Nuklearni izomeri. Nuklearni izomerizam

ISOMERIA NUCLEAR- postojanje određenih jezgara, uz osnovno stanje, prilično dugovječnih (metastabilnih) pobuđenih stanja, tzv. izomerni. Fenomen I. I. je 1921. godine otkrio O. Hahn, koji je otkrio radioakt. supstancu koju je nazvao uranijum Z (UZ), koji je imao isti atomski broj Z i maseni broj A, kao i drugi radioakt, supstanca UX 2, ali se od nje razlikovala po poluraspadu. Obje supstance su produkti p-raspada istog elementa UX 1 (234 90 Th). Kasnije se ispostavilo da su UZ i UX 2 osnovna i izomerna stanja jezgra 234 91 Pa (izomerno stanje je označeno indeksom T, npr. 234m 91 Ra). Godine 1935. I.V. Kurchatov, B.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky i L.I. Rusinov otkrili su da kada se stabilni izotop 79 35 Br ozrači neutronima, nastaje radioakt. izotop 80 35 Br, koji ima dva, što je odgovaralo raspadima iz osnovnog i izomernog stanja. Daljnje studije su otkrile veliki broj izomernih stanja jezgara sa razgradnjom. poluživoti od 3. 10 6 godina (210m Bi) do nekoliko. mks pa čak ni. Mn. jezgra imaju 2, i, na primjer, 160 Ali ima 4 izomerna stanja. Razlog I. I. je slabljenje vjerovatnoće emisije gama zraka iz pobuđenog stanja (vidi. Gama zračenje To se obično događa kada se mala prijelazna energija kombinira s velikom razlikom u vrijednostima momenata broja pokreta I (kutnih momenata) početka. i konačna stanja. Što je veća multipolarnost i niža energija hw prijelaza, manja je vjerovatnoća y-prijelaza. U nekim slučajevima, slabljenje vjerovatnoće emisije g-kvanta objašnjava se složenijim strukturnim karakteristikama stanja jezgra između kojih dolazi do prijelaza (različite strukture jezgra u izomernom i osnovnom stanju). Na sl. Slike 1 i 2 prikazuju fragmente šema razlaganja za 234m 91 Pa i 80m 35 Br izomere. U slučaju protaktinija, razlog za I. i. je niska energija i visoka multipolarnost EZ g-tranzicija. Toliko je teško da u ogromnoj većini slučajeva izomer prolazi b-raspad (vidi. Beta raspad jezgra). Za određene izomere, izomerni prijelaz često postaje potpuno neprimjetan. U slučaju 80m 35 Vr I. I. je obavezan na g-tranziciju multipolarnosti MS. Jezgro iz izomernog stanja (I p = 5 -) prelazi u niže energetsko stanje (2 -), koje za kratko vrijeme prelazi u glavno stanje. nuklearno stanje 80 35 Br. U slučaju jezgra 242 Am (slika 3) I. i. povezan sa g-tranzicijom multipolarnosti E4.

Rice. 1. Šema raspada 234m 91 Ra izomera. Osnovna (0) i izomerna stanja su istaknuta debelim linijama; lijevo su vrijednosti spinova i pariteta (I p), desno su multipolarnost, energije nivoa (u keV) i poluživoti; Vjerojatnosti različitih kanala nuklearnog raspada iz izomernog stanja date su u %.

Izomerno stanje se uglavnom raspada kroz g-tranziciju, ali se u 5 od 1000 slučajeva primećuje alfa raspad U navedenim primjerima, izomerni prijelazi su u većini slučajeva praćeni emisijom elektrona konverzije, a ne g kvanta (vidi Sl. Interna konverzija).

Rice. 2. Šema razlaganja 80m 35 Br izomera; E.Z - elektronsko snimanje.

Rice. 3. Šema propadanja 242m 95 Am.

Veliki broj izomernih prelaza multipolarnosti M4 uočava se tokom „pražnjenja“ pobuđenih stanja neparnih jezgara, kada se broj protona ili neutrona približava magičnom broju. brojevi (ostrva izomerizma). Ovo je objašnjeno model ljuske jezgra, kao posledica punjenja susednih stanja g 9/2 i p 1/2, kao i h 11/2 i d 3/2 (g, p, h, d- oznake orbitalnih momenata nukleona, indeksi za njih su spin vrijednosti).

Rice. 4. Šema raspada 180m 72 Hf.

Za razliku od navedenih primjera, izomerno stanje 180m 72 Hf (slika 4) pripada stabilnom jezgru i ima relativno visoku energiju pobude. Razlog za izomerizam je jako oslabljena g-tranzicija E1 sa energijom od 57,6 keV, koja je inhibirana 10 16 puta zbog strukturnih razlika između 8 - i 8 + stanja. Godine 1962. u JINR je otkrivena nova vrsta fisione izomerije. Pokazalo se da pojedini izotopi transuranijumskih elemenata U, Pu, Am, Cm i Bk imaju pobuđena stanja sa energijom od ~2-3 MeV, koja se raspadaju za

Druga vrsta nuklearne transformacije je kada se jezgro ne raspada, kao kod alfa raspada, i ne mijenja svoj sastav, kao kod beta raspada, već ostaje samo po sebi, ali samo, relativno govoreći, mijenja svoj oblik. Različite verzije istog jezgra, koje se razlikuju samo po kretanju i međusobnoj orijentaciji spinova protona i neutrona, nazivaju se izomeri. Različiti izomeri imaju različite energije, tako da njihovo pretvaranje jedan u drugi rezultira emisijom fotona.

Ovo je vrlo slično onome što se dešava sa atomima: postoji osnovno stanje, sa najnižom energijom, i pobuđena stanja, čija je energija veća. Kada atom promijeni svoju elektronsku strukturu i na taj način skoči sa pobuđenog nivoa na nivo tla, on emituje foton. Isto je i u kernelima. Za svako jezgro postoji čitav niz pobuđenih stanja sa povećanom energijom. Pobuđeni izomeri su nestabilni i obično se brzo vraćaju u osnovno stanje jezgra, emitujući foton. Ponekad se, međutim, raspadaju na druga jezgra zbog obične radioaktivnosti.

Kao što pobuđena stanja atoma mogu biti kratkotrajna ili dugovječna, nuklearni izomeri također mogu imati vrlo različite poluživote. Po analogiji s atomskim prijelazima, ako ništa ne ometa raspad pobuđenog stanja, to se može dogoditi vrlo brzo, u vremenima reda veličine zeptosekunde, odnosno bukvalno u nekoliko "ciklusa sata" nuklearnog kretanja. To su, na primjer, većina izomera lakih jezgara. U teškim jezgrima slika je mnogo raznovrsnija. Na primjer, među stotinama poznatih izomera olovnog jezgra 208 Pb, postoje oni koji žive od desetina zeptosekundi do nanosekundi.

U nekim slučajevima, kada je raspad izomera vrlo težak, životni vijek pobuđenog jezgra može doseći nekoliko sekundi ili više. Već smo naišli na jedan takav primjer među izomerima uranijuma. Drugi poznati primjer je izomer hafnija-178, označen kao 178m2 Hf. Ima ogroman obrt - čak 16 jedinica. To mu otežava prelazak u osnovno stanje da mu je vrijeme poluraspada 31 godina. Ovo je već mnogo čak i po ljudskim standardima. Bilo je čak i prijedloga da se napravi neka vrsta "čiste" nuklearne bombe na bazi ovog izomera hafnija. Uzimamo hafnij-178, stavljamo ga u pobuđeno stanje, upakujemo malu količinu izomera u ljusku i opremimo je uređajem za oslobađanje energije. Kada bi takva bomba eksplodirala, oslobađali bi se samo fotoni. Prouzročio bi uništenje oko sebe bez dugotrajne radijacijske kontaminacije okoliša, te stoga ne bi bio predmet sporazuma o “konvencionalnom” nuklearnom oružju. Na sreću, manipulisanje nivoima energije u jezgrima je toliko težak zadatak da nijedna poznata tehnologija pumpanja i oslobađanja energije nije ni blizu ispunjavanja zahtevanih zahteva. Dakle, hafnijumska bomba se za sada može smatrati neizvesnim snom.

Konačno, u vrlo izuzetnim slučajevima, pobuđeno jezgro može biti toliko dugovječno da se njegovo raspadanje ne opaža u laboratorijskim uvjetima, a sam ovaj izomer može čak biti prisutan u određenoj koncentraciji u prirodnim uvjetima. Ovo je, na primjer, izomer tantala 180m Ta. On čini 0,012% ukupnog prirodnog tantala, a životni vijek mu je nemjerljivo dug (poznato je samo da prelazi 10 15 godina).

U svim osnovnim državama, oni su snažno potisnuti pravilima zabrane spina i pariteta. Konkretno, potiskuju se prijelazi s visokom multipolarnošću (tj. velika promjena spina potrebna za prijelaz u osnovno stanje) i niskom prijelaznom energijom. Ponekad je pojava izomera povezana sa značajnom razlikom u obliku jezgra u različitim energetskim stanjima (kao kod 180 Hf).

Izomeri su označeni slovom m(od engleskog metastable) u indeksu masenih brojeva (na primjer, 80 m Br) ili u gornjem desnom indeksu (na primjer, 80 Br m). Ako nuklid ima više od jednog metastabilnog pobuđenog stanja, oni se označavaju slovima po rastućoj energiji m, n, str, q i dalje po abecednom redu, ili slovima m sa dodanim brojem: m 1, m 2 itd.

Najveći interes su relativno stabilni izomeri sa poluživotom od 10 -6 sekundi do mnogo godina.

Priča

Koncept izomerizma atomskih jezgara nastao je 1921. godine, kada je njemački fizičar O. Hahn, proučavajući beta raspad torija-234, u to vrijeme poznat kao "uranijum-X1" (UX 1), otkrio novu radioaktivnu supstancu "uranijum -Z” (UZ ), koji se ni po hemijskim svojstvima ni po masenom broju nije razlikovao od već poznatog “uranija-X2” (UX 2), ali je imao drugačije vreme poluraspada. U modernim notacijama, UZ i UX 2 odgovaraju izomernim i osnovnim stanjima izotopa 234 Pa. Godine 1935. B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky i L.I. Rusinov otkrili su izomer vještačkog izotopa broma 80 Br, nastao zajedno sa osnovnim stanjem jezgra tokom hvatanja neutrona od strane stabilnog 79 Br. Tri godine kasnije, pod vodstvom I.V. Kurchatova, ustanovljeno je da se izomerna tranzicija broma-80 događa uglavnom unutarnjom konverzijom, a ne emisijom gama zraka. Sve je to postavilo osnovu za sistematsko proučavanje ovog fenomena. Teoretski, nuklearni izomerizam opisao je Karl Weizsäcker 1936. godine.

Fizička svojstva

Razlaganje izomernih stanja može se izvesti na sljedeći način:

• izomerni prijelaz u osnovno stanje (emisijom gama kvanta ili internom konverzijom);
• beta raspad i hvatanje elektrona;
• spontana fisija (za teška jezgra);
• protonsko zračenje (za visoko pobuđene izomere).

Verovatnoća određene opcije raspada određena je unutrašnjom strukturom jezgra i njegovim energetskim nivoima (kao i nivoima jezgara - mogućim produktima raspada).

U nekim oblastima masovnih brojeva postoje tzv. ostrva izomerizma (u ovim oblastima izomeri su posebno česti). Ovaj fenomen se objašnjava modelom nuklearne ljuske, koji predviđa postojanje u neparnim jezgrama energetski bliskih nuklearnih nivoa sa velikim spin razlikama kada je broj protona ili neutrona blizu magičnim brojevima.

Neki primjeri

vidi takođe

Bilješke

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (njemački) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (engleski) ruski: časopis. - 1921. - Bd. 54, br. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. Alburger. Nuklearni izomerizam// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. - str. 1.
3. J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (francuski) // Comptes rendus hebdomadaires des seances de l "Académie des sciences (engleski) ruski: časopis. - 1935. - Vol. 200. - P. 1201-1203.
4. , With. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engleski) // Naturwissenschaften (engleski) ruski: journal. - 1936. - Vol. 24, br. 51. - P. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Egzotična nuklearna fizika za znatiželjne (ruski) // Nauka i život. - 2017. - br. 4. - str. 96-100.
7. G.Audi et al. NUBASE procjena nuklearnih i raspadnih svojstava. Nuklearna fizika A, 1997, vol. 624, str. 1-124. Arhivirana kopija (nedefinirano) (link nedostupan). Pristupljeno 17. marta 2008.

Druge nuklearne države. Općenito, termin „metastabilan“ se obično primjenjuje na stanja sa životnim vijekom od 10 -9 sekundi ili više.

Tipično, životni vijek ovih stanja je mnogo duži od specificirane granice, i može biti minuta, sati i (u jednom slučaju 180m Ta) približno 10 15 godina.

1. Jezgra

Jezgra nuklearnih izomera su u stanju više energije od nepobuđenih jezgara, koje su u takozvanom osnovnom stanju. U pobuđenom stanju, jedan od nukleona jezgra zauzima nuklearnu orbitu s energijom većom od slobodne orbite s niskom energijom. Ova stanja su slična stanjima elektrona u atomima.

Drugi poznati vrlo stabilni nuklearni izomer (sa poluživotom od 31 godine) je 178 m2 Hf, koji ima najveću energiju konverzije od svih poznatih izomera sa uporedivim životnim vijekom. 1 g ovog izomera sadrži 1,33 gigadžula energije, što je ekvivalentno 315 kg TNT-a. Razgrađuje se emitiranjem gama zraka s energijom od 2,45 MeV. Smatralo se da je ovaj materijal sposoban za stimulisanu emisiju, a razmatrana je i mogućnost stvaranja gama lasera na osnovu njega. Drugi izomeri su također razmatrani kao kandidati za ovu ulogu, ali do sada, uprkos velikim naporima, nisu zabilježeni pozitivni rezultati.

4. Aplikacija

Raspad izomera kao što je 177m Lu događa se kroz kaskadu nivoa nuklearne energije, i vjeruje se da bi se mogao koristiti za stvaranje eksploziva i izvora energije koji bi bili za redove magnitude moćniji od tradicionalnih kemikalija.

5. Procesi raspadanja

Izomeri prelaze u niže energetsko stanje pomoću dva glavna tipa izomernih prelaza

Izomeri se takođe mogu pretvoriti u druge elemente. Na primjer, 177m Lu može biti podvrgnut beta raspadu u periodu od 160,4 dana, pretvarajući se u 177, ili podvrgnuti internoj konverziji u 177 Lu, koji zauzvrat prolazi kroz beta raspad do 177 Hf sa poluživotom od 6,68 dana.

Vidi također

6. Reference

1. C. B. Collins et al. Depopulacija izomernog stanja 180 Ta m reakcijom 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rev. C.- T. 37. - (1988) P. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. Belic et al. Fotoaktivacija 180 Ta m i njene implikacije na nukleosintezu najrjeđeg prirodnog izotopa u prirodi // Phys. Rev. Lett.. - T. 83. - (1999.) (25) str. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
3. "Istraživači UNH-a traže stimulisanu emisiju gama zraka". Grupa za nuklearnu fiziku UNH. 1997. Arhiv

Izomeri su atomske jezgre koje imaju isti broj neutrona i protona, ali različita fizička svojstva, posebno različita vremena poluraspada.

Rice. 6.1. Izomerna γ tranzicija u jezgru 115 In.

Životni vijek γ-radioaktivnih jezgara je obično reda veličine 10 -12 -10 -17 s. U nekim slučajevima, kada je visok stepen zabrane kombinovan sa niskom energijom γ-tranzicije, mogu se uočiti γ-radioaktivna jezgra sa životnim vekom makroskopskog reda (do nekoliko sati, a ponekad i više). Takva dugovječna pobuđena stanja jezgara nazivaju se izomeri . Tipičan primjer izomera je izotop indija 115 In (slika 6.1). Osnovno stanje 115 In ima J P = 9/2 + . Prvi pobuđeni nivo ima energiju jednaku 335 keV i spinski paritet J P = 1/2 - . Prema tome, prijelaz između ovih stanja se događa samo putem emisije M4 γ-kvanta. Ova tranzicija je toliko strogo zabranjena da se ispostavi da je poluživot pobuđenog stanja 4,5 sata.
Fenomen nuklearne izomerije otkrio je 1921. godine O. Gann, koji je otkrio da postoje dvije radioaktivne supstance koje imaju isti maseni broj A i atomski broj Z, ali se razlikuju po poluraspadu. Kasnije se pokazalo da je to bilo izomerno stanje od 234 m Pa. Prema Weizsäckeru (Naturwiss. 24, 813, 1936), nuklearna izomerija se javlja kad god se ugaoni moment jezgra u pobuđenom stanju s malom energijom pobude razlikuje od ugaonog momenta u bilo kojem stanju sa manjom energijom pobude za nekoliko jedinica ć. Izomerno (metastabilno) stanje je definirano kao pobuđeno stanje s mjerljivim životnim vijekom. Kako su se eksperimentalne metode za γ-spektroskopiju poboljšale, mjerljivi poluživoti su pali na 10 -12 -10 -15 s.

Tabela 6.1

Uzbuđena stanja 19 F

Treba očekivati ​​izomerna stanja u kojima se nivoi ljuske koji su bliski jedan drugom po energiji jako razlikuju u vrijednostima spina. Upravo u tim područjima nalaze se takozvana “otoka izomerizma”. Dakle, prisustvo izomera u gore navedenom 115 In izotopu je zbog činjenice da mu nedostaje jedan proton da dođe do zatvorene ljuske Z = 50), tj. postoji jedna protonska „rupa“. U osnovnom stanju, ova rupa je u podljusci 1g 9/2, au pobuđenom stanju u podljusci 1p 1/2. Ova situacija je tipična. Ostrva izomerizma nalaze se neposredno ispred magijskih brojeva 50, 82 i 126 na strani manjih Z i N. Tako se izomerna stanja uočavaju u jezgrima 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, što je blizu 82), 199 Hg (Z = 80, što je blizu 82) itd. Imajte na umu da, pored razmatranih, postoje i drugi razlozi za pojavu izomernih stanja. Trenutno je otkriven veliki broj izomera s vremenom poluraspada od nekoliko sekundi do 3·10 6 godina (210m Bi). Mnogi izotopi imaju nekoliko izomernih stanja. U tabeli 6.2 prikazani su parametri dugovječnih izomera (T 1/2 > godina).

Tabela 6.2

Parametri izomernih stanja atomskih jezgara