Isómeros nucleares. Isomería nuclear

ISOMERIA NUCLEAR- la existencia de ciertos núcleos, junto con el estado fundamental, de estados excitados de duración bastante larga (metaestable), llamados. isomérico. Fenómeno I.I. Fue descubierto en 1921 por O. Hahn, quien descubrió un radioacto. una sustancia que llamó uranio Z (UZ), que tenía el mismo número atómico Z y número másico A, como otro radioacto, la sustancia UX 2, pero se diferenciaba de ella en su vida media. Ambas sustancias fueron productos de la desintegración p del mismo elemento UX 1 (234 90 Th). Más tarde resultó que UZ y UX 2 son los estados fundamental e isomérico del núcleo 234 91 Pa (el estado isomérico se indica con el índice t, p.ej. 234m 91Ra). En 1935, I.V. Kurchatov, B.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky y L.I. Rusinov descubrieron que cuando el isótopo estable 79 35 Br se irradia con neutrones, se forma un radioacto. isótopo 80 35 Br, teniendo dos, que correspondían a desintegraciones del suelo y estados isoméricos. Otros estudios revelaron una gran cantidad de estados isoméricos de núcleos en descomposición. vidas medias de 3. 10 6 años (210m Bi) a varios. mks y ni siquiera. Minnesota. los núcleos tienen 2 y, por ejemplo, 160 pero tiene 4 estados isoméricos. La razón I. I. es un debilitamiento de la probabilidad de emisión de rayos gamma desde un estado excitado (ver. Radiación gamma Esto suele suceder cuando se combina una pequeña energía de transición con una gran diferencia en los valores de los momentos del número de movimientos I (momentos angulares) del comienzo. y estados finales. Cuanto mayor sea la multipolaridad y menor la energía de transición hw, menor será la probabilidad de una transición y. En algunos casos, el debilitamiento de la probabilidad de emisión de cuantos g se explica por características estructurales más complejas de los estados del núcleo, entre los cuales se produce una transición (diferentes estructuras del núcleo en los estados isoméricos y subyacentes). En la Fig. Las Figuras 1 y 2 muestran fragmentos de los esquemas de descomposición de los isómeros 234m 91 Pa y 80m 35 Br. En el caso del protactinio, la razón de I. i. es la baja energía y la alta multipolaridad. EZ gramo-transición. Es tan difícil que en la inmensa mayoría de los casos el isómero sufre una desintegración b (ver. desintegración beta núcleos). Para ciertos isómeros, la transición isomérica a menudo resulta completamente inobservable. En el caso de 80m 35 Vr I. I. está obligado a la transición g de la multipolaridad de los Estados miembros. El núcleo del estado isomérico (I p = 5 -) pasa a un estado de menor energía (2 -), que en poco tiempo pasa al estado principal. estado nuclear 80 35 br. En el caso del núcleo de 242 Am (Fig. 3) I. i. asociado con la transición g de la multipolaridad E4.

Arroz. 1. Esquema de desintegración del isómero 234m 91 Ra. Los estados fundamental (0) y isoméricos están resaltados con líneas gruesas; a la izquierda están los valores de espines y paridades (I p), a la derecha están la multipolaridad, el nivel de energías (en keV) y las vidas medias; Las probabilidades de varios canales de desintegración nuclear desde el estado isomérico se dan en%.

El estado isomérico decae principalmente a través de la transición g, pero en 5 de cada 1000 casos se observa desintegración alfa En los ejemplos dados, las transiciones isoméricas van acompañadas en la mayoría de los casos de la emisión de electrones de conversión en lugar de cuantos g (ver Fig. Conversión interna).

Arroz. 2. Esquema de descomposición del isómero 80m 35 Br; E.Z - captura electrónica.

Arroz. 3. Esquema de desintegración de 242 m 95 am.

Se observa una gran cantidad de transiciones isoméricas de multipolaridad M4 durante la "descarga" de estados excitados de núcleos impares, cuando el número de protones o neutrones se acerca al número mágico. números (islas de isomería). esto se explica modelo de caparazón del núcleo, como consecuencia del llenado de los estados vecinos g 9/2 y p 1/2, así como h 11/2 y d 3/2 (g, p, h, d- designaciones de los momentos orbitales de los nucleones, sus índices son los valores de espín).

Arroz. 4. Esquema de desintegración de 180m 72 Hf.

A diferencia de los ejemplos dados, el estado isomérico 180m 72 Hf (Fig. 4) pertenece a un núcleo estable y tiene una energía de excitación relativamente alta. La causa de la isomería es la transición g E1 fuertemente debilitada con una energía de 57,6 keV, que se inhibe 10 16 veces debido a las diferencias estructurales entre los estados 8 - y 8 +. En 1962, se descubrió en JINR un nuevo tipo de isomería de fisión. Resultó que ciertos isótopos de los elementos transuránicos U, Pu, Am, Cm y Bk tienen estados excitados con una energía de ~2-3 MeV, que decaen por

Otro tipo de transformación nuclear es cuando el núcleo no se desintegra, como en la desintegración alfa, y no cambia su composición, como en la desintegración beta, sino que permanece él mismo, pero solo, relativamente hablando, cambia de forma. Se llaman diferentes versiones del mismo núcleo, que se diferencian sólo en el movimiento y la orientación mutua de los espines de protones y neutrones. isómeros. Los diferentes isómeros tienen diferentes energías, por lo que al convertirlos entre sí se produce la emisión de un fotón.

Esto es muy similar a lo que ocurre con los átomos: hay un estado fundamental, con la energía más baja, y estados excitados, cuya energía es mayor. Cuando un átomo cambia su estructura electrónica y salta así de un nivel excitado a un nivel terrestre, emite un fotón. Es lo mismo en los granos. Para cada núcleo existe toda una escalera de estados excitados con mayor energía. Los isómeros excitados son inestables y normalmente regresan rápidamente al estado fundamental del núcleo, emitiendo un fotón. A veces, sin embargo, se desintegran en otros núcleos debido a la radiactividad ordinaria.

Así como los estados excitados de los átomos pueden ser de vida corta o larga, los isómeros nucleares también pueden tener vidas medias muy diferentes. Por analogía con las transiciones atómicas, si nada interfiere con la desintegración del estado excitado, puede ocurrir muy rápidamente, en tiempos del orden de zeptosegundos, es decir, literalmente en unos pocos “ciclos de reloj” de movimiento nuclear. Estos son, por ejemplo, la mayoría de los isómeros de los núcleos ligeros. En los núcleos pesados ​​el panorama es mucho más variado. Por ejemplo, entre los cientos de isómeros conocidos del núcleo de plomo 208 Pb, hay aquellos que viven desde decenas de zeptosegundos hasta nanosegundos.

En algunos casos, cuando la desintegración del isómero es muy difícil, la vida útil del núcleo excitado puede alcanzar segundos o más. Ya hemos encontrado un ejemplo de este tipo entre los isómeros del uranio. Otro ejemplo famoso es el isómero hafnio-178, denominado 178m2 Hf. Tiene un giro enorme: hasta 16 unidades. Esto hace que le resulte tan difícil la transición al estado fundamental que su vida media es 31 años. Esto ya es mucho, incluso para los estándares humanos. Incluso hubo propuestas para fabricar una especie de bomba nuclear “limpia” basada en este isómero de hafnio. Tomamos hafnio-178, lo ponemos en estado excitado, empaquetamos una pequeña cantidad del isómero en una cáscara y lo equipamos con un dispositivo para liberar energía. Cuando una bomba así explotara, sólo se liberarían fotones. Causaría destrucción a su alrededor sin una contaminación del medio ambiente por radiación a largo plazo y, por lo tanto, no estaría sujeto a acuerdos sobre armas nucleares "convencionales". Afortunadamente, manipular los niveles de energía en los núcleos es una tarea tan difícil que ninguna tecnología conocida de bombeo y liberación de energía se acerca a cumplir los requisitos requeridos. Por lo tanto, la bomba de hafnio puede considerarse por ahora una quimera.

Finalmente, en casos muy excepcionales, el núcleo excitado puede tener una vida tan larga que no se observe su desintegración en condiciones de laboratorio, y este isómero mismo puede estar presente en alguna concentración en condiciones naturales. Éste es, por ejemplo, el isómero del tantalio 180m Ta. Constituye el 0,012% de todo el tantalio natural y su vida útil es inmensamente larga (sólo se sabe que supera los 10 a 15 años).

En todos los estados subyacentes, están fuertemente reprimidos por las reglas de prohibición de giro y paridad. En particular, se suprimen las transiciones con alta multipolaridad (es decir, un gran cambio de espín requerido para una transición al estado subyacente) y baja energía de transición. A veces, la aparición de isómeros se asocia con una diferencia significativa en la forma del núcleo en diferentes estados de energía (como en 180 Hf).

Los isómeros se designan con la letra. metro(del inglés metaestable) en el índice de número de masa (por ejemplo, 80 metro Br) o en el índice superior derecho (por ejemplo, 80 Br metro). Si un nucleido tiene más de un estado excitado metaestable, se designan en orden creciente de energía con las letras metro, norte, pag, q y además en orden alfabético, o por letra metro con el número añadido: metro 1, metro 2, etc

De mayor interés son los isómeros relativamente estables con vidas medias desde 10 −6 segundos hasta muchos años.

Historia

El concepto de isomería de los núcleos atómicos surgió en 1921, cuando el físico alemán O. Hahn, estudiando la desintegración beta del torio-234, conocido en ese momento como “uranio-X1” (UX 1), descubrió una nueva sustancia radiactiva “uranio -Z” (UZ), que no se diferenciaba ni en propiedades químicas ni en número másico del ya conocido “uranio-X2” (UX 2), pero tenía una vida media diferente. En notaciones modernas, UZ y UX 2 corresponden a los estados isoméricos y fundamentales del isótopo 234 Pa. En 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky y L.I. Rusinov descubrieron un isómero del isótopo artificial de bromo 80 Br, formado junto con el estado fundamental del núcleo durante la captura de neutrones por el 79 Br estable. Tres años más tarde, bajo el liderazgo de I.V. Kurchatov, se estableció que la transición isomérica del bromo-80 se produce principalmente mediante conversión interna y no mediante la emisión de rayos gamma. Todo esto sentó las bases para un estudio sistemático de este fenómeno. Teóricamente, la isomería nuclear fue descrita por Karl Weizsäcker en 1936.

Propiedades físicas

La descomposición de estados isoméricos se puede realizar mediante:

• transición isomérica al estado fundamental (mediante emisión de un cuanto gamma o mediante conversión interna);
• desintegración beta y captura de electrones;
• fisión espontánea (para núcleos pesados);
• Radiación de protones (para isómeros altamente excitados).

La probabilidad de una u otra opción de desintegración está determinada por la estructura interna del núcleo y sus niveles de energía (así como los niveles de núcleos, posibles productos de desintegración).

En algunas áreas de números masivos existen los llamados. islas de isomería (en estas áreas los isómeros son especialmente comunes). Este fenómeno se explica por el modelo de capa nuclear, que predice la existencia en núcleos impares de niveles nucleares energéticamente cercanos con grandes diferencias de espín cuando el número de protones o neutrones se aproxima a los números mágicos.

Algunos ejemplos

ver también

Notas

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (alemán) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Inglés) ruso: revista. - 1921. - Bd. 54, núm. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. Alburger. Isomería nuclear// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Reacciones nucleares III. - pág.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 (francés) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des sciences (Inglés) ruso: revista. - 1935. - Vol. 200. - pág. 1201-1203.
4. , Con. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (inglés) // Naturwissenschaften (Inglés) ruso: diario. - 1936. - Vol. 24, núm. 51. - pág. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Física nuclear exótica para curiosos (ruso) // Ciencia y vida. - 2017. - No. 4. - págs. 96-100.
7. G.Audi et al. La evaluación NUBASE de las propiedades nucleares y de desintegración. Física Nuclear A, 1997, vol. 624, página 1-124. Copia archivada (indefinido) (enlace no disponible). Consultado el 17 de marzo de 2008.

Otros estados nucleares. En general, el término "metaestable" suele aplicarse a estados con una vida útil de 10 a 9 segundos o más.

Normalmente, la vida útil de estos estados es mucho mayor que el límite especificado y puede ser de minutos, horas y (en un caso, 180 m Ta) de aproximadamente 10 a 15 años.

1. Núcleos

Los núcleos de los isómeros nucleares se encuentran en un estado de mayor energía que los núcleos no excitados, que se encuentran en el llamado estado fundamental. En estado excitado, uno de los nucleones del núcleo ocupa un orbital nuclear con una energía superior al orbital libre de baja energía. Estos estados son similares a los estados de los electrones en los átomos.

Otro isómero nuclear muy estable conocido (con una vida media de 31 años) es el 178m2 Hf, que tiene la energía de conversión más alta de todos los isómeros conocidos con una vida comparable. 1 g de este isómero contiene 1,33 gigajulios de energía, lo que equivale a 315 kg de TNT. Se descompone emitiendo rayos gamma con una energía de 2,45 MeV. Se consideró que este material era capaz de realizar emisiones estimuladas y se consideró la posibilidad de crear un láser gamma a partir de él. También se han considerado otros isómeros como candidatos para esta función, pero hasta ahora, a pesar de grandes esfuerzos, no se han informado resultados positivos.

4. Solicitud

La desintegración de un isómero como el 177m Lu se produce a través de una cascada de niveles de energía nuclear, y se cree que podría usarse para crear explosivos y fuentes de energía que serían órdenes de magnitud más poderosas que los productos químicos tradicionales.

5. Procesos de descomposición

Los isómeros pasan a un estado de menor energía mediante dos tipos principales de transiciones isoméricas

Los isómeros también se pueden convertir en otros elementos. Por ejemplo, 177m Lu puede sufrir una desintegración beta con un período de 160,4 días, convirtiéndose en 177, o sufrir una conversión interna a 177 Lu, que a su vez sufre una desintegración beta a 177 Hf con una vida media de 6,68 días.

Ver también

6. Referencias

1. CB Collins y Alabama. Despoblación del estado isomérico 180 Ta m por la reacción 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Física. Rdo. C.- T. 37. - (1988) pág. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. belic y Alabama. Fotoactivación de 180 Ta m y sus implicaciones para la nucleosíntesis del isótopo natural más raro de la naturaleza / / Física. Rdo. letón.. - T. 83. - (1999) (25) pág. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
3. "Investigadores de la UNH buscan emisión estimulada de rayos gamma". Grupo de Física Nuclear de la UNH. 1997. Archivo

Los isómeros son núcleos atómicos que tienen el mismo número de neutrones y protones, pero diferentes propiedades físicas, en particular diferentes vidas medias.

Arroz. 6.1. Transición isomérica γ en el núcleo de 115 In.

La vida útil de los núcleos radiactivos γ suele ser del orden de 10 -12 –10 -17 s. En algunos casos, cuando se combina un alto grado de prohibición con una baja energía de transición γ, se pueden observar núcleos γ-radiactivos con vidas de orden macroscópico (hasta varias horas y, a veces, más). Estos estados excitados de larga duración de los núcleos se denominan isómeros . Un ejemplo típico de isómero es el isótopo de indio 115 In (fig. 6.1). El estado fundamental de 115 In tiene J P = 9/2 + . El primer nivel excitado tiene una energía igual a 335 keV y una paridad de espín de J P = 1/2 -. Por lo tanto, la transición entre estos estados se produce sólo mediante la emisión de un cuanto M4 γ. Esta transición está tan prohibida que la vida media del estado excitado resulta ser de 4,5 horas.
El fenómeno de la isomería nuclear fue descubierto en 1921 por O. Gann, quien descubrió que hay dos sustancias radiactivas que tienen el mismo número de masa A y número atómico Z, pero difieren en su vida media. Más tarde se demostró que se trataba de un estado isomérico de 234 m Pa. Según Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936), la isomería nuclear ocurre siempre que el momento angular de un núcleo en un estado excitado con una energía de excitación baja difiere en varias unidades del momento angular en cualquier estado que tenga una energía de excitación más baja. Un estado isomérico (metaestable) se definió como un estado excitado con una vida útil mensurable. A medida que mejoraron los métodos experimentales para la espectroscopia γ, las vidas medias mensurables disminuyeron a 10 -12 -10 -15 s.

Tabla 6.1

Estados emocionados 19 F

Se deben esperar estados isoméricos en los que los niveles de capa que están cerca entre sí en energía difieren mucho en los valores de espín. Es en estas zonas donde se ubican las llamadas “islas de isomería”. Por lo tanto, la presencia de un isómero en el isótopo 115 In anterior se debe al hecho de que le falta un protón para alcanzar la capa cerrada Z = 50), es decir, hay un “agujero” de protón. En el estado fundamental, este agujero se encuentra en la subcapa 1g 9/2, y en el estado excitado, en la subcapa 1p 1/2. Esta situación es típica. Las islas de isomería se encuentran inmediatamente antes de los números mágicos 50, 82 y 126 en el lado de Z y N más pequeños. Así, se observan estados isoméricos en los núcleos 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, que es cercano a 82), 199 Hg ( Z = 80, que es cercano a 82), etc. Nótese que, junto a los considerados, existen otras razones para la aparición de estados isoméricos. Actualmente se ha descubierto un gran número de isómeros con una vida media que oscila entre varios segundos y 3,10 6 años (210 m Bi). Muchos isótopos tienen varios estados isoméricos. La Tabla 6.2 muestra los parámetros de los isómeros de vida larga (T 1/2 > año).

Tabla 6.2

Parámetros de estados isoméricos de núcleos atómicos.