Изоме́рный перехо́д (га́мма-распа́д) — радиоактивный распад атомного ядра, происходящий из возбуждённого метастабильного состояния с излучением одного или нескольких гамма-квантов и/или электронов внутренней конверсии.
Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра 1H, 2H, 3H и 3He). Возбуждённые состояния могут заселяться либо при ядерных реакциях, либо в результате радиоактивного распада других ядер.
Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются ядерными изомерами, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна.
Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний), при этом излучаются один или несколько гамма-квантов. Возбуждение ядра может сниматься также посредством внутренней конверсии, результатом которой является вылет электрона из атомной оболочки. Кроме того, изомерные состояния могут распадаться и посредством обычных бета- и альфа-распадов.
Физическая природа Изомерные состояния возникают, когда ядро после возбуждения (например, в результате ядерной реакции или β-распада) оказывается в долгоживущем метастабильном состоянии. Причина увеличенного времени жизни — значительное различие спина между изомерным и нижележащим состоянием, из-за чего переход сильно подавлен квантовомеханическими правилами отбора; подавление усиливается, если чётности состояний различны.
Такие состояния могут существовать от наносекунд до лет. При изомерном переходе ядро возвращается к более устойчивому состоянию, испуская гамма-квант или, реже, передавая энергию электрону атомной оболочки (внутренняя конверсия).
Метастабильные изомеры Изомерные состояния обозначаются буквой «m» рядом с массовым числом. Например, 99mTc — метастабильное состояние технеция-99. Он широко используется в ядерной медицине как источник гамма-излучения при радиодиагностике, благодаря сочетанию умеренного времени жизни (~6 часов) и благоприятных энергетических характеристик. Если у ядра существует более одного изомера, они обозначаются с помощью цифрового индекса после символа «m» (например, 178m1Hf и 178m2Hf для изомеров ядра 178Hf); номер увеличивается с ростом энергии уровня. Другая система обозначений использует последовательность букв «m», «n», «p», «q» и «r» для, соответственно, первого, второго, третьего, четвёртого и пятого изомерных уровней, причём буква ставится как верхний индекс справа от символа элемента (например, 90Nbm, 90Nbn, 90Nbp, 90Nbq, 90Nbr). Для четырёх нуклидов (98Y, 174Lu, 179Ta и 214Ra) существует и шестой изомер; для него используют букву «x».
Отличие от других ядерных процессов Изомерный переход отличается от β-распада тем, что не изменяет протонного и нейтронного состава ядра. Его следует также отличать от фотоядерной реакции — обратного процесса, в котором гамма-квант возбуждает ядро.
Применение Метастабильные изомеры находят применение в:
Медицине, для изготовления радиофармацевтических препаратов (наиболее известен технеций-99m); Ядерной спектроскопии, для изучения ядерной структуры и переходов; Военных и энергетических технологиях, в качестве потенциальных высокоэнергетических накопителей, хотя практическое применение здесь ограничено.
Квантовые характеристики Переход характеризуется энергией испускаемого фотона (обычно в диапазоне от десятков до сотен кэВ), временем жизни изомера и вероятностью перехода, выражаемой через переходную вероятность или гамма-ветвление.
Форма распада может быть смешанной, сочетая испускание гамма-кванта и внутреннюю конверсию. Коэффициент внутренней конверсии зависит от энергии перехода и атомного номера.
Современные исследования Активно изучаются так называемые ядерные часы — устройства, основанные на сверхдолгоживущих изомерных переходах, таких как у тория-229m. Эти переходы имеют крайне малую энергию (порядка десятков эВ), что делает их потенциально пригодными для создания эталонов времени с рекордной точностью.
Также рассматриваются методы внешнего управления изомерными переходами с помощью лазерного облучения или ускоренных частиц, что открывает перспективы в области управляемого высвобождения энергии.
Примечания
Krane, K. S. (1988). Introductory Nuclear Physics. Wiley Walker, P.M. & Dracoulis, G.D. (1999). "Energy traps in atomic nuclei". Nature, 399, 35–40 Tuli, J.K. (2011). Nuclear Wallet Cards, National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory Becker, J.A. et al. (2003). "The elusive 229Th nuclear isomer". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 29(11), 2383 IAEA Live Chart of Nuclides — Интерактивная таблица ядерных данных МАГАТЭ
Категория:Ядерная физика Категория:Радиоактивность