Ядра могут иметь разную, иногда даже несимметричную форму. Это простейший намек на то, что одно и то же ядро может находиться в разных состояниях — основном и многочисленных возбужденных. Изображение с сайта t2.lanl.gov
Еще один тип ядерных превращений — это когда ядро не распадается, как при альфа-распаде, и не меняет свой состав, как при бета-распаде, а остается самим собой, но только, условно говоря, меняет свою форму. Разные варианты одного и того же ядра, отличающиеся только движением и взаимной ориентацией спинов протонов и нейтронов, называются изомерами. Разные изомеры обладают разной энергией, поэтому их превращение друг в друга приводит к испусканию фотона.
ПСЭто очень похоже на то, что бывает с атомами: там есть основное состояние, с самой низкой энергией, и возбужденные состояния, энергия которых выше. Когда атом меняет свою электронную структуру и тем самым перепрыгивает с возбужденного уровня на основной, он излучает фотон. В ядрах — то же самое. Для каждого ядра существует целая лестница возбужденных состояний, обладающих повышенной энергией. Возбужденные изомеры нестабильны и обычно они быстро превращаются в основное состояние ядра, излучая фотон. Иногда, впрочем, они распадаются и на другие ядра за счет обычной радиоактивности.
Лестница возбужденных уровней ядра урана-238. Стрелочки показывают переходы между разными уровнями. Черные числа показывают спин ядра (слева) и энергию возбуждения в кэВ (справа), зеленые числа — времена жизни этих состояний. Видно, что типичное время жизни этих состояний — пикосекунды. Подчеркнем, что здесь показаны лишь некоторые из сотен известных возбужденных состояний в этом изотопе. Изображение с сайта nndc.bnl.gov
ЗС
ПС
НСТак же, как возбужденные состояния атомов могут быть короткоживущими или долгоживущими, ядерные изомеры тоже могут иметь самые разные периоды полураспада. По аналогии с атомными переходами, если распаду возбужденного состояния ничто не мешает,он может происходить очень быстро, за времена порядка зептосекунд, т. е. буквально за несколько «тактовых циклов» ядерного движения. Таковы, например, большинство изомеров легких ядер. В тяжелых ядрах картина намного разнообразнее. Например, среди сотен известных изомеров ядра свинца 208Pb встречаются такие, которые живут от десятков зептосекунд и вплоть до наносекунд.
В отдельных случаях, когда распад изомера очень затруднен, время жизни возбужденного ядра может достигать секунд и больше. Один такой пример уже нам встречался среди изомеров урана. Другой знаменитый пример — изомер гафния-178, обозначаемый 178m2Hf. Он обладает огромным спином — целых 16 единиц. Это настолько затрудняет его переход в основное состояние, что его период полураспада составляет 31 год. Это уже очень много даже по человеческим меркам. Были даже предложения сделать на основе этого изомера гафния этакую разновидность «чистой» ядерной бомбы. Берем гафний-178, переводим его в возбужденное состояние, упаковываем небольшое количество изомера в оболочку и снабжаем ее устройством для высвобождения энергии. При взрыве такой бомбы выделялись бы исключительно фотоны. Она производила бы разрушения вокруг себя без долгоживущего радиационного заражения окружающей среды, и потому на нее не распространялись бы соглашения по «обычному» ядерному вооружению. К счастью, манипуляция уровнями энергии в ядрах — настолько сложная задача, что никакие известные технологии накачки и высвобождения энергии даже близко не могут удовлетворить необходимым требованиям. Так что гафниевую бомбу можно пока что считать несбыточной фантазией.
Наконец, в совсем исключительных случаях возбужденное ядро может быть таким долгоживущим, что его распад не наблюдается в лабораторных условиях, а сам этот изомер может даже присутствовать в какой-то концентрации в природных условиях. Таков, например, изомер тантала 180mTa. Он составляет 0,012% от всего природного тантала, а время его жизни неизмеряемо велико (известно лишь, что оно превышает 1015 лет).
Пример лестницы возбужденных состояний в ядрах тантала и гафния. Вверху: реальная спектроскопия изомеров 158Ta, внизу: ее упрощенная схема. Отдельной табличной показан долгоживущий изомер тантала-158 со спином 19. Подробности см. в новости Граница протонной устойчивости ядер может оказаться довольно размытой
Элементарные частицы. Законы элементарных частиц Двойной бета-распад