Nükleer izomerler. Nükleer izomerizm

İZEMERİ NÜKLEER- oldukça uzun ömürlü (yarı kararlı) uyarılmış durumların temel durumuyla birlikte belirli çekirdeklerin varlığı denir. izomerik. Fenomen I. I. 1921 yılında radyoaktiviteyi keşfeden O. Hahn tarafından keşfedildi. Z atom numarası ve kütle numarası aynı olan uranyum Z (UZ) adını verdiği bir madde A, başka bir radyoaktivite gibi, UX 2 maddesi de yarı ömrü bakımından ondan farklıydı. Her iki madde de aynı element UX 1'in (234 90 Th) p bozunmasının ürünleriydi. Daha sonra UZ ve UX 2'nin 234 91 Pa çekirdeğinin temel ve izomerik durumları olduğu ortaya çıktı (izomerik durum indeks ile gösterilir) T, Örneğin. 234m 91 Ra). 1935 yılında I.V. Kurchatov, B.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky ve L.I. Rusinov, kararlı izotop 79 35 Br'nin nötronlarla ışınlandığında bir radyoakt oluştuğunu keşfettiler. izotop 80 35 Br, iki taneye sahip, bu da topraktaki bozunmalara ve izomerik durumlara karşılık geliyordu. Daha ileri çalışmalar, ayrışma ile birlikte çekirdeklerin çok sayıda izomerik durumunu ortaya çıkardı. yarılanma ömrü 3'ten itibaren. 10 6 yıl (210 milyon Bi) ila birkaç kişi. mks ve hatta değil. Mn. çekirdeklerin 2 ve örneğin 160'ı vardır. Ancak 4 izomerik durumu vardır. Sebebi I. I. uyarılmış bir durumdan gama ışını emisyonu olasılığının zayıflamasıdır (bkz. Gama radyasyonu Bu genellikle küçük bir geçiş enerjisi, başlangıçtaki hareket sayısı I'in (açısal momentler) anlarının değerlerinde büyük bir farkla birleştirildiğinde meydana gelir. ve son durumları. Çok kutupluluk ne kadar yüksekse ve hw geçiş enerjisi ne kadar düşükse, y geçişinin olasılığı da o kadar düşük olur. Bazı durumlarda, g-kuanta emisyon olasılığının zayıflaması, aralarında bir geçişin meydana geldiği çekirdeğin durumlarının daha karmaşık yapısal özellikleriyle açıklanır (izomerik ve altta yatan durumlarda çekirdeğin farklı yapıları). İncirde. Şekil 1 ve 2, 234m 91 Pa ve 80m 35 Br izomerlerine yönelik ayrışma şemalarının parçalarını göstermektedir. Protaktinyum durumunda I.i.'nin nedeni düşük enerji ve yüksek çok kutupluluktur. EZ G-geçiş. Bu o kadar zordur ki vakaların büyük çoğunluğunda izomer b-bozunmasına uğrar (bkz. Beta bozunmasıçekirdekler). Belirli izomerler için izomerik geçiş çoğunlukla tamamen gözlemlenemez hale gelir. 80m 35 Vr durumunda I.I. MS'in çok kutupluluğunun g-geçişine mecburdur. İzomerik durumdan (I p = 5 -) çekirdek, kısa sürede ana duruma geçen daha düşük bir enerji durumuna (2 -) geçer. nükleer devlet 80 35 Br. 242 Am çekirdeği durumunda (Şekil 3) I. i. çok kutupluluk E4'ün g-geçişi ile ilişkilidir.

Pirinç. 1. 234m 91 Ra izomerinin bozunma şeması. Temel (0) ve izomerik durumlar kalın çizgilerle vurgulanmıştır; solda spin ve parite değerleri (I p), sağda çok kutupluluk, seviye enerjileri (keV cinsinden) ve yarı ömürler; İzomerik durumdan kaynaklanan çeşitli nükleer bozunma kanallarının olasılıkları % olarak verilmiştir.

İzomerik durum esas olarak g-geçişi yoluyla bozulur, ancak 1000 vakanın 5'inde gözlenir alfa bozunması Verilen örneklerde izomerik geçişlere çoğu durumda g-kuantum yerine dönüşüm elektronlarının emisyonu eşlik etmektedir (bkz. Dahili dönüşüm).

Pirinç. 2. 80m35Br izomerinin ayrışma şeması; E.Z - elektronik yakalama.

Pirinç. 3. 242m 95 Am'in çürüme şeması.

Proton veya nötron sayısı sihirli sayıya yaklaştığında, tek çekirdeklerin uyarılmış durumlarının "deşarjı" sırasında çok kutuplu M4'ün çok sayıda izomerik geçişi gözlenir. sayılar (izomerizm adaları). Bu açıklandı çekirdeğin kabuk modeli komşu durumların g 9/2 ve p 1/2 ile h 11/2 ve doldurulmasının bir sonucu olarak d 3/2 (g, p, h, d- nükleonların yörüngesel momentlerinin tanımları, bunların endeksleri spin değerleridir).

Pirinç. 4. 180m 72 Hf'nin bozunum şeması.

Verilen örneklerin aksine, 180m 72 Hf izomerik durumu (Şekil 4), kararlı bir çekirdeğe aittir ve nispeten yüksek bir uyarılma enerjisine sahiptir. İzomerizmin nedeni, 8 - ve 8 + durumları arasındaki yapısal farklılıklar nedeniyle 10 16 kez engellenen, 57,6 keV enerjiye sahip güçlü bir şekilde zayıflatılmış g-geçişi E1'dir. 1962'de JINR'de yeni bir tür fisyon izomerizmi keşfedildi. U, Pu, Am, Cm ve Bk transuranyum elementlerinin belirli izotoplarının ~2-3 MeV enerjili uyarılmış durumlara sahip olduğu ve bu izotopların zamanla bozunduğu ortaya çıktı.

Nükleer dönüşümün başka bir türü, çekirdeğin alfa bozunmasında olduğu gibi çürümemesi ve beta bozunmasında olduğu gibi bileşimini değiştirmemesi, ancak kendisi kalması, ancak nispeten konuşursak yalnızca şeklini değiştirmesidir. Aynı çekirdeğin, yalnızca proton ve nötronların dönüşlerinin hareketi ve karşılıklı yönelimi bakımından farklılık gösteren farklı versiyonlarına denir. izomerler. Farklı izomerler farklı enerjilere sahiptir, dolayısıyla bunların birbirine dönüştürülmesi bir foton emisyonuyla sonuçlanır.

Bu, atomlarda olana çok benzer: En düşük enerjiye sahip bir temel durum ve enerjisi daha yüksek olan uyarılmış durumlar vardır. Bir atom elektronik yapısını değiştirip uyarılmış seviyeden yer seviyesine atladığında bir foton yayar. Çekirdeklerde de durum aynı. Her çekirdek için artan enerjiye sahip bir dizi uyarılmış durum vardır. Uyarılmış izomerler kararsızdır ve genellikle bir foton yayarak çekirdeğin temel durumuna hızla dönerler. Ancak bazen sıradan radyoaktivite nedeniyle başka çekirdeklere bozunurlar.

Nasıl ki atomların uyarılmış halleri kısa veya uzun ömürlü olabiliyorsa, nükleer izomerlerin de yarı ömürleri çok farklı olabilir. Atomik geçişlere benzer şekilde, uyarılmış durumun bozulmasına hiçbir şey müdahale etmiyorsa, bu çok hızlı bir şekilde gerçekleşebilir. zeptosaniye yani kelimenin tam anlamıyla nükleer hareketin birkaç "saat döngüsünde". Bunlar örneğin hafif çekirdeklerin izomerlerinin çoğunluğudur. Ağır çekirdeklerde tablo çok daha çeşitlidir. Örneğin, 208 Pb kurşun çekirdeğinin bilinen yüzlerce izomeri arasında onlarca zeptosaniyeden nanosaniyeye kadar yaşayanlar vardır.

Bazı durumlarda izomerin bozunmasının çok zor olduğu durumlarda, uyarılan çekirdeğin ömrü saniyelere veya daha fazlasına ulaşabilir. Uranyum izomerleri arasında böyle bir örnekle zaten karşılaştık. Bir başka ünlü örnek ise 178 m2 Hf olarak adlandırılan hafniyum-178 izomeridir. Çok büyük bir dönüşü var - 16 birime kadar. Bu onun temel duruma geçişini o kadar zorlaştırır ki, yarı ömrü 31 yıl. Bu zaten insan standartlarına göre bile çok fazla. Bu hafniyum izomerine dayalı bir tür "temiz" nükleer bomba yapma önerileri bile vardı. Hafniyum-178'i alıp heyecanlı bir duruma getiriyoruz, az miktarda izomeri bir kabuğa paketliyoruz ve onu enerjiyi serbest bırakacak bir cihazla donatıyoruz. Böyle bir bomba patladığında yalnızca fotonlar açığa çıkar. Çevreyi uzun vadeli radyasyonla kirletmeden kendi etrafında yıkıma neden olacak ve bu nedenle “konvansiyonel” nükleer silahlara ilişkin anlaşmalara konu olmayacak. Neyse ki, çekirdeklerdeki enerji seviyelerini değiştirmek o kadar zor bir iştir ki, bilinen hiçbir enerji pompalama ve salma teknolojisi gerekli gereksinimleri karşılamaya yaklaşamaz. Yani hafniyum bombası şimdilik boş bir hayal olarak değerlendirilebilir.

Son olarak, çok istisnai durumlarda, uyarılmış çekirdek o kadar uzun ömürlü olabilir ki, laboratuvar koşullarında bozunması gözlemlenemeyebilir ve hatta bu izomerin kendisi, doğal koşullar altında belirli bir konsantrasyonda mevcut olabilir. Bu, örneğin tantal 180m Ta'nın izomeridir. Tüm doğal tantalın %0,012'sini oluşturur ve ömrü ölçülemeyecek kadar uzundur (sadece 10 15 yılı aştığı bilinmektedir).

Tüm temel durumlarda, spin ve parite yasağı kuralları tarafından güçlü bir şekilde bastırılırlar. Özellikle, yüksek çok kutupluluğa (yani, temel duruma geçiş için gereken büyük bir dönüş değişikliğine) ve düşük geçiş enerjisine sahip geçişler bastırılır. Bazen izomerlerin ortaya çıkışı, farklı enerji durumlarında (180 Hf'de olduğu gibi) çekirdeğin şeklindeki önemli bir farklılıkla ilişkilendirilir.

İzomerler harfle belirtilir M(İngiliz metastabilinden) kütle numarası indeksinde (örneğin, 80 M Br) veya sağ üst dizinde (örneğin, 80 Br) M). Bir nüklit birden fazla yarı kararlı uyarılmış duruma sahipse, bunlar artan enerji sırasına göre harflerle gösterilir. M, N, P, Q ve ayrıca alfabetik sıraya göre veya harfe göre M eklenen sayıyla birlikte: M 1, M 2 vb.

En çok ilgi çekenler yarı ömürleri 10−6 saniyeden uzun yıllara kadar olan nispeten kararlı izomerlerdir.

Hikaye

Atom çekirdeği izomerizmi kavramı, 1921'de, o zamanlar "uranyum-X1" (UX 1) olarak bilinen toryum-234'ün beta bozunmasını inceleyen Alman fizikçi O. Hahn'ın yeni bir radyoaktif madde olan "uranyum"u keşfetmesiyle ortaya çıktı. -Z" (UZ ), ne kimyasal özelliklerde ne de kütle numarasında zaten bilinen "uranyum-X2"den (UX 2) farklı değildi, ancak farklı bir yarı ömre sahipti. Modern gösterimlerde UZ ve UX 2, 234 Pa izotopunun izomerik ve temel durumlarına karşılık gelir. 1935 yılında B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky ve L.I. Rusinov, nötronların kararlı 79 Br tarafından yakalanması sırasında çekirdeğin temel durumuyla birlikte oluşan yapay brom izotopu 80 Br'nin bir izomerini keşfetti. Üç yıl sonra, I.V. Kurchatov'un önderliğinde, brom-80'in izomerik geçişinin, gama kuantasının emisyonu yoluyla değil, esas olarak dahili dönüşüm yoluyla gerçekleştiği tespit edildi. Bütün bunlar bu fenomenin sistematik bir çalışmasının temelini oluşturdu. Teorik olarak nükleer izomerizm 1936'da Karl Weizsäcker tarafından tanımlandı.

Fiziki ozellikleri

İzomerik durumların ayrıştırılması şu şekilde gerçekleştirilebilir:

• temel duruma izomerik geçiş (bir gama kuantumunun emisyonu veya dahili dönüşüm yoluyla);
• beta bozunması ve elektron yakalama;
• kendiliğinden fisyon (ağır çekirdekler için);
• proton radyasyonu (yüksek derecede uyarılmış izomerler için).

Belirli bir bozunma seçeneğinin olasılığı, çekirdeğin iç yapısı ve enerji seviyeleri (ayrıca çekirdeklerin seviyeleri - olası bozunma ürünleri) tarafından belirlenir.

Bazı bölgelerde kütle sayıları sözde vardır. izomerizm adaları (bu bölgelerde izomerler özellikle yaygındır). Bu fenomen, proton veya nötron sayısı sihirli sayılara yakın olduğunda, büyük dönüş farklılıklarına sahip, enerjisel olarak yakın nükleer seviyelerin tek çekirdeklerinde varlığını öngören nükleer kabuk modeliyle açıklanmaktadır.

Bazı örnekler

Ayrıca bakınız

Notlar

1. Otto Hahn.Über eine neue radyoaktif Substanz im Uran (Almanca) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (İngilizce) Rusça: dergi. - 1921. - Bd. 54, No. 6. - S.1131-1142. -DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. Alburger. Nükleer izomerizm// El Kitabı der fizik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nükleer Reaksiyonlar III. - S.1.
3. J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Nötron bombardımanına neden olan yapay bir radyoaktivite vakası sırasında, nötron yakalamadan (Fransızca) // "Bilimler Akademisi"ndeki oturumların özetini oluşturuyor (İngilizce) Rusça: dergi. - 1935. - Cilt. 200. - S.1201-1203.
4. , İle. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (İngilizce) // Naturwissenschaften (İngilizce) Rusça: günlük. - 1936. - Cilt. 24, hayır. 51. - S.813-814.
6. Konstantin Muhin. Meraklı için egzotik nükleer fizik (Rusça) // Bilim ve yaşam. - 2017. - Sayı 4. - s. 96-100.
7. G.Audi ve ark. Nükleer ve bozunma özelliklerinin NUBASE değerlendirmesi. Nükleer Fizik A, 1997, cilt. 624, sayfa 1-124. Arşivlenmiş kopya (Tanımsız) (kullanılamayan bağlantı). Erişim tarihi: 17 Mart 2008.

Diğer nükleer devletler. Genel olarak, "metastabil" terimi genellikle ömrü 10-9 saniye veya daha fazla olan durumlara uygulanır.

Tipik olarak, bu durumların ömrü belirtilen sınırdan çok daha uzundur ve dakikalar, saatler ve (bir durumda 180 milyon Ta) yaklaşık 10 15 yıl olabilir.

1. Çekirdekler

Nükleer izomerlerin çekirdekleri, temel durum olarak adlandırılan uyarılmamış çekirdeklerden daha yüksek bir enerji durumundadır. Uyarılmış bir durumda, çekirdeğin nükleonlarından biri, düşük enerjili serbest yörüngeden daha yüksek enerjiye sahip bir nükleer yörüngeyi işgal eder. Bu durumlar atomlardaki elektronların durumlarına benzer.

Bilinen diğer bir çok kararlı nükleer izomer (yarı ömrü 31 yıl olan) 178m2 Hf'dir ve bu, benzer bir ömre sahip bilinen tüm izomerler arasında en yüksek dönüşüm enerjisine sahiptir. Bu izomerin 1 gramı 1,33 gigajule enerji içerir, bu da 315 kg TNT'ye eşdeğerdir. 2,45 MeV enerjili gama ışınları yayarak ayrışır. Bu malzemenin uyarılmış emisyona sahip olduğu düşünüldü ve buna dayalı bir gama lazeri oluşturma olasılığı göz önünde bulunduruldu. Diğer izomerler de bu rol için aday olarak değerlendirildi ancak yoğun çabalara rağmen şu ana kadar herhangi bir olumlu sonuç bildirilmedi.

4. Başvuru

177m Lu gibi bir izomerin bozunması, bir dizi nükleer enerji seviyesi yoluyla meydana gelir ve bunun, geleneksel kimyasallardan çok daha güçlü olan patlayıcılar ve enerji kaynakları oluşturmak için kullanılabileceğine inanılmaktadır.

5. Çürüme süreçleri

İzomerler, iki ana izomerik geçiş türüyle daha düşük bir enerji durumuna geçer

İzomerler ayrıca başka elementlere de dönüştürülebilir. Örneğin, 177m Lu, 160,4 günlük bir süre ile beta bozunmasına uğrayarak 177'ye dönüşebilir veya 177 Lu'ya dahili dönüşüme uğrayabilir, bu da 6,68 günlük bir yarılanma ömrüyle 177 Hf'ye beta bozunmasına uğrar.

Ayrıca bakınız

6. Referanslar

1. CB Collins ve al.İzomerik durumun popülasyonu 180 Ta m, 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / reaksiyonuyla Fizik. Rev. C.- T. 37. - (1988) S. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. Beliç ve al. 180 Ta m'nin Fotoaktivasyonu ve Doğanın En Nadir Doğal Olarak Oluşan İzotopunun Nükleosentezine Etkileri / / Fizik. Rev. Lett.. - T.83. - (1999) (25) S.5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
3. "UNH araştırmacıları uyarılmış gama ışını emisyonunu araştırıyor". UNH Nükleer Fizik Grubu. 1997. Arşiv

İzomerler, aynı sayıda nötron ve protona sahip olan, ancak farklı fiziksel özelliklere, özellikle de farklı yarı ömürlere sahip olan atom çekirdekleridir.

Pirinç. 6.1. 115 In çekirdeğinde izomerik γ geçişi.

γ-radyoaktif çekirdeklerin ömürleri genellikle 10 -12 –10 -17 s düzeyindedir. Bazı durumlarda, yüksek derecede yasaklama, düşük γ-geçiş enerjisi ile birleştirildiğinde, makroskobik düzeyde (birkaç saate kadar ve bazen daha fazla) ömürleri olan γ-radyoaktif çekirdekler gözlemlenebilir. Çekirdeklerin bu kadar uzun ömürlü uyarılmış hallerine denir. izomerler . Bir izomerin tipik bir örneği indiyum izotopu 115 In'dir (Şekil 6.1). 115 In'in temel durumu JP = 9/2 +'dır. Birinci uyarılmış seviyenin enerjisi 335 keV'ye eşittir ve spin paritesi JP = 1/2 -'dir. Bu nedenle, bu durumlar arasındaki geçiş yalnızca bir M4 γ-kuantumunun emisyonu yoluyla gerçekleşir. Bu geçiş o kadar şiddetle yasaklanmıştır ki uyarılmış durumun yarı ömrü 4,5 saattir.
Nükleer izomerizm olgusu, 1921'de, aynı kütle numaraları A ve atom numarası Z olan, ancak yarı ömürleri farklı olan iki radyoaktif maddenin bulunduğunu keşfeden O. Gann tarafından keşfedildi. Daha sonra bunun 234 m Pa'lık izomerik bir durum olduğu gösterildi. Weizsäcker'e göre (Naturwiss. 24, 813, 1936), nükleer izomerizm, düşük uyarılma enerjisine sahip uyarılmış bir durumdaki bir çekirdeğin açısal momentumu, daha düşük uyarma enerjisine sahip herhangi bir durumdaki açısal momentumdan birkaç birim ћ farklı olduğunda ortaya çıkar. İzomerik (metastabil) durum, ölçülebilir bir ömre sahip uyarılmış bir durum olarak tanımlandı. γ-spektroskopisine yönelik deneysel yöntemler geliştikçe ölçülebilir yarı ömürler 10 -12 -10 -15 saniyeye düştü.

Tablo 6.1

Heyecanlı durumlar 19 F

Enerji açısından birbirine yakın olan kabuk seviyelerinin spin değerlerinde büyük farklılık gösterdiği durumlarda izomerik durumlar beklenmelidir. Bu alanlarda sözde "izomerizm adaları" bulunur. Bu nedenle, yukarıdaki 115 In izotopunda bir izomerin varlığı, Z = 50 kapalı kabuğuna ulaşmak için bir protonun eksik olmasından kaynaklanmaktadır, yani bir proton "deliği" bulunmaktadır. Temel durumda bu delik 1g 9/2 alt kabuğunda, uyarılmış durumda ise 1p 1/2 alt kabuğundadır. Bu durum tipiktir. İzomerizm adaları, daha küçük Z ve N tarafında, 50, 82 ve 126 sihirli sayılarının hemen önünde bulunur. Böylece, 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79) çekirdeklerinde izomerik durumlar gözlenir; 82'ye yakın), 199 Hg ( Z = 80, 82'ye yakındır), vb. Dikkate alınanların yanı sıra izomerik durumların ortaya çıkmasının başka nedenlerinin de olduğunu unutmayın. Şu anda, birkaç saniyeden 3·106 yıla (210 m Bi) kadar yarı ömre sahip çok sayıda izomer keşfedilmiştir. Birçok izotopun birkaç izomerik durumu vardır. Tablo 6.2 uzun ömürlü izomerlerin parametrelerini göstermektedir (T 1/2 > yıl).

Tablo 6.2

Atom çekirdeğinin izomerik durumlarının parametreleri