Ядерні ізомери — це збуджені стани атомних ядер, які мають аномально великий час життя порівняно зі звичайними збудженими станами (від наносекунд до років і навіть довше).

Позначення ізомерного стану:

A_ZX^m

де m — метастабільний (ізомерний) стан.

1. Основні параметри ядерних ізомерів

1.1. Енергія ізомерного рівня

Позначення:

E_m
  • Вимірюється у кеВ або МеВ
  • Це енергія збудження відносно основного стану ядра

Типові значення:

E_m ≈ 1 кеВ – 5 МеВ

1.2. Час життя (період напіврозпаду)

Позначення:

T_1/2

або середній час життя:

τ = T_1/2 / ln(2)

Діапазон:

10^(-9) с ≤ T_1/2 ≤ 10^8 років

Критерій ізомерності:

T_1/2 ≥ 10^(-9) с

1.3. Спін ядра

Позначення:

I
  • Квантове число повного кутового моменту
  • Може бути цілим або напівцілим
I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, ...

Ізомерні стани часто мають спін, значно відмінний від спіну основного стану, що ускладнює перехід.

1.4. Парність

Позначення:

π = + або −
  • Визначає симетрію хвильової функції
  • Перехід із зміною парності є забороненим або сильно пригніченим

1.5. Тип ядерного переходу

Основні канали розпаду ізомера:

  1. γ-випромінювання
(A,Z,X^m) → (A,Z,X) + γ
  1. Внутрішня конверсія
(A,Z,X^m) → (A,Z,X) + e^-
  1. Бета-розпад (рідше)
(A,Z,X^m) → (A,Z±1,Y) + β

1.6. Мультипольність переходу

Позначення:

Eλ або Mλ

де:

  • E — електричний
  • M — магнітний
  • λ = 1, 2, 3, … (порядок мультипольності)

Приклади:

E1, M1, E2, M2, E3

Чим більше λ, тим менша ймовірність переходу і довший час життя ізомера.

1.7. Коефіцієнт внутрішньої конверсії

Позначення:

α = N_e / N_γ

де:

  • N_e — кількість конверсійних електронів
  • N_γ — кількість γ-квантів

Для низькоенергетичних ізомерів:

α >> 1

2. Причини виникнення ізомерії

  1. Велика різниця спінів
ΔI ≥ 3
  1. Зміна парності
π_initial ≠ π_final
  1. Низька енергія переходу
E_γ < 100 кеВ
  1. Висока мультипольність (E3, M4, …)
λ ≥ 3

3. Приклади відомих ядерних ізомерів

Ізомер E_m (кеВ) T_1/2 I^π
99mTc 142 6,0 год 1/2⁻
137mBa 662 2,6 хв 11/2⁻
178m2Hf 2446 ~31 рік 16⁺
180mTa 75 >10^15 років 9⁻
Z – XX -A N Енергія ізомерного стану, МеВ JP T 1/2 , Г, поширеність моди розпаду
73-Ta-180 107 0.077 9 – 0.012% 
> 1.2 × 10 15  років
83-Bi-210 127 0.271 9 – 3.04 × 10 6  років α 100%
75-Re-186 111 0.149 8 +  2 × 10 5  років IT 100%
7-Ho-166 99 0.006 7 – 1.2 × 10 3  років β− 100%
47-Ag-108 61 0.109 6 + 418 років е 91.30%, 
IT 8.70%
77-Ir-192 115 0.168 11 – 241 рік IT 100%
95-Am-242 147 0.049 5 – 141 рік SF <4.47·10-9 %, 
IT 99.55%, 
α 0.45%
50-Sn-121 71 0.006 11/2 –  43.9 років IT 77.60% 
β− 22.40%
72-Hf-178 106 2.446 16 + 31 рік IT 100%
41-Nb-93 52 0.031 1/2 – 16.13 років IT 100%
48-Cd-113 65 0.264 11/2 – 14.1 років β− 99.86%, 
IT 0.14%
45-Rh-102 57 0.141 6 +  ≈2.9 років е 99.77%, 
IT 0.23%
99-Es-247 148 625 днів α

4. Узагальнена таблиця параметрів

Енергія ізомера:        E_m
Спін:                   I
Парність:               π
Період напіврозпаду:    T_1/2
Тип переходу:           γ, IC, β
Мультипольність:        Eλ або Mλ
Коеф. конверсії:        α

5. Фізичне та практичне значення

  • Ядерна спектроскопія
  • Медицина (99mTc — діагностика)
  • Астрофізика
  • Ядерні реакції та структура ядра
  • Потенційні джерела накопиченої енергії

Ізомерні стани атомних ядер характеризуються енергією збудження, спіном, парністю та великим часом життя, що зумовлено квантово-механічними заборонами переходів. Вони є важливим інструментом дослідження внутрішньої структури атомних ядер.

Дещо інше: