Изомерный переход. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Изомерный переход (гамма-распад) — радиоактивный распад атомного ядра, происходящий из возбуждённого метастабильного состояния с излучением одного или нескольких у-квантов.

Гамма-излучение иногда также рассматривается как особый вид радиоактивности, хотя и не приводящий к изменению состава ядра. Ядро лишь переходит при этом с одного энергетического уровня на другой.

Часто при аили p-распадах образующийся дочерний нуклид находится не в основном, а в возбужденном состоянии. Переход нуклида из возбужденного состояния в основное обычно происходит путём испускания у-квантов. Так как исходное и конечное состояния обладают дискретными энергиями, то у-излучение, испускаемое при переходе нуклида из возбуждённого в основное состояние, является моноэнергетическим. Для у-излучения известны энергии 5^-7 МэВ, причём нижний предел находится в области энергии характеристического рентгеновского излучения.

Переход из возбуждённого в основное состояние часто происходит не путём эмиссии отдельного у-кванта, а путём последовательной эмиссии нескольких квантов (у-каскад). Гамма-излучение не сопровождается изменением числа нуклонов Л и заряда ядра Z. Эмиссия у-квантов приводит только к уменьшению энергии связи ядра. Время жизни возбужденного ядра лежит между ю¹¹ с и 650 лет (¹9^2н,1г). Время жизни тем короче, чем выше энергия возбуждённого состояния, чем больше массовое число нуклида и чем меньше разность спиновых квантовых чисел AI исходного и конечного состояний. Однако переходы о—>о между состояниями со спиновыми квантовыми числами 1=0 затруднены.

Нуклиды, имеющие измеримое время жизни возбуждённого состояния ядра, называются метастабильными, например, ^8omBr (Т= 4,4 ч) и ²34^fnPa (7=i, i8 с).

Рис. 17. Схематическое изображение изомерного перехода.

Существуют ядра, которые состоят из одинакового числа протонов и одинакового числа нейтронов, но, тем не менее, различаются своими радиоактивными свойствами (прежде всего периодом полураспада); такие ядра называются изомерными. Изомерные ядра находятся на различных энергетических уровнях. Ядро-изомер, которое находится на более высоком энергетическом уровне, принято называть возбужденным, или метастабильным, и обозначать звездочкой или индексом т возле массового числа, например:^Вг или ^" 'Вг. Переход ядра из метастабильного в основное (невозбужденное) состояние называют изомерным переходом (И. П.).

Изомерный переход сопровождается^{излучением.} у-Лучи представляют собой коротковолновое (с длиной волны Ю'9-riO'¹² см) электромагнитное излучение. Атомный номер и массовое число при изомерном переходе не изменяются:

Явление ядерной изомерии особенно распространено в области значений Z и N, приближающихся к «магическим», отвечающим целиком заполненным протонным или нейтронным оболочкам: 50, 82 и 126. Примеры изомеров ⁹³^Ь (Т=12 лет), ¹³⁵₅™Ва (7=28,7 час), ¹ЦНд (7=42 мин). Долгоживущие метастабильные состояния ядра наблюдаются в том случае,.

если при изомерном переходе разность спиновых квантовых чисел Д/^4.

Рис. 18. Схема распада ⁶⁰Со.

Для многих ядерных изомеров наблюдается внутренняя электронная конверсия: возбуждённое ядро, не излучая у-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. После внутренней конверсии, возникает вторичное излучение в рентгеновской и оптической областях вследствие заполнения одним из электронов освободившегося места и последующих переходов. Участие электронных оболочек в конверсионных переходах приводит к тому, что время жизни соответствующих изомеров зависит (хотя и очень слабо) от химического состояния превращающихся атомов.

Внутренняя конверсия у-излучения — явление, наблюдаемое при переходе возбуждённого атомного ядра в состояние с меньшей энергией, когда высвобождаемая энергия не излучается в виде у-кванта, а передаётся непосредственно одному из электронов того же атома. При этом вместо у-кванта испускается конверсионный электрон. Электроны могут быть испущены с различных оболочек атома, и соответственно различают К-, L-, Ми т.д. электроны. Энергия электрона равна разности энергии конвертированного ядерного перехода и энергии связи оболочки, с которой он испускается. Измерение энергетических спеюпров конверсионных электронов позволяет определить энергию переходов и их мультипольность. Вероятность внутренней конверсии по отношению к вероятности перехода с испусканием у-кванта характеризуется коэффициентом внутренней конверсии, определяемым, как отношение интенсивности потока конверсионных электронов (полной или для данной элеюпронной оболочки) к интенсивности у-излучепия для данного ядерного перехода.

Коэффициентом внутренней конверсии, а называют отношение числа испускаемых электронов конверсии (в*) к числу испускаемых у-квантов; а может принимать любое значение ото до оо (значения а=о и а = со отвечают эмиссии только у квантов или электронов конверсии, соответственно). Коэффициент тем больше, чем меньше разность энергий и чем больше разность спиновых квантовых чисел двутс возбуждаемых состояний ядра, т. е. чем больше Z и время жизни. В большинстве случаев электроны конверсии являются /С-электронами и реже L-и М-электронами, т.к. расстояние между' ядром и электронами К-оболочки меньше, а вероятность их пребывания в ядре больше, чем для электронов других оболочек. Если энергия, отданная атомным ядром, меньше, чем энергия связи электронов К-оболочки, то электроны конверсии отщепляются от внешних оболочек.

Внутренняя конверсия может быть легко обнаружена, так как конверсионные электроны (е) имеют линейчатый спектр в отличие от непрерывного спектра ядерных (3 -частиц. Внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

После отщепления электронов конверсии возникает, как и при электронном захвате, вакансия в соответствующей оболочке, которая заполняется электронами с внешних оболочек. При этом образуется соответствующее характеристическое рентгеновское излучение К_а, Кр, L_u… Характеристическое рентгеновское излучение может, в свою очередь, конвертироваться, т. е. вместо испускания рентгеновского излучения произойдет отщепление электронов с внешних оболочек. Испускаемые при этом моноэнергетические электроны, часто обладающие очень низкой энергией, называются оже-электронами. Вероятность эмиссии оже-электронов снижается с ростом порядкового номера элемента.

При ядерном переходе о->о уквант не может испускаться; ядра с этими спиновыми квантовыми числами отдают свою энергию также путём эмиссии электронов конверсии. Если разность энергии начального и конечного состояний всё же относительно велика, например, в случае ¹⁷0 с ДЕ=6,05 МэВ, то в атомном ядре может происходить образование пары (е⁺+е). Причём позитрон и электрон сохраняют остаточную энергию в виде кинетической энергии (за вычетом 1,02 МэВ).

Замечание. Известны и такие ядерные изомеры, для которых преобладает не у-излучение, но распад по какому-либо из основных типов распада. Так, изомер ¹⁷⁶tiLu (Т=з, 7 ч) испытывает, как и основной изотоп^{, 7б}Ьи, p-распад; изомер ²¹²я4Ро (7=45 ^с)> ^{как и} основной изотоп ²¹²Ро, «-распад; изомер ²⁴²^4т (7=14 мс) — спонтанное деление.