Изомерные состояния

Изомерные состояния ядер

Понятие ядерного изомера

Ядерные изомеры — это возбужденные состояния атомных ядер, обладающие аномально долгим временем жизни по сравнению с типичными ядерными уровнями возбуждения. В отличие от обычных возбужденных состояний, которые распадаются за время порядка 10⁻²² – 10⁻¹⁵ секунд, изомерные состояния могут существовать от микросекунд до лет, а иногда даже дольше. Они характеризуются наличием потенциального барьера, препятствующего быстрому переходу к основному или более низкоэнергетическому состоянию.

Изомерия возникает, как правило, в случаях, когда переход между уровнями запрещён или сильно подавлен по квантово-механическим причинам, например, из-за большой разницы в спинах и/или мультиполярности перехода. Энергетический зазор между изомерным и основным состоянием может варьироваться от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Классификация изомерных состояний

Ядерные изомеры делятся на несколько категорий в зависимости от природы запрещённости перехода:

Спиновые (или изомеры перехода) Возникают при большой разнице спинов между изомерным и основным состоянием. Например, если переход сопровождается изменением спина на 8ℏ или больше, вероятность электромагнитного перехода резко падает.
Изомеры формы (деформационные) Наблюдаются в ядрах с различной формой в основном и возбужденном состоянии. Барьер между разными деформационными конфигурациями приводит к метастабильности. Особенно важны для сильно деформированных ядер в регионе актинидов и лантанидов.
Квазичастичные изомеры Являются результатом специфических конфигураций квазичастиц в рамках оболочечной модели, часто наблюдаются вблизи замкнутых оболочек.
Коллективные изомеры Возникают вследствие возбуждения коллективных мод, например, вращательных или вибрационных состояний, которые оказываются метастабильными по причине конфигурационного различия.

Механизмы распада изомерных состояний

Распад изомерных состояний может происходить по следующим основным каналам:

γ-излучение — наиболее типичный путь, при котором ядро переходит в более низкоэнергетическое состояние с испусканием кванта γ-излучения. Если переход сильно подавлен (например, мультипольность E5 или M4), то изомер может жить значительно дольше.
Внутреннее конверсионное торможение (IC) — альтернатива γ-распаду, при которой избыточная энергия возбуждения передается одному из атомных электронов, который покидает атом. Эффективность внутренней конверсии возрастает при низкой энергии перехода и высокой мультиполярности.
β-распад — изомер может распасться β-распадом, если его энергия выше, чем масса соответствующего изобара. Такой путь не зависит от γ-запрещенности и часто становится основным каналом для изомеров с особенно длительным временем жизни.
Альфа- и кластерный распад — встречается крайне редко, но возможен в тяжелых изомерах с высокой энергией возбуждения.

Методы получения и исследования изомерных состояний

Изомерные состояния могут быть получены в различных ядерных реакциях:

Реакции захвата — (n,γ), (p,γ), (α,γ), в которых при захвате частицы происходит возбуждение ядра.
Реакции расщепления и глубоко неупругого рассеяния — высокоэнергетические процессы, в которых ядро испытывает сильное возбуждение и переходит в изомерное состояние.
Спонтанное деление и α-распад — вторичные процессы, в которых могут образовываться дочерние ядра в изомерном состоянии.

Для детектирования и изучения изомерных состояний используют:

γ-спектрометры высокого разрешения — позволяют точно измерять энергию переходов.
Методы задержанной γ-спектроскопии — определение времени жизни изомерного состояния по задержке между моментом образования и излучением.
Магнитные и радиохимические методы — применяются для изучения долгоживущих изомеров, в том числе в астрофизике и геохимии.

Примеры и приложения изомеров

Некоторые изомеры представляют интерес как в фундаментальных исследованиях, так и в прикладной науке:

⁹⁹ᵐTc (технеций-99m) Один из наиболее известных и широко используемых медицинских изомеров. Его метастабильное состояние с энергией 142 кэВ и временем жизни около 6 часов делает его идеальным радионуклидом для диагностики в ядерной медицине.
¹⁸⁰ᵐTa (тантал-180m) Является единственным известным естественным ядерным изомером, существующим в природе в метастабильной форме. Его время жизни настолько велико, что он считается практически стабильным.
²⁴²ᵐAm (америций-242m) Используется в некоторых ядерных энергетических установках как потенциальный источник энергии, благодаря своему α-распаду с высокой удельной мощностью.
⁵²ᵐMn и ¹⁹⁷ᵐHg Изомеры, активно исследуемые в экспериментах по структуре оболочек и коллективным эффектам.

Роль изомерных состояний в ядерной структуре

Изомеры служат чувствительными индикаторами тонкой структуры ядра, особенно в переходных регионах между различными формами (сферическая, деформированная, γ-мягкая). Анализ изомерных переходов позволяет:

Уточнять расположение уровней энергии и спин-паритет состояний.
Изучать механизмы торможения переходов и их мультиполярности.
Понимать влияние конфигурационных и коллективных эффектов.
Проверять предсказания различных моделей, включая оболочечную модель, коллектвную модель и квазичастичную модель.

Особую ценность изомеры имеют для изучения редких изотопов вдали от стабильности, где прямое измерение свойств основных состояний затруднено.

Изомерные состояния и астрофизика

В условиях высоких температур и плотностей (взрывы сверхновых, оболочки звёзд) изомеры могут играть существенную роль в ядерных реакциях:

Влияние на пути нуклеосинтеза (особенно в процессе s и r).
Изменение темпов радиоактивного распада в зависимости от термальных возбуждений.
Возможное существование “термальных” изомеров, находящихся в квазисоединении с основным состоянием при определённых условиях.

Теоретические аспекты описания изомеров

Моделирование изомерных состояний требует учета следующих аспектов:

Оболочечные конфигурации и перестройки Детальный учет нуклонных орбиталей и их заполнения.
Барьер туннелирования Для деформационных и высокоспиновых изомеров рассматриваются потенциальные барьеры, которые нуклонная система должна преодолеть.
Мультиполярность перехода и торможение Используются расчёты вероятностей переходов B(Eλ) и B(Mλ) в рамках модели коллективных возбуждений и одночастичных переходов.
Квазичастичная модель и модель вращающегося ядра Особенно эффективны при описании изомеров в тяжёлых и деформированных ядрах.

Современные исследования и перспективы

С развитием установок нового поколения, таких как FAIR (Германия), RIKEN (Япония) и FRIB (США), стало возможным синтезировать и исследовать всё более удалённые от стабильности изомеры, в том числе с экзотической структурой (например, изомеры с инверсией оболочек, нейтронными скин-эффектами и т.д.).

Изучение изомеров не только углубляет понимание ядерной структуры, но и может привести к новым технологиям накопления энергии, квантовой памяти, а также служить инструментом в фундаментальной физике (поиск нарушения CP-инвариантности, измерения фундаментальных констант и др.).