02 МэВ. Период полураспада 3.7·10¹⁰ лет.
    В изотопе ¹⁷⁶Lu имеется изомерное состояние с энергией E* = 0.29 МэВ J^P = 1^- и периодом полураспада T_1/2 = 3.7 часа. Большой период полураспада обусловлен большой разницей в спинах J изомерного состояния и состояний ¹⁷⁶Lu, расположенных по энергии ниже изомерного состояния. Распад изомерного состояния E* = 0.29 МэВ происходит в результате β^--распада (99.9%) на основное (40%) и первое возбужденное J^P = 2⁺ (60%) изотопа ¹⁷⁶Hf.
    Вероятность β^--распада изомерного состояния E* = 0.29 МэВ ядра ¹⁷⁶Lu с образованием изотопа ¹⁷⁶Yb составляет ≈ 0.1%.

Низколежащие изомерные состояния ²²⁹Th, ²³⁵U

Изотоп ²²⁹Th имеет изомерное состояние, расположенное при энергии ≈ 8 эВ. Это самое низкорасположенное из всех известных изомерных состояний. Энергия изомерного состояния измерялась, используя различные каналы распада возбужденного состояния 7/2⁺ E* = 71.82 кэВ, которое заселялось в результате
α-распада изотопа ²³³U

233U → 229Th + α.

Распад изомерного состояния происходит в результате испускания М1 фотонов. Оцененный период полураспада изомерного состояния ≈ 5 час. Низколежащее изомерное состояние с энергией 76 эВ, J^P = 1/2⁺ обнаружено в ²³⁵U. Период полураспада этого состояния в основное состояние ²³⁵U J^P = 7/2^- T_1/2 ≈ 26.6 мин.

B. R. Beck et al. Phys. Rev. Lett. 98, 142501 (2007)