Изомерия атомных ядер

ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР, существование у некоторых атомных ядер наряду с основным состоянием долгоживущих (метастабильных) возбуждённых состояний, называемых изомерными. Исторически к изомерным относят состояния с временами жизни, которые могут быть измерены непосредственно (более 0,01 мкс). Явление изомерии возникает из-за резкого различия структуры соседних состояний (возбуждённого и основного), что приводит к значительному уменьшению вероятности распада возбуждённого состояния (иногда на много порядков).

Первое указание на существование ядерных изомеров было получено в 1921 О. Ганом, обнаружившим среди продуктов распада урана радиоактивное вещество, которое при одном и том же атомном номере Z и массовом числе А имело два совершенно разных пути радиоактивного распада. Однако датой открытия изомерии атомных ядер считается 1935 год, когда группой советских учёных под руководством И. В. Курчатова было обнаружено при облучении брома медленными нейтронами образование трёх радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада.

Впоследствии выяснилось, что это явление достаточно широко распространено, известно уже несколько сотен изомерных состояний, причём у некоторых ядер может быть по несколько таких состояний. Например, у ядра гафния с А = 175 обнаружено 5 состояний с временами жизни более 0,1 мкс.

Непременным условием существования изомерного состояния ядра является наличие какого-либо запрета для радиационных переходов из изомерного в состояния с более низкой энергией. Известен целый ряд особенностей ядерной структуры, вызывающих такой запрет: различие угловых моментов (спинов) изомерного и основного состояний, приводящее к радиационным переходам высокой мультипольности, разная ориентация спинов относительно выделенной оси в ядре, различная форма ядер в обоих состояниях.

Распад изомерных состояний обычно сопровождается испусканием электронов или γ-квантов, в результате образуется то же ядро, но в состоянии с меньшей энергией. Иногда более вероятен бета-распад. Изомеры тяжёлых элементов могут распадаться путём самопроизвольного деления. Изомерные состояния ядер с высокой степенью вероятности спонтанного деления называют делящимися изомерами. Известно около 30 ядер (изотопы U, Pu, Am, Cm, Bk), для которых вероятность спонтанного деления в изомерном состоянии больше, чем в основном, примерно в 10²⁶ раз.

Изомерия  атомных ядер является важным источником сведений о структуре атомных ядер; изучение изомеров помогло установить порядок заполнения ядерных оболочек. По временам жизни изомеров судят о величинах запретов для радиационных переходов и их связи с ядерной структурой.

Ядерные изомеры находят и практическое применение. Например, в активационном анализе их образование в ряде случаев позволяет достигнуть большей чувствительности метода. Долгоживущие ядерные изомеры рассматриваются как возможные в будущем аккумуляторы энергии.

Лит.: Корсунский М. И. Изомерия атомных ядер. М., 1954; Поликанов С. М. Изомерия формы атомных ядер. М., 1977.