Nuklearna izomerija. Nuklearna izomerija Pogledajte što je "Izomerija atomskih jezgri" u drugim rječnicima

Otkriveno je da postoje jezgre s istim brojevima, ali s različitim poluživotima. Takve se jezgre nazivaju izomeri.

Istraživanje fenomena nuklearne izomerije u umjetno radioaktivnim jezgrama provela je skupina sovjetskih fizičara predvođena Kurchatovom i Rusinovim. Umjetan

radioaktivnost koja nastaje zračenjem prirodne mješavine stabilnih izotopa sporim neutronima. U tom slučaju nastaju dva radioaktivna izotopa broma, kemijski neodvojiva jedan od drugog:

Iznenađujući rezultat ovih eksperimenata bilo je otkriće ne dva, već tri različita vremena poluraspada:

Očito je da se jedan od izotopa raspada na dva načina. Eksperiment je modificiran i nije ozračen neutronima, već -zrakama, što je izazvalo tzv. nuklearni fotoelektrični efekt

Nastali izotopi broma također su -aktivni i raspadaju se prema sljedećoj shemi:

Istraživanja su pokazala da se u ovom slučaju također promatraju ne dva, već tri poluživota:

Usporedbom procesa postalo je jasno da su s izotopom Brzb, nastalim u oba slučaja, povezana dva vremena poluraspada: min i sat, koji se također nalaze u obje serije eksperimenata. Bilo je potrebno objasniti postojanje dvaju različitih vremena poluraspada za isti izotop.

Daljnji eksperimenti su pokazali da se izomerija objašnjava prisutnošću metastabilnog stanja u ovoj jezgri, odnosno pobuđenog stanja iz kojeg je mala vjerojatnost prijelaza u osnovno stanje. Da biste ovo razumjeli, razmislite

detaljnije dijagram nuklearnog raspada. Kao rezultat prethodne nuklearne reakcije, jezgra se pojavljuje u visoko pobuđenom stanju.

Riža. 45. Shema raspada

Uklanjanje ekscitacije događa se na dva načina: jezgra se unutar jedne sekunde prebacuje u osnovno stanje tranzicijom, iz koje se već emitiraju čestice, ili se jezgra pomiče na metastabilnu razinu, daljnji prijelaz iz koje je u osnovno stanje zabranjen. prema pravilima selekcije. Kao rezultat toga, jezgra je "zapela" na metastabilnoj razini sa životnim vijekom od 4,4 sata; Prijelaz iz metastabilnog u osnovno stanje prati i -zračenje i unutarnja elektronska konverzija. Nakon toga, prijelaz s razine tla ponovno se događa uz pomoć -raspada uz stvaranje .

Dakle, promatramo, zapravo, isti spektar čestica nastalih tijekom prijelaza s glavne razine na glavnu razinu s jednim poluživotom min, ali zbog kašnjenja prijelaza unutar jezgre broma nastaje učinak što dovodi do dva poluživota.

Nuklearna izomerija nije rijetka pojava među nuklearnim transformacijama. Trenutno je poznato više od 100 izomera.

U vezi s gore opisanim fenomenom izomerije, postavlja se pitanje: koliko je vremena potrebno da jezgra prijeđe iz pobuđenog stanja u osnovno stanje? O čemu ovisi vrijeme emisije? Za njegovu procjenu koristimo se činjenicom da je energetska širina razine mjera nesigurnosti energije sustava koji se nalazi na toj razini. Vrijeme koje sustav ostaje u ovom stanju može se procijeniti iz relacije nesigurnosti:

U slučaju koji razmatramo, vrijednost i bit će prosječni životni vijek jezgre u pobuđenom stanju i energetska širina ove pobuđene razine. Iz iskustva je poznato da je širina spektralne linije obično reda veličine , dakle,

(ovo vrijeme je nemoguće izmjeriti postojećim instrumentima, dok se vrijednost može izmjeriti prilično precizno).

Stoga, obično Razmotrimo sada kako možemo objasniti prisutnost izomera i postojanje zabranjenih prijelaza za -zračenje.

Na različitim razinama, jezgra, kao što je već spomenuto, ima različite kutne momente. Budući da mora biti zadovoljen zakon održanja kutne količine gibanja, tijekom prijelaza razlika između momenata početne i konačne razine odnosi -kvant. To određuje pravila odabira.

Zračenje povezano s restrukturiranjem sustava naziva se dipolno zračenje; -kvadrupolno zračenje; na oktupolno zračenje; općenito zračenjem multipola reda.

Prema teoriji takvih prijelaza, koju je razvio Weidsäcker, -kvanti različite multipolarnosti nastaju kao rezultat različitih oscilacija unutar jezgre. Neki od tih procesa povezani su s preraspodjelom električnih naboja unutar jezgre (električno dipolno, kvadrupolno i dr. zračenje), drugi s preraspodjelom struja ili magnetskih momenata nukleona (magnetsko dipolno, kvadrupolno i dr. zračenje). momenti početnog stanja jezgre i konačnog stanja jezgre i momenta odnesenog -kvantom, mora postojati odnos

Međutim, iz klasične elektrodinamike je poznato da ako su dimenzije sustava male u usporedbi s X, tada se intenziteti zračenja različitih multipolarnosti razlikuju u mjeri faktora (dakle radijus jezgre, K - valna duljina jezgre). zračenje).

IZOMERIJA NUKLEARNA- postojanje određenih jezgri, uz osnovno stanje, prilično dugovječnih (metastabilnih) pobuđenih stanja, tzv. izomerni. Fenomen I. I. je 1921. otkrio O. Hahn, koji je otkrio radioakt. tvar koju je nazvao uran Z (UZ), koja je imala isti atomski broj Z i maseni broj A, kao i drugi radioaktiv, tvar UX 2, ali se od nje razlikovao po poluživotu. Obje tvari bile su produkti p-raspada istog elementa UX 1 (234 90 Th). Kasnije se pokazalo da su UZ i UX 2 osnovno i izomerno stanje jezgre 234 91 Pa (izomerno stanje je označeno indeksom T, npr. 234m 91 Ra). Godine 1935., I.V.Kurchatov, L.V.Mysovsky i L.I.Rusinov otkrili su da kada se stabilni izotop 79 35 Br formira neutronima. izotop 80 35 Br, koji ima dva, što odgovara raspadima iz osnovnog i izomernog stanja. Daljnja istraživanja otkrila su veliki broj izomernih stanja jezgri s raspadom. poluživoti od 3. 10 6 godina (210m Bi) do nekoliko. mks pa čak ni. Mn. jezgre imaju po 2, a npr. 160 Ali ima 4 izomerna stanja. Razlog I. I. je slabljenje vjerojatnosti emisije gama zraka iz pobuđenog stanja (vidi. Gama zračenje To se obično događa kada se mala energija prijelaza kombinira s velikom razlikom u vrijednostima trenutaka broja pokreta I (kutni momenti) od početka. i završna stanja. Što je veća multipolarnost i manja energija hw prijelaza, manja je vjerojatnost y-prijelaza. U nekim slučajevima, slabljenje vjerojatnosti emisije g-kvanta objašnjava se složenijim strukturnim značajkama stanja jezgre, između kojih dolazi do prijelaza (različite strukture jezgre u izomernim i temeljnim stanjima). Na sl. Slike 1 i 2 prikazuju fragmente shema razgradnje za izomere 234m 91 Pa i 80m 35 Br. U slučaju protaktinija, razlog za I. i. je niska energija i visoka multipolarnost EZ g-prijelaz. To je toliko teško da u velikoj većini slučajeva izomer prolazi kroz b-raspad (vidi. Beta raspad jezgre). Za određene izomere, izomerni prijelaz često postaje potpuno nevidljiv. U slučaju 80m 35 Vr I. I. dužan je g-tranziciji multipolarnosti MS. Jezgra prelazi iz izomernog stanja (I p = 5 -) u stanje niže energije (2 -), koje u kratkom vremenu prelazi u glavno stanje. nuklearna država 80 35 Br. U slučaju jezgre 242 Am (slika 3) I. i. povezan s g-prijelazom multipolarnosti E4.

Riža. 1. Shema raspada 234m 91 Ra izomera. Osnovno (0) i izomerno stanje istaknuto je debelim linijama; lijevo su vrijednosti spinova i pariteta (I p), desno su multipolarnost, energije razine (u keV) i poluživoti; Vjerojatnosti različitih kanala nuklearnog raspada iz izomernog stanja dane su u %.

Izomerno stanje se uglavnom raspada kroz g-prijelaz, ali u 5 od 1000 slučajeva opaža se alfa raspad U danim primjerima, izomerni prijelazi su u većini slučajeva popraćeni emisijom pretvorbenih elektrona, a ne g-kvanta (vidi sl. Interna konverzija).

Riža. 2. Shema razgradnje 80m 35 Br izomera; E.Z - elektroničko hvatanje.

Riža. 3. Shema raspada 242m 95 Am.

Velik broj izomernih prijelaza multipolarnosti M4 opaža se tijekom “pražnjenja” pobuđenih stanja neparnih jezgri, kada se broj protona ili neutrona približava magičnom broju. brojevi (otoci izomerije). Ovo je objašnjeno shell model jezgre, kao posljedica popunjavanja susjednih 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 vrijednosti spina).

Riža. 4. Shema raspada 180m 72 Hf.

Za razliku od navedenih primjera, izomerno stanje 180m 72 Hf (slika 4) pripada stabilnoj jezgri i ima relativno visoku energiju pobude. Razlog izomerije je jako oslabljeni g-prijelaz E1 s energijom od 57,6 keV, koji je inhibiran 10 16 puta zbog strukturnih razlika između 8 - i 8 + stanja. Godine 1962. u JINR-u je otkrivena nova vrsta fisijske izomerije. Pokazalo se da određeni izotopi transuranijevih elemenata U, Pu, Am, Cm i Bk imaju pobuđena stanja s energijom ~2-3 MeV, koja se raspadaju

Druga vrsta nuklearne transformacije je kada se jezgra ne raspada, kao u alfa-raspadu, i ne mijenja svoj sastav, kao u beta-raspadu, nego ostaje sama, ali samo, relativno govoreći, mijenja svoj oblik. Različite verzije iste jezgre, koje se razlikuju samo u gibanju i međusobnoj orijentaciji spinova protona i neutrona, nazivaju se izomeri. Različiti izomeri imaju različite energije, pa njihovo pretvaranje jednog u drugog rezultira emisijom fotona.

To je vrlo slično onome što se događa s atomima: postoji osnovno stanje, s najnižom energijom, i pobuđena stanja, čija je energija veća. Kada atom promijeni svoju elektroničku strukturu i time skoči s pobuđene razine na osnovnu razinu, on emitira foton. Isto je i u kernelima. Za svaku jezgru postoji cijela ljestvica pobuđenih stanja s povećanom energijom. Pobuđeni izomeri su nestabilni i obično se brzo vraćaju u osnovno stanje jezgre, emitirajući foton. Ponekad se, međutim, zbog obične radioaktivnosti raspadnu u druge jezgre.

Baš kao što pobuđena stanja atoma mogu biti kratkotrajna ili dugotrajna, nuklearni izomeri također mogu imati vrlo različita vremena poluraspada. Po analogiji s atomskim prijelazima, ako ništa ne ometa raspad pobuđenog stanja, ono se može dogoditi vrlo brzo, u vremenu reda veličine zeptosekunde, tj. doslovno u nekoliko "taktova" nuklearnog gibanja. To je, primjerice, većina izomera lakih jezgri. U teškim jezgrama slika je mnogo raznolikija. Na primjer, među stotinama poznatih izomera jezgre olova 208 Pb postoje oni koji žive od desetaka zeptosekundi do nanosekundi.

U nekim slučajevima, kada je raspad izomera vrlo težak, životni vijek pobuđene jezgre može doseći sekunde ili više. Već smo naišli na jedan takav primjer među izomerima urana. Drugi poznati primjer je izomer hafnija-178, označen kao 178m2 Hf. Ima ogroman spin - čak 16 jedinica. To čini njegov prijelaz u osnovno stanje toliko teškim da je njegov poluživot star 31 godinu. To je već puno čak i po ljudskim standardima. Bilo je čak prijedloga da se na temelju ovog izomera hafnija napravi neka vrsta "čiste" nuklearne bombe. Uzimamo hafnij-178, stavljamo ga u pobuđeno stanje, pakiramo malu količinu izomera u omotač i opremamo ga uređajem za oslobađanje energije. Kad bi takva bomba eksplodirala, oslobodili bi se samo fotoni. Izazvao bi uništenje oko sebe bez dugotrajne radijacijske kontaminacije okoliša, i stoga ne bi bio predmet sporazuma o "konvencionalnom" nuklearnom oružju. Srećom, manipuliranje razinama energije u jezgrama toliko je težak zadatak da nijedna poznata tehnologija pumpanja i oslobađanja energije nije ni blizu ispunjavanju potrebnih zahtjeva. Tako da se hafnijeva bomba za sada može smatrati pustim snom.

Konačno, u vrlo iznimnim slučajevima, pobuđena jezgra može biti toliko dugovječna da se njezin raspad ne opaža u laboratorijskim uvjetima, a sam ovaj izomer čak može biti prisutan u određenoj koncentraciji u prirodnim uvjetima. To je npr. izomer tantala 180m Ta. Čini 0,012% cjelokupnog prirodnog tantala, a životni vijek mu je nemjerljivo dug (zna se samo da prelazi 10 15 godina).

U svim temeljnim državama oni su snažno potisnuti pravilima zabrane spina i pariteta. Konkretno, prijelazi s visokom multipolarnošću (to jest, velika promjena u spinu potrebna za prijelaz u osnovno stanje) i niska energija prijelaza su potisnuti. Ponekad je pojava izomera povezana sa značajnom razlikom u obliku jezgre u različitim energetskim stanjima (kao kod 180 Hf).

Izomeri su označeni slovom m(od engleskog metastable) u indeksu masenog broja (na primjer, 80 m Br) ili u gornjem desnom indeksu (na primjer, 80 Br m). Ako nuklid ima više od jednog metastabilnog pobuđenog stanja, ona se označavaju slovima prema rastućoj energiji m, n, str, q i dalje abecednim redom, odnosno slovom m s dodanim brojem: m 1, m 2, itd.

Od najvećeg su interesa relativno stabilni izomeri s vremenom poluraspada od 10 -6 sekundi do mnogo godina.

Priča

Koncept izomerije atomskih jezgri nastao je 1921. godine, kada je njemački fizičar O. Hahn, proučavajući beta raspad torija-234, u to vrijeme poznat kao "uran-X1" (UX 1), otkrio novu radioaktivnu tvar "uran -Z” (UZ ), koji se ni po kemijskim svojstvima ni po masenom broju nije razlikovao od već poznatog “uranija-X2” (UX 2), ali je imao drugačije vrijeme poluraspada. U modernim oznakama, UZ i UX 2 odgovaraju izomernom i osnovnom stanju izotopa 234 Pa. Godine 1935. B.V.Kurchatov, L.V.Mysovsky i L.I.Rusinov otkrili su izomer umjetnog izotopa broma 80 Br, koji je nastao zajedno s osnovnim stanjem jezgre za vrijeme hvatanja neutrona stabilnim 79 Br. Tri godine kasnije, pod vodstvom I.V.Kurchatova, utvrđeno je da se izomerni prijelaz broma-80 odvija uglavnom unutarnjom pretvorbom, a ne emisijom gama zraka. Sve je to postavilo temelje za sustavno proučavanje ovog fenomena. Teorijski je nuklearnu izomeriju opisao Karl Weizsäcker 1936. godine.

Fizička svojstva

Razgradnja izomernih stanja može se izvesti pomoću:

• izomerni prijelaz u osnovno stanje (emisijom gama kvanta ili unutarnjom pretvorbom);
• beta raspad i hvatanje elektrona;
• spontana fisija (za teške jezgre);
• protonsko zračenje (za visoko pobuđene izomere).

Vjerojatnost pojedine opcije raspada određena je unutarnjom strukturom jezgre i njezinim energetskim razinama (kao i razinama jezgri – mogućih produkata raspada).

U nekim područjima masovnih brojeva postoje tzv. otoci izomerije (na tim su područjima izomeri osobito česti). Ovaj fenomen se objašnjava modelom nuklearne ljuske, koji predviđa postojanje u neparnim jezgrama energetski bliskih nuklearnih razina s velikim razlikama u spinu kada je broj protona ili neutrona blizu magičnog broja.

Neki primjeri

Vidi također

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. Nuklearna izomerija// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nuklearne reakcije III. - 1. str.
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 séances de l "Académie des sciences (Engleski) ruski: časopis. - 1935. - God. 200. - Str. 1201-1203.
4. , sa. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engleski) // Naturwissenschaften (Engleski) ruski: časopis. - 1936. - God. 24, br. 51. - Str. 813-814.
6. Konstantin Muhin. Egzotična nuklearna fizika za znatiželjne (ruski) // Znanost i život. - 2017. - br. 4. - str. 96-100.
7. G.Audi et al. NUBASE procjena nuklearnih svojstava i svojstava raspada. Nuklearna fizika A, 1997, sv. 624, stranice 1-124. Arhivirana kopija (nedefinirano) (nedostupan link). Preuzeto 17. ožujka 2008.

Druge nuklearne države. Općenito, izraz "metastabilan" obično se 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. Jezgre

Jezgre nuklearnih izomera su u višem energetskom stanju od nepobuđenih jezgri, koje su u tzv. osnovnom stanju. U pobuđenom stanju jedan od nukleona jezgre zauzima nuklearnu orbitalu s većom energijom od slobodne orbitale s niskom energijom. Ta su stanja slična stanjima elektrona u atomima.

Još jedan poznati vrlo stabilan nuklearni izomer (s poluživotom od 31 godine) je 178m2 Hf, koji ima najveću energiju pretvorbe od svih poznatih izomera s usporedivim vijekom trajanja. 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 stimulirano zračenje te je razmatrana mogućnost stvaranja gama lasera na temelju njega. Drugi izomeri također su razmatrani kao kandidati za ovu ulogu, ali do sada, unatoč opsežnim naporima, nisu zabilježeni nikakvi pozitivni rezultati.

4. Primjena

Raspad izomera kao što je 177m Lu događa se kroz kaskadu razina nuklearne energije i smatra se da ima potencijalne primjene za stvaranje eksploziva i izvora energije koji su reda veličine jači od tradicionalnih kemikalija.

5. Procesi raspadanja

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

Izomeri se također mogu pretvoriti u druge elemente. Na primjer, 177m Lu može doživjeti beta raspad s periodom od 160,4 dana, pretvarajući se u 177, ili podvrgnuti internoj pretvorbi u 177 Lu, koji zauzvrat prolazi beta raspad do 177 Hf s vremenom poluraspada od 6,68 dana.

Vidi također

6. Literatura

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