ایزومرهای هسته ای ایزومریسم هسته ای

ایزومری هسته ای- وجود هسته های خاص، همراه با حالت پایه، از حالت های برانگیخته نسبتاً طولانی (دیگر پایدار) نامیده می شود. ایزومر پدیده I. I. در سال 1921 توسط O. Hahn که یک رادیواکتوس را کشف کرد، کشف شد. ماده ای که او اورانیوم Z (UZ) نامید که عدد اتمی Z و عدد جرمی یکسانی داشت آمانند رادیواکت دیگر، ماده UX 2، اما از نظر نیمه عمر با آن تفاوت داشت. هر دو ماده محصول فروپاشی p همان عنصر UX 1 (234 90 Th) بودند. بعداً مشخص شد که UZ و UX 2 حالت های زمینی و ایزومری هسته 234 91 Pa هستند (وضعیت ایزومر با شاخص نشان داده می شود. تی، به عنوان مثال. 234 متر 91 رادیوم). در سال 1935، I.V. Kurchatov، B.V. Kurchatov، L.V. Mysovsky و L.I. Rusinov کشف کردند که وقتی ایزوتوپ پایدار 79 35 Br با نوترون تابش می شود، رادیواکتی تشکیل می شود. ایزوتوپ 80 35 Br، دارای دو، که مربوط به واپاشی از زمین و ایالات ایزومر است. مطالعات بیشتر تعداد زیادی از حالت های ایزومری هسته ها را با تجزیه نشان داد. نیمه عمر از 3. 10 6 سال (210 متر بی) تا چند. mks و نه حتی. منگنز هسته ها 2 دارند و مثلاً 160 اما 4 حالت ایزومر دارد. دلیل I.I. تضعیف احتمال تابش اشعه گاما از حالت برانگیخته است (نگاه کنید به. تابش گامااین معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که یک انرژی انتقال کوچک با تفاوت زیادی در مقادیر لحظه‌های تعداد حرکات I (لحظه‌های زاویه‌ای) آغاز ترکیب شود. و حالات نهایی هرچه چندقطبی بیشتر و انرژی انتقال hw کمتر باشد، احتمال انتقال y کمتر است. در برخی موارد، تضعیف احتمال انتشار g-quanta با ویژگی‌های ساختاری پیچیده‌تر حالت‌های هسته توضیح داده می‌شود، که بین آنها یک انتقال رخ می‌دهد (ساختارهای مختلف هسته در حالت‌های ایزومر و زیربنایی). در شکل شکل های 1 و 2 قطعاتی از طرح های تجزیه را برای ایزومرهای 234m 91 Pa و 80m 35 Br نشان می دهند. در مورد پروتاکتینیم دلیل I.i کم انرژی و چندقطبی زیاد است EZ g-انتقال آنقدر دشوار است که در اکثریت قریب به اتفاق موارد ایزومر دچار فروپاشی b می شود (نگاه کنید به. فروپاشی بتاهسته ها). برای ایزومرهای خاص، گذار ایزومری اغلب به طور کامل غیر قابل مشاهده می شود. در مورد 80m 35 Vr I. I. موظف به انتقال g چند قطبی MS است. هسته از حالت ایزومر (I p = 5 -) به حالت انرژی پایین تر (2 -) می رود که در مدت کوتاهی به حالت اصلی می رود. دولت هسته ای 80 35 Br. در مورد هسته 242 Am (شکل 3) I. i. مرتبط با انتقال g از چند قطبی E4.

برنج. 1. طرح فروپاشی ایزومر 234m 91 Ra. حالت های زمین (0) و ایزومر با خطوط ضخیم برجسته می شوند. در سمت چپ مقادیر اسپین ها و برابری ها (I p)، در سمت راست چند قطبی، انرژی های سطح (به کو) و نیمه عمر هستند. احتمالات کانال های مختلف واپاشی هسته ای از حالت ایزومر بر حسب درصد داده شده است.

حالت ایزومر عمدتاً از طریق g-transition تجزیه می شود، اما در 5 مورد از 1000 مورد مشاهده می شود. پوسیدگی آلفادر مثال‌های ارائه شده، انتقال‌های ایزومری در بیشتر موارد با انتشار الکترون‌های تبدیلی به جای کوانتوم‌های گرم همراه است (شکل 2 را ببینید). تبدیل داخلی).

برنج. 2. طرح تجزیه ایزومر 80m 35 Br. E.Z - ضبط الکترونیکی.

برنج. 3. طرح فروپاشی 242m 95 Am.

تعداد زیادی از انتقال ایزومری چند قطبی M4 در هنگام "تخلیه" حالت های برانگیخته هسته های فرد مشاهده می شود، زمانی که تعداد پروتون ها یا نوترون ها به عدد جادویی نزدیک می شود. اعداد (جزایر ایزومریسم). این توضیح داده شده است مدل پوسته هسته، در نتیجه پر شدن ایالت های همسایه g 9/2 و p 1/2، و همچنین h 11/2 و d 3/2 (g، p، h، d- تعیین گشتاورهای مداری نوکلئون ها، شاخص های آنها مقادیر اسپین هستند).

برنج. 4. طرح فروپاشی 180m 72 Hf.

بر خلاف مثال های داده شده، حالت ایزومر 180m 72 Hf (شکل 4) متعلق به یک هسته پایدار است و انرژی تحریک نسبتا بالایی دارد. دلیل ایزومریسم G-transition E1 به شدت ضعیف شده با انرژی 57.6 کو است که 10 16 بار به دلیل تفاوت های ساختاری بین حالت های 8 - و 8 + مهار می شود. در سال 1962، نوع جدیدی از ایزومریسم شکافت در JINR کشف شد. مشخص شد که ایزوتوپ‌های خاصی از عناصر فرااورانیومی U، Pu، Am، Cm و Bk دارای حالت‌های برانگیخته با انرژی ~2-3 MeV هستند که توسط آن تجزیه می‌شوند.

نوع دیگری از دگرگونی هسته ای زمانی است که هسته، مانند واپاشی آلفا، تجزیه نمی شود، و ترکیب خود را مانند فروپاشی بتا تغییر نمی دهد، بلکه خودش باقی می ماند، اما فقط، به طور نسبی، شکل خود را تغییر می دهد. نسخه های مختلف یک هسته، که فقط در حرکت و جهت گیری متقابل اسپین های پروتون ها و نوترون ها متفاوت هستند، نامیده می شوند. ایزومرها. ایزومرهای مختلف انرژی های متفاوتی دارند، بنابراین تبدیل آنها به یکدیگر منجر به گسیل یک فوتون می شود.

این بسیار شبیه به آنچه برای اتم ها اتفاق می افتد است: یک حالت پایه، با کمترین انرژی، و حالت های برانگیخته وجود دارد که انرژی آن بالاتر است. هنگامی که یک اتم ساختار الکترونیکی خود را تغییر می دهد و در نتیجه از یک سطح برانگیخته به سطح زمین می پرد، یک فوتون ساطع می کند. در کرنل ها هم همینطور است. برای هر هسته یک نردبان کامل از حالت های برانگیخته با افزایش انرژی وجود دارد. ایزومرهای برانگیخته ناپایدار هستند و معمولاً به سرعت به حالت پایه هسته باز می گردند و فوتون ساطع می کنند. با این حال، گاهی اوقات آنها به دلیل رادیواکتیویته معمولی به هسته های دیگر تجزیه می شوند.

همانطور که حالت های برانگیخته اتم ها می توانند کوتاه مدت یا طولانی مدت باشند، ایزومرهای هسته ای نیز می توانند نیمه عمر بسیار متفاوتی داشته باشند. بر اساس قیاس با انتقال اتمی، اگر چیزی در فروپاشی حالت برانگیخته تداخل نداشته باشد، می تواند بسیار سریع، در زمان هایی از مرتبه ی زپتوثانیه، یعنی به معنای واقعی کلمه در چند "سیکل ساعت" حرکت هسته ای. به عنوان مثال، اینها اکثر ایزومرهای هسته های سبک هستند. در هسته های سنگین تصویر بسیار متنوع تر است. به عنوان مثال، در میان صدها ایزومر شناخته شده هسته سرب 208 Pb، ایزومرهایی وجود دارند که از ده ها زپتوثانیه تا نانوثانیه زندگی می کنند.

در برخی موارد، زمانی که فروپاشی ایزومر بسیار دشوار است، طول عمر هسته برانگیخته می تواند به ثانیه یا بیشتر برسد. ما قبلاً در بین ایزومرهای اورانیوم با یکی از این نمونه ها مواجه شده ایم. نمونه معروف دیگر ایزومر هافنیوم-178 است که 178 متر مربع Hf نامگذاری شده است. چرخش بزرگی دارد - به اندازه 16 واحد. این امر انتقال به حالت پایه را برای آن چنان دشوار می کند که نیمه عمر آن است 31 سال. این در حال حاضر حتی با استانداردهای انسانی بسیار است. حتی پیشنهادهایی برای ساخت نوعی بمب هسته ای "پاک" بر اساس این ایزومر هافنیوم وجود داشت. هافنیوم-178 را می گیریم، آن را در حالت برانگیخته قرار می دهیم، مقدار کمی از ایزومر را در یک پوسته بسته بندی می کنیم و آن را به وسیله ای برای آزادسازی انرژی مجهز می کنیم. وقتی چنین بمبی منفجر می شد، فقط فوتون ها آزاد می شدند. بدون آلودگی طولانی مدت تشعشعات محیطی باعث تخریب اطراف خود می شود و بنابراین مشمول توافقات در مورد سلاح های هسته ای "متعارف" نخواهد بود. خوشبختانه، دستکاری سطوح انرژی در هسته ها آنقدر کار دشواری است که هیچ فناوری شناخته شده پمپاژ و رهاسازی انرژی به نیازهای مورد نیاز نزدیک نمی شود. بنابراین بمب هافنیوم در حال حاضر می تواند یک رویای لوله در نظر گرفته شود.

در نهایت، در موارد بسیار استثنایی، هسته برانگیخته شده ممکن است آنقدر عمر طولانی داشته باشد که فروپاشی آن در شرایط آزمایشگاهی مشاهده نشود و خود این ایزومر حتی ممکن است در برخی غلظت ها در شرایط طبیعی وجود داشته باشد. به عنوان مثال، این ایزومر تانتالوم 180m Ta است. این 0.012٪ از کل تانتالیوم طبیعی را تشکیل می دهد و طول عمر آن بی اندازه طولانی است (فقط مشخص است که بیش از 10 15 سال است).

در همه ایالت های زیربنایی، قوانین ممنوعیت اسپین و برابری به شدت سرکوب می شوند. به طور خاص، انتقال با چند قطبی بالا (یعنی یک تغییر بزرگ اسپین مورد نیاز برای انتقال به حالت زیربنایی) و انرژی انتقال کم سرکوب می‌شوند. گاهی اوقات ظاهر ایزومرها با تفاوت قابل توجهی در شکل هسته در حالت های مختلف انرژی همراه است (مانند 180 Hf).

ایزومرها با حرف مشخص می شوند متر(از متاستاب انگلیسی) در شاخص عدد جرمی (مثلاً 80 متر Br) یا در نمایه سمت راست بالا (به عنوان مثال 80 Br متر). اگر یک نوکلید بیش از یک حالت برانگیخته ناپایدار داشته باشد، آنها به ترتیب افزایش انرژی با حروف تعیین می شوند. متر, n, پ, qو بیشتر به ترتیب حروف الفبا یا حروف متربا شماره اضافه شده: متر 1, متر 2 و غیره

ایزومرهای نسبتاً پایدار با نیمه عمر از 10-6 ثانیه تا چندین سال، بیشترین علاقه را دارند.

داستان

مفهوم ایزومریسم هسته های اتمی در سال 1921 مطرح شد، زمانی که فیزیکدان آلمانی O. Hahn، در حال مطالعه واپاشی بتا توریم-234، که در آن زمان به نام "اورانیوم-X1" (UX 1) شناخته می شد، یک ماده رادیواکتیو جدید "اورانیوم" را کشف کرد. -Z" (UZ)، که نه از نظر خواص شیمیایی و نه از نظر تعداد جرم با "اورانیوم-X2" (UX 2) از قبل شناخته شده تفاوتی نداشت، اما نیمه عمر متفاوتی داشت. در نمادهای مدرن، UZ و UX 2 با حالت های ایزومر و پایه ایزوتوپ 234 Pa مطابقت دارند. در سال 1935، B.V. Kurchatov، I.V. Kurchatov، L.V. Mysovsky و L.I. Rusinov ایزومری از ایزوتوپ برم مصنوعی 80 Br را کشف کردند که همراه با حالت پایه هسته در هنگام گرفتن نوترون ها توسط پایدار 79 Br تشکیل شد. سه سال بعد، تحت رهبری I.V. Kurchatov، مشخص شد که انتقال ایزومری برم 80 عمدتاً از طریق تبدیل داخلی رخ می دهد و نه از طریق انتشار پرتوهای گاما. همه اینها اساس مطالعه سیستماتیک این پدیده را ایجاد کرد. از لحاظ نظری، ایزومریسم هسته ای توسط کارل ویزسکر در سال 1936 توصیف شد.

مشخصات فیزیکی

تجزیه حالات ایزومری را می توان با موارد زیر انجام داد:

• انتقال ایزومر به حالت پایه (با گسیل یک کوانتوم گاما یا از طریق تبدیل داخلی).
• واپاشی بتا و جذب الکترون؛
• شکافت خود به خود (برای هسته های سنگین)؛
• تابش پروتون (برای ایزومرهای بسیار برانگیخته).

احتمال یک گزینه واپاشی خاص توسط ساختار داخلی هسته و سطوح انرژی آن (و همچنین سطوح هسته ها - محصولات احتمالی پوسیدگی) تعیین می شود.

در برخی مناطق اعداد جرمی به اصطلاح وجود دارد. جزایر ایزومریسم (در این مناطق ایزومرها به ویژه رایج هستند). این پدیده با مدل پوسته هسته‌ای توضیح داده می‌شود که وجود هسته‌های فرد سطوح هسته‌ای با انرژی نزدیک با تفاوت‌های اسپین بزرگ را زمانی که تعداد پروتون‌ها یا نوترون‌ها نزدیک به اعداد جادویی است، پیش‌بینی می‌کند.

چند نمونه

همچنین ببینید

یادداشت

1. اتو هان.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (آلمانی) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (انگلیسی)روسی: مجله. - 1921. - Bd. 54، شماره 6. - س 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. آلبرگر. ایزومریسم هسته ای// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag، 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. - ص 1.
3. J. V. کورتچاتوف، B. V. کورتچاتوف، L. V. Misowski، L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (فرانسوی) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des Sciences (انگلیسی)روسی: مجله. - 1935. - جلد. 200. - ص 1201-1203.
4. ، با. 617.
5. سی. فون وایزکر. Metastabile Zustände der Atomkerne (انگلیسی) // Naturwissenschaften (انگلیسی)روسی: مجله. - 1936. - جلد. 24، شماره 51. - ص 813-814.
6. کنستانتین موخین.فیزیک هسته ای عجیب و غریب برای کنجکاوها (روسی) // علم و زندگی. - 2017. - شماره 4. - ص 96-100.
7. جی آئودی و همکارانارزیابی NUBASE خواص هسته ای و واپاشی Nuclear Physics A, 1997, vol. 624، صفحه 1-124. کپی بایگانی شده (تعریف نشده) (لینک در دسترس نیست). بازیابی شده در 17 مارس 2008.

سایر کشورهای هسته ای به طور کلی، اصطلاح "دیگر پایدار" معمولاً برای حالت هایی با طول عمر 10 تا 9 ثانیه یا بیشتر به کار می رود.

به طور معمول، طول عمر این حالت ها بسیار بیشتر از حد تعیین شده است و می تواند دقیقه، ساعت و (در یک مورد 180 متر Ta) تقریباً 10 15 سال باشد.

1. هسته ها

هسته های ایزومرهای هسته ای در حالت انرژی بالاتری نسبت به هسته های تحریک نشده که در اصطلاح در حالت پایه هستند قرار دارند. در حالت برانگیخته، یکی از نوکلئون‌های هسته یک اوربیتال هسته‌ای با انرژی بالاتر از اوربیتال آزاد با انرژی کم را اشغال می‌کند. این حالت ها مشابه حالت های الکترون ها در اتم ها هستند.

یکی دیگر از ایزومرهای هسته ای بسیار پایدار شناخته شده (با نیمه عمر 31 سال) 178 متر مربع Hf است که بالاترین انرژی تبدیل را در بین تمام ایزومرهای شناخته شده با طول عمر قابل مقایسه دارد. 1 گرم از این ایزومر حاوی 1.33 گیگاژول انرژی است که معادل 315 کیلوگرم TNT است. با انتشار پرتوهای گاما با انرژی 2.45 مگا ولت تجزیه می شود. این ماده قابلیت انتشار تحریکی را دارد و امکان ایجاد لیزر گاما بر اساس آن در نظر گرفته شد. ایزومرهای دیگری نیز به عنوان کاندیدای این نقش در نظر گرفته شده اند که تاکنون علیرغم تلاش های فراوان نتیجه مثبتی گزارش نشده است.

4. کاربرد

فروپاشی ایزومری مانند 177m Lu از طریق آبشاری از سطوح انرژی هسته‌ای رخ می‌دهد، و اعتقاد بر این است که می‌توان از آن برای ایجاد مواد منفجره و منابع انرژی استفاده کرد که در قدر قوی‌تر از مواد شیمیایی سنتی هستند.

5. فرآیندهای پوسیدگی

ایزومرها توسط دو نوع انتقال ایزومری به حالت انرژی پایین تر منتقل می شوند

ایزومرها را می توان به عناصر دیگر نیز تبدیل کرد. به عنوان مثال، 177m Lu ممکن است تحت واپاشی بتا با یک دوره 160.4 روزه قرار گیرد، به 177 تبدیل شود، یا تحت تبدیل داخلی به 177 Lu قرار گیرد، که به نوبه خود دچار فروپاشی بتا به 177 Hf با نیمه عمر 6.68 روز می شود.

همچنین ببینید

6. مراجع

1. سی بی کالینز et al.کاهش جمعیت از حالت ایزومر 180 Tam توسط واکنش 180 Tam (γ, γ") 180 Ta / / فیزیک کشیش سی.- T. 37. - (1988) P. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. بلیچ et al.فعال سازی نوری 180 تا متر و پیامدهای آن برای سنتز هسته ای نادرترین ایزوتوپ طبیعی طبیعت // فیزیک کشیش Lett.. - T. 83. - (1999) (25) ص 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
3. "محققان UNH به دنبال تشعشع اشعه گامای تحریک شده هستند". گروه فیزیک هسته ای UNH. 1376. آرشیو

ایزومرها هسته های اتمی هستند که تعداد نوترون ها و پروتون های یکسانی دارند، اما خواص فیزیکی متفاوتی دارند، به ویژه نیمه عمر متفاوتی دارند.

برنج. 6.1. انتقال γ ایزومری در هسته 115 در.

طول عمر هسته های رادیواکتیو γ معمولاً در حدود 10-12-10-17 ثانیه است. در برخی موارد، هنگامی که درجه بالایی از ممنوعیت با انرژی کم انتقال γ ترکیب می‌شود، هسته‌های رادیواکتیو γ با طول عمر مرتبه ماکروسکوپی (تا چندین ساعت و گاهی اوقات بیشتر) می‌توانند مشاهده شوند. چنین حالت های برانگیخته با عمر طولانی هسته ها نامیده می شود ایزومرها . یک مثال معمولی از ایزومر، ایزوتوپ ایندیم 115 اینچ است (شکل 6.1). حالت پایه 115 In دارای J P = 9/2 + است. اولین سطح برانگیخته دارای انرژی برابر با 335 کو و برابری اسپین JP = 1/2 - است. بنابراین، انتقال بین این حالت‌ها تنها از طریق انتشار یک کوانتوم γ M4 اتفاق می‌افتد. این انتقال آنقدر ممنوع است که نیمه عمر حالت برانگیخته 4.5 ساعت است.
پدیده ایزومری هسته ای در سال 1921 توسط O. Gann کشف شد، او کشف کرد که دو ماده رادیواکتیو وجود دارد که دارای اعداد جرمی A و عدد اتمی Z هستند، اما در نیمه عمر متفاوت هستند. بعدها نشان داده شد که این حالت ایزومری 234 متر پاسکال است. به گفته ویزسکر (Naturwiss. 24, 813, 1936)، ایزومری هسته ای زمانی رخ می دهد که تکانه زاویه ای یک هسته در حالت برانگیخته با انرژی تحریک کم با تکانه زاویه ای در هر حالتی که انرژی تحریک کمتری دارد چندین واحد متفاوت باشد. حالت ایزومری (دیگر پایدار) به عنوان حالت برانگیخته با طول عمر قابل اندازه گیری تعریف شد. همانطور که روش های تجربی برای طیف سنجی γ بهبود یافت، نیمه عمر قابل اندازه گیری به 10-12-10-15 ثانیه کاهش یافت.

جدول 6.1

حالت های هیجان زده 19 F

حالت های ایزومری را باید انتظار داشت که در آن سطوح پوسته ای که از نظر انرژی نزدیک به یکدیگر هستند در مقادیر اسپین بسیار متفاوت باشند. در این مناطق است که به اصطلاح "جزایر ایزومریسم" واقع شده است. بنابراین، وجود ایزومر در ایزوتوپ 115 در بالا به این دلیل است که فاقد یک پروتون برای رسیدن به پوسته بسته Z = 50 است، یعنی یک "سوراخ" پروتون وجود دارد. در حالت پایه، این سوراخ در زیر پوسته 1g 9/2 و در حالت برانگیخته در زیر پوسته 1p 1/2 قرار دارد. این وضعیت معمولی است. جزایر ایزومری بلافاصله قبل از اعداد جادویی 50، 82 و 126 در سمت Z و N کوچکتر قرار دارند. بنابراین، حالت های ایزومر در هسته های 86 Rb (N = 49)، 131 Te (N = 79، که برابر است) مشاهده می شود. نزدیک به 82)، 199 جیوه (Z = 80، که نزدیک به 82 است)، و غیره. توجه داشته باشید که، به همراه موارد در نظر گرفته شده، دلایل دیگری برای ظهور حالت های ایزومر وجود دارد. در حال حاضر، تعداد زیادی ایزومر با نیمه عمر از چند ثانیه تا 3 · 10 6 سال (210m Bi) کشف شده است. بسیاری از ایزوتوپ ها دارای چندین حالت ایزومری هستند. جدول 6.2 پارامترهای ایزومرهای با عمر طولانی را نشان می دهد (T 1/2 > سال).

جدول 6.2

پارامترهای حالت های ایزومر هسته اتم