5. Ядерная изомерия

Работы группы Курчатова по искусственной радиоактивности вскоре естественным образом перешли в исследования с более широкой тематикой. Курчатова стали интересовать проблемы механизма ядерных реакций, вызываемых нейтронами, вопросы поглощения, замедления и рассеяния нейтронов в веществе, т. е. нейтронная физика в целом. Это стало главным направлением его научных исследований.

Прежде чем перейти к изложению результатов некоторых работ этого периода, необходимо остановиться на нескольких физтеховских статьях, которые, наряду с работами, выполненными в других странах, положили начало очень богатой и по количеству публикаций, и по научным результатам области ядерной физики. Речь идет об изучении явления ядерной изомерии.

В начале 1935 г. в лаборатории Курчатова в качестве мишени для облучения медленными нейтронами был взят бром; этот элемент уже был исследован группой Ферми. В отличие от последней группа Курчатова измеряла не β-, а γ-активность полученных нуклидов [104]. Как и в других описанных выше случаях, данные группы Ферми удалось дополнить новыми результатами: кроме известных активностей с периодами 18 мин и 4.2 ч (ранее химически идентифицированных с бромом), была найдена активность, также принадлежащая брому, с периодом 36 ч. Однако этот случай отличался от ранее упомянутых тем, что интерпретация его оказалась весьма затруднительной. Действительно, при наличии только двух стабильных изотопов брома (⁷⁹Вr и ⁸¹Вr), предполагая возможность только реакций типа (n, γ), легко объяснить образование двух радиобромов, образование же третьего оказывается непонятным. В этом отношении ситуация была похожа на два других случая, обнаруженных к тому времени среди искусственных радионуклидов. Речь идет о продуктах, полученных при облучении нейтронами индия [105] и родия [106]. Возникшие загадки можно назвать "проблемой избыточного числа периодов". В первых работах либо ничего не говорилось о наличии загадки [106], либо отмечалось, что имеют место непонятные факты, но никаких решений задачи не предлагалось. Напротив, в работе группы Курчатова о радиоброме [104] изложение "проблемы избыточного числа периодов" и попытки найти ее решение составляют основное содержание статьи.

Упомянув о возможности объяснить наличие третьего радиоброма существованием явления ядерной изомерии (незадолго до того рассмотренного Г. А. Гамовым, который и предложил его название [107, 108]), авторы отказываются от этого предположения как слишком специального и останавливаются на гипотезе, согласно которой имеет место реакция типа (n, 2n). В таком случае активность с периодом 36 ч должна быть приписана брому-78, а остальные две - брому-80 и брому-82. Статья [104] заканчивается замечанием: для проверки предложенной гипотезы необходимо исследовать, как зависит выход 36-часовой активности от энергии нейтронов. Действительно, для осуществения реакции (n, 2n) нужны нейтроны с высокой энергией - около 10 МэВ.

Вскоре Л. И. Русинов показал, что реакция образования Вr (36 ч) не имеет энергетического порога и что выход этого радионуклида сильно увеличивается при окружении источника нейтронов толстым слоем воды. Стало ясно, что и третий радиобром образуется в реакции типа (n, γ). К этому же выводу независимо пришла и группа Ферми [109].

Учитывая эти новые данные, Курчатов к концу 1935 г. вернулся к отброшенной в начале года гипотезе о ядерной изомерии [110]. Наиболее полно существо проблемы радиоброма и логические доводы, исключающие ряд других гипотез, он изложил в двух своих выступлениях: в лекции, прочитанной в Университете физико-химии и энергетики им. акад. Н. Д. Зелинского [111] (вероятно, в конце 1935 г. или в начале 1936 г.), и в прениях по докладу И. Е. Тамма "Проблема атомного ядра" на мартовской сессии Академии наук СССР в 1936 г. [112]. Показав непригодность ряда в принципе возможных объяснений, Курчатов отметил: "остается допустить, что массовое число и порядковый номер элемента еще не определяют всех свойств ядра... Следует, по-видимому, допустить существование ядер-изомеров: это два изотопа с одним и тем же массовым числом, но разной структуры" (выделено Курчатовым, - А. Г. и В. Ф.) [111, с. 210].

Итак, Курчатов впервые выдвинул гипотезу, согласно которой одно из ядер 80Вr или 82Вr является изомерным, и этому одному ядру надо приписать два из наблюдаемых трех периодов радиоброма (какие именно два - оставалось пока тоже неизвестным). В 1937 г. в двух независимых одна от другой работах [113, 114; 115] было показано, что два периода (~17 мин и ~4.4 ч) необходимо приписать одному ядру - брому-80, которое, следовательно, является изомерным; период 36 ч относится к брому-82. Таким образом, гипотеза Курчатова оказалась правильной.

Не приходится сомневаться, что, придя к этой гипотезе, Игорь Васильевич не раз обдумывал задачу, как определить, какие два из трех периодов радиоброма следует приписать одному и тому же ядру. Следы этих размышлений (правда, в необычной для Курчатова форме краткого замечания, с трудом поддающегося расшифровке) можно усмотреть в двух фразах, сказанных им во время только, что упомянутого выступления на сессии АН СССР в марте 1936 г. Вот эти фразы: "Ввиду того, что области (резонансного поглощения нейтронов,- А. Г. и В. Ф.) не совпадают у разных изотопов одного итого же элемента, возможно определить распространенность этих изотопов путем соответствующих измерений и сравнить ее с определенной на масс-спектрографе. Понятно, что такое сравнение могло бы дать существенный материал для суждения об изомерии" [112, с. 342]. Возможно, что ход мыслей Игоря Васильевича был примерно следующим. Будем облучать природный бром, состоящий из двух стабильных изотопов - ⁷⁹Вr и ⁸¹Вr, медленными нейтронами, энергия которых далека от резонансных значений для этих изотопов. Можно считать, что в таких условиях сечения реакций (n, γ) будут одинаковыми для этих двух сортов ядер брома.^* В таком случае, если в результате реакций (n, γ) возникали бы только два радиоброма (отсутствие изомерии), их выходы относились бы как распространенности соответствующих стабильных изотопов брома а¹ и а² (а¹ ≈ 50.5%, а₂ ≈ 49.5%), т. е. В₁ : В₂ ≈ 1. Однако в случае возникновения трех активностей брома будет получено три значения выходов: В_i, В_к и В_l, причем соотношения между ними должны быть такими: В_i : В_к ≠ 1 и В_i : B_l ≠ 1" тогда как В_i : (B_к+B_l) ≈ 1. Отсюда последовал бы вывод, что обе активности k и l принадлежат одному изомерному ядру. Конкретно в рассматриваемом случае мы получили бы, что В (17 мин) + B (4.4 ч) ≈ В (36 ч), и отсюда установили бы, что активности с периодами 17 мин и 4.4 ч относятся к изомерному ядру. В данном частном случае, когда α₁ Η α₂, вопрос о том, какое из ядер Вr⁸⁰ или Вr⁸² является изомерным, остается открытым. Но для других изомеров, для которых значения α₁ и α₂ оказались бы существенно разными, пользуясь указанным методом, очевидно, можно определить и массовое число изомерного ядра. Таким образом, если верна изложенная здесь интерпретация слов Курчатова, он предложил независимый метод приписания двух активностей одному (изомерному) ядру. Обычно же это производится с помощью метода "перекрестных ядерных реакций", как и было сделано в работах [113-115].

^* (В действительности, как стало известно позже, эти сечения могут оказаться существенно неодинаковыми из-за оболочечных эффектов.)

В выступлении Курчатова на мартовской сессии Академии наук есть еще один пункт, который нуждается в комментарии. Его можно рассматривать как свидетельство того, что Курчатов в общих чертах правильно представлял себе, как в ядерной реакции образуются два ядра-изомера. Игорь Васильевич сообщил, что в его лаборатории для двух активностей родия, которые следует считать изомерными, были определены энергии резонансных нейтронов, и оказалось, что эти энергии одинаковы. "Мы склонны думать, что эта особенность сама по себе также говорит в пользу представления об изомерии" [112, с. 342]. Действительно, с точки зрения современных знаний о ядерной изомерии резонансные энергии нейтронов, создающих в реакции (n, γ) две активности одного изомерного ядра, должны совпадать.

Конец 1936 г. ознаменовался важным событием в истории изучения ядерной изомерии - была опубликована статья К. Вайцзеккера "Метастабильные состояния атомных ядер" [116]. В ней предлагалась удачная гипотеза о природе явления ядерной изомерии. Вайцзеккер не ссылается на работы Гамова [107-108], однако в точности повторяет его положения: один из членов изомерной пары должен быть метастабильным возбужденным состоянием ядра, тогда как второй член этой пары - ядро того же состава, находящееся в основном состоянии. Далее выдвигается новая, основная мысль этой работы: причиной метастабильности является сильный квантово-механический запрет, существенно уменьшающий вероятность γ-перехода возбужденного состояния в основное, т. е. приводящий к большому времени жизни ядра в метастабильном состоянии. Этот запрет связан с двумя обстоятельствами - относительно малой энергией возбуждения метастабильного уровня и относительно большой разницей угловых моментов (спинов) метастабильного и основного состояний.

При дальнейшем изучении ядерной изомерии было необходимо показать, прежде всего экспериментально, что общие представления о природе этого явления, развитые Гамовым и Вайцзеккером, правильны. Для этого, если говорить, в частности, о броме, надо было ответить по меньшей мере на три вопроса: 1) какая из двух разновидностей брома-80 представляет собой возбужденный изомер, 2) какова энергия возбуждения метастабильного уровня, 3) как идет распад с метастабильного уровня - испускаются ли γ-лучи и конверсионные электроны ("изомерный переход") или идет β-распад. Полную ясность в эти вопросы удалось внести группе, работавшей под общим руководством Курчатова. "Бригадиром" в этой группе был Л. И. Русинов. В хорошо продуманной последовательности работ [117-120] было показано, что метастабильным является бром-80 с периодом 4.5 ч и что имеет место изомерный переход, причем схема его оказалась несколько сложнее, чем предполагалось в теории: метастабильным оказался не первый, а второй возбужденный уровень ядра ⁸⁰Вr с энергией возбуждения ~86 кэВ.

С 1937 г. работы по ядерной изомерии проводились во многих лабораториях разных стран. Как это часто бывало и в других областях науки, многие идеи, касавшиеся постановки экспериментов или толкования их результатов, возникали независимо и почти одновременно в разных лабораториях. Изучение ядерной изомерии уже в ранние годы принесло богатый экспериментальный материал о свойствах ядерных уровней и характере переходов, и этими данными широко пользовались при создании и проверке различных моделей в теории ядра. Экспериментальные методы определения типа и порядка мультипольности γ-излучения, разработанные в трудах по ядерной изомерии, стали классическими; они вошли в арсенал средств, широко используемых в современной ядерной спектроскопии.^*

^* (Более подробно история изучения ядерной изомерии изложена в обзоре [121].)

Остановимся на одной идее, высказанной Курчатовым в 1939 г. Наличие ядерной изомерии отмечали в тех случаях, когда одному нуклиду приходилось приписывать два периода. Но если один из этих периодов будет слишком коротким (например, 1 с или меньше), его трудно обнаружить с помощью обычных методов радиоактивных измерений, и такие случаи изомерии останутся незамеченными. Поскольку, однако, изомерный переход может происходить во многих случаях преимущественно путем испускания конверсионных электронов, самый факт изомерии, независимо от величины периода полураспада, можно установить, если непосредственно во время облучения мишени нейтронами будут наблюдаться конверсионные электроны. По их энергии можно установить энергию возбуждения изомерного уровня, а по величине коэффициента внутренней конверсии иногда можно грубо оценить время жизни соответствующего уровня.

На основании таких соображений были поставлены опыты с целью установить существование изомерных ядер среди изотопов гадолиния [122, 123]. Полученные результаты позволили предположить, что один из изотопов гадолиния, по-видимому, обладает метастабильным состоянием с энергией возбуждения ~ 100 кэВ. Примерно такие же результаты были получены в Риме [124], причем было установлено, что Т < 1 мс.

Заметим, что современный уровень экспериментальной техники позволяет непосредственно измерять очень короткие времена жизни возбужденных ядерных состояний (например, 10^-14 с и меньше). Однако изучение "мгновенных" конверсионных электронов в некоторых случаях сохраняет свое значение как способ определения порядка мультипольности соответствующего перехода.

В отчете о своих научных исследованиях, направленном А. Ф. Иоффе в 1941 г. [125], Курчатов сообщал, что он "вместе с Крицкой занимался изучением деталей превращения изомеров серебра, родия и кадмия по характеристическим рентгеновским лучам (работа не опубликована)". Под руководством Курчатова его аспирантка по Ленинградскому педагогическому институту им. М. Н. Покровского В. К. Крицкая в 1940-1941 гг. выполнила диссертационную работу на тему "Исследование метастабильных возбужденных уровней у некоторых элементов". Изучались изомеры стабильных ядер, возникающие при неупругом рассеянии нейтронов. С помощью наполненного смесью криптона и ксенона счетчика Гайгера - Мюллера наблюдались рентгеновские лучи; другой счетчик был приспособлен для счета мягких электронов (с энергией ~100 кэВ и меньше). Изомеры были найдены при облучении серебра (Т=40 с) и кадмия (T=50 мин). Попытки обнаружить изомерию в свинце и висмуте не привели к положительным результатам.