Izomerie nucleară. Izomerie nucleară Vezi ce este „Izomeria nucleelor ​​atomice” în alte dicționare

S-a descoperit că există nuclee cu aceleași valori numerice, dar cu timpi de înjumătățire diferit. Astfel de nuclee se numesc izomeri.

Un studiu al fenomenului de izomerie nucleară în nucleele radioactive artificial a fost efectuat de un grup de fizicieni sovietici conduși de Kurchatov și Rusinov. Artificial

radioactivitate rezultată din iradierea unui amestec natural de izotopi stabili de către neutroni lenți. În acest caz, se formează doi izotopi radioactivi ai bromului, inseparabili chimic unul de celălalt:

Rezultatul surprinzător al acestor experimente a fost descoperirea nu a două, ci a trei timpi de înjumătățire diferite:

Este evident că unul dintre izotopi se descompune în două moduri. Experimentul a fost modificat și a fost iradiat nu cu neutroni, ci cu raze -, ceea ce a provocat așa-numitul efect fotoelectric nuclear

Izotopii bromului rezultați sunt, de asemenea, activi și se descompun conform următoarei scheme:

Cercetările au arătat că, în acest caz, nu se observă două, ci trei timpi de înjumătățire:

Dintr-o comparație a proceselor, a devenit clar că cu izotopul Brzb, format în ambele cazuri, sunt asociate două timpi de înjumătățire: min și oră, care se găsesc și în ambele serii de experimente. A fost necesar să se explice existența a două timpi de înjumătățire diferit pentru același izotop.

Experimentele ulterioare au arătat că izomerismul se explică prin prezența unei stări metastabile în acest nucleu, adică o stare excitată din care probabilitatea de tranziție la starea fundamentală este scăzută. Pentru a înțelege acest lucru, luați în considerare

mai detaliat diagrama dezintegrarii nucleare. Ca rezultat al reacției nucleare precedente, nucleul apare într-o stare foarte excitată.

Orez. 45. Schema de dezintegrare

Eliminarea excitației are loc în două moduri: nucleul este transferat la starea fundamentală într-o secundă printr-o tranziție, din care particulele sunt deja emise, sau nucleul se deplasează la un nivel metastabil, o tranziție ulterioară de la care la starea fundamentală este interzisă. prin regulile de selecție. Ca urmare, nucleul este „blocat” la un nivel metastabil cu o durată de viață de 4,4 ore; Trecerea de la starea metastabilă la starea fundamentală este însoțită atât de radiații, cât și de conversie internă a electronilor. Ulterior, trecerea de la nivelul solului are loc din nou cu ajutorul -degradării cu formarea de .

Astfel, observăm, de fapt, același spectru de particule format în timpul tranziției de la nivelul principal la nivelul principal cu un singur timp de înjumătățire al minelor, dar din cauza întârzierii tranzițiilor în interiorul nucleului de brom, apare un efect. care duce la două timpi de înjumătățire.

Izomeria nucleară nu este un fenomen rar în rândul transformărilor nucleare. În prezent, sunt cunoscuți peste 100 de izomeri.

În legătură cu fenomenul de izomerie descris mai sus, se pune întrebarea: cât timp este necesar pentru ca nucleul să treacă din starea excitată în starea fundamentală? De ce depinde timpul de emisie Pentru a-l estima, folosim faptul că lățimea energetică a unui nivel este o măsură a incertitudinii energiei sistemului situat la acest nivel. Timpul în care sistemul rămâne în această stare poate fi estimat din relația de incertitudine:

În cazul luat în considerare, valoarea și va fi durata medie de viață a nucleului în stare excitată și lățimea de energie a acestui nivel excitat. Se știe din experiență că lățimea liniei spectrale este de obicei de ordinul , prin urmare,

(este imposibil de măsurat acest timp cu instrumentele existente, în timp ce valoarea poate fi măsurată destul de precis).

Astfel, de obicei Să luăm acum în considerare cum putem explica prezența izomerilor și existența tranzițiilor interzise pentru radiații.

La diferite niveluri, miezul, așa cum sa menționat deja, are momente unghiulare diferite. Întrucât legea conservării momentului unghiular trebuie îndeplinită, în timpul tranziției diferența dintre momentele nivelului inițial și cel final duce cuantica. Aceasta determină regulile de selecție.

Radiația asociată cu restructurarea sistemului se numește radiație dipol; -radiatie cvadrupol; pe radiația octupol; în general prin radiaţia unui multipol de ordin.

Conform teoriei unor astfel de tranziții, dezvoltată de Weidsäcker, -quante de multipolaritate diferită apar ca urmare a diferitelor oscilații în interiorul nucleului. Unele dintre aceste procese sunt asociate cu redistribuirea sarcinilor electrice în interiorul nucleului (radiația dipol electric, cvadrupol etc.), altele cu redistribuirea curenților sau momentelor magnetice ale nucleonilor (radiație dipol magnetic, cvadrupol etc.). momentele stării inițiale a nucleului și starea finală a nucleului și momentul purtat de cuantum, trebuie să existe o relație

Cu toate acestea, din electrodinamica clasică se știe că, dacă dimensiunile sistemului sunt mici în comparație cu X, atunci intensitățile radiației diferitelor multipolarități diferă în măsura factorului (astfel, raza nucleului, K - lungimea de undă a radiații).

ISOMERIA NUCLEARĂ- existența anumitor nuclee, alături de starea fundamentală, a stărilor excitate destul de longevive (metastabile), numite. izomeric. Fenomenul I.I. a fost descoperit în 1921 de O. Hahn, care a descoperit un radioact. o substanță pe care a numit-o uraniu Z (UZ), care avea același număr atomic Z și același număr de masă O, ca un alt radioact, substanța UX 2, dar se deosebea de ea prin timpul de înjumătățire. Ambele substanțe au fost produse ale dezintegrarii p a aceluiași element UX 1 (234 90 Th). Mai târziu s-a dovedit că UZ și UX 2 sunt stările fundamentale și izomerice ale nucleului de 234 91 Pa (starea izomeră este notă cu indicele T, de ex. 234m 91 Ra). În 1935, I.V Kurchatov, B.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky și L.I. Rusinov au descoperit că atunci când izotopul stabil 79 35 Br este iradiat cu neutroni. izotopul 80 35 Br, având doi, care corespundeau descompunerilor de la sol și stărilor izomerice. Studiile ulterioare au relevat un număr mare de stări izomerice ale nucleelor ​​cu descompunere. timpii de înjumătățire de la 3. 10 6 ani (210m Bi) la mai mulți. mks si nici macar. Mn. nucleii au câte 2 și, de exemplu, 160 Dar are 4 stări izomerice. Motivul pentru care eu. este o slăbire a probabilității de emisie a cuantei g dintr-o stare excitată (vezi. Radiația gamma Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când o energie de tranziție mică este combinată cu o diferență mare în valorile momentelor numărului de mișcări I (momente unghiulare) de la început. și stări finale. Cu cât multipolaritatea este mai mare și cu cât energia de tranziție hw este mai mică, cu atât este mai mică probabilitatea unei tranziții y. În unele cazuri, slăbirea probabilității de emisie de g-quanta se explică prin trăsături structurale mai complexe ale stărilor nucleului, între care are loc o tranziție (diferite structuri ale nucleului în stările izomerice și subiacente). În fig. Figurile 1 și 2 prezintă fragmente ale schemelor de descompunere pentru izomerii 234m 91 Pa și 80m 35 Br. În cazul protactiniului, motivul pentru I. i. este energia scăzută și multipolaritatea ridicată EZ g-tranziţie. Este atât de dificil încât, în majoritatea covârșitoare a cazurilor, izomerul suferă dezintegrare b (vezi. Dezintegrare beta nuclee). Pentru anumiți izomeri, tranziția izomeră devine adesea complet neobservabilă. În cazul 80m 35 Vr I. I. este obligat la g-tranziția multipolarității MS. Nucleul trece de la starea izomeră (I p = 5 -) la o stare de energie inferioară (2 -), care în scurt timp intră în starea principală. stare nucleară 80 35 Br. În cazul nucleului 242 Am (Fig. 3) I. i. asociat cu tranziția g a multipolarității E4.

Orez. 1. Schema dezintegrarii izomerului 234m 91 Ra. Stările fundamentale (0) și izomerice sunt evidențiate cu linii groase; în stânga sunt valorile spinilor și parităților (I p), în dreapta sunt multipolaritatea, energiile de nivel (în keV) și timpii de înjumătățire; Probabilitățile diferitelor canale de dezintegrare nucleară din starea izomeră sunt date în %.

Starea izomeră scade în principal prin tranziția g, dar în 5 din 1000 de cazuri se observă dezintegrare alfaÎn exemplele date, tranzițiile izomerice sunt însoțite în majoritatea cazurilor de emisia de electroni de conversie mai degrabă decât de g-quanta (vezi Fig. Conversie internă).

Orez. 2. Schema de descompunere a izomerului 80m 35 Br; E.Z - captura electronică.

Orez. 3. Schema decăderii de 242m 95 Am.

Un număr mare de tranziții izomerice ale multipolarității M4 sunt observate în timpul „descărcării” stărilor excitate ale nucleelor ​​impare, când numărul de protoni sau neutroni se apropie de numărul magic. numere (insule de izomerie). Acest lucru este explicat modelul de înveliș al nucleului, ca urmare a umplerii cu nucleoni de vecini, similari ca energie, dar foarte diferiti in starile de spin g 9/2 si p 1/2, precum si h 11/2 si d 3/2 (g, p, h, d- denumiri ale momentelor orbitale ale nucleonilor, indicii pentru acestea sunt valorile spinului).

Orez. 4. Schema decăderii de 180m 72 Hf.

Spre deosebire de exemplele date, starea izomeră 180m 72 Hf (Fig. 4) aparține unui nucleu stabil și are o energie de excitație relativ mare. Motivul izomeriei este tranziția g puternic slăbită E1 cu o energie de 57,6 keV, care este inhibată de 10 16 ori datorită diferențelor structurale dintre stările 8 - și 8 +. În 1962, la JINR a fost descoperit un nou tip de izomerie de fisiune. S-a dovedit că anumiți izotopi ai elementelor transuraniu U, Pu, Am, Cm și Bk au stări excitate cu o energie de ~2-3 MeV, care se descompun prin

Un alt tip de transformare nucleară este atunci când nucleul nu se descompune, ca în dezintegrarea alfa, și nu își schimbă compoziția, ca în dezintegrarea beta, ci rămâne el însuși, dar doar, relativ vorbind, își schimbă forma. Diferite versiuni ale aceluiași nucleu, care diferă doar prin mișcarea și orientarea reciprocă a spinurilor protonilor și neutronilor, sunt numite izomerii. Diferiții izomeri au energii diferite, astfel încât conversia lor unul în altul are ca rezultat emisia unui foton.

Acest lucru este foarte asemănător cu ceea ce se întâmplă cu atomii: există o stare fundamentală, cu cea mai scăzută energie, și stări excitate, a căror energie este mai mare. Când un atom își schimbă structura electronică și, prin urmare, sare de la un nivel excitat la nivelul solului, emite un foton. La fel este și în sâmburi. Pentru fiecare nucleu există o scară întreagă de stări excitate cu energie crescută. Izomerii excitați sunt instabili și de obicei revin rapid la starea fundamentală a nucleului, emițând un foton. Uneori, totuși, ele se descompun în alte nuclee datorită radioactivității obișnuite.

Așa cum stările excitate ale atomilor pot fi de scurtă durată sau de lungă durată, izomerii nucleari pot avea, de asemenea, timpuri de înjumătățire foarte diferite. Prin analogie cu tranzițiile atomice, dacă nimic nu interferează cu decăderea stării excitate, aceasta poate apărea foarte repede, în vremuri de ordinul zeptosecunde, adică literalmente în câteva „cicluri de ceas” de mișcare nucleară. Aceștia sunt, de exemplu, majoritatea izomerilor nucleelor ​​ușoare. În nucleele grele tabloul este mult mai variat. De exemplu, printre sutele de izomeri cunoscuți ai nucleului plumb 208 Pb, există cei care trăiesc de la zeci de zeptosecunde la nanosecunde.

În unele cazuri, când dezintegrarea izomerului este foarte dificilă, durata de viață a nucleului excitat poate ajunge la secunde sau mai mult. Am întâlnit deja un astfel de exemplu printre izomerii de uraniu. Un alt exemplu celebru este izomerul hafniului-178, desemnat 178m2 Hf. Are o rotire uriașă - până la 16 unități. Acest lucru face ca tranziția sa la starea fundamentală să fie atât de dificilă încât timpul de înjumătățire este 31 de ani. Acest lucru este deja mult chiar și după standardele umane. Au existat chiar și propuneri de a face un fel de bombă nucleară „curată” pe baza acestui izomer de hafniu. Luăm hafniu-178, îl punem într-o stare excitată, împachetăm o cantitate mică de izomer într-o carcasă și o dotăm cu un dispozitiv pentru a elibera energie. Când o astfel de bombă ar exploda, numai fotoni ar fi eliberați. Ar provoca distrugeri în jurul său fără contaminarea cu radiații de lungă durată a mediului și, prin urmare, nu ar fi supus acordurilor privind armele nucleare „convenționale”. Din fericire, manipularea nivelurilor de energie din nuclee este o sarcină atât de dificilă încât nicio tehnologie cunoscută de pompare și eliberare a energiei nu se apropie de îndeplinirea cerințelor necesare. Deci, bomba cu hafniu poate fi considerată deocamdată un vis.

În cele din urmă, în cazuri foarte excepționale, nucleul excitat poate avea o viață atât de lungă încât degradarea sa nu este observată în condiții de laborator și acest izomer în sine poate fi chiar prezent într-o anumită concentrație în condiții naturale. Acesta este, de exemplu, izomerul tantalului 180m Ta. Reprezintă 0,012% din totalul tantalului natural, iar durata sa de viață este nemăsurat de lungă (se știe doar că depășește 10-15 ani).

În toate statele subiacente, acestea sunt puternic suprimate de regulile interzicerii rotației și a parității. În special, tranzițiile cu multipolaritate ridicată (adică o schimbare mare de spin necesară pentru o tranziție la starea de bază) și energie de tranziție scăzută sunt suprimate. Uneori, apariția izomerilor este asociată cu o diferență semnificativă în forma nucleului în diferite stări de energie (ca în 180 Hf).

Izomerii sunt desemnați prin literă m(din limba engleză metastable) în indicele numărului de masă (de exemplu, 80 m Br) sau în indexul din dreapta sus (de exemplu, 80 Br m). Dacă un nuclid are mai mult de o stare excitată metastabilă, acestea sunt desemnate în ordinea creșterii energiei prin litere m, n, p, qși mai departe în ordine alfabetică sau după litere m cu numarul adaugat: m 1, m 2, etc.

De cel mai mare interes sunt izomerii relativ stabili cu timpi de înjumătățire de la 10 -6 secunde la mulți ani.

Poveste

Conceptul de izomerie a nucleelor ​​atomice a apărut în 1921, când fizicianul german O. Hahn, studiind descompunerea beta a toriului-234, cunoscut la acea vreme sub numele de „uranium-X1” (UX 1), a descoperit o nouă substanță radioactivă „uraniu”. -Z” (UZ ), care nu diferă nici ca proprietăți chimice, nici ca număr de masă față de deja cunoscutul „uranium-X2” (UX 2), dar a avut un timp de înjumătățire diferit. În notațiile moderne, UZ și UX 2 corespund stărilor izomerice și fundamentale ale izotopului 234 Pa. În 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky și L.I. Rusinov au descoperit un izomer al bromului artificial 80 Br, format împreună cu starea fundamentală a nucleului de 79 Br. Trei ani mai târziu, sub conducerea lui I.V Kurchatov, s-a stabilit că tranziția izomeră a bromului-80 are loc în principal prin conversie internă, și nu prin emisia de raze gamma. Toate acestea au pus bazele unui studiu sistematic al acestui fenomen. Teoretic, izomeria nucleară a fost descrisă de Karl Weizsäcker în 1936.

Proprietăți fizice

Descompunerea stărilor izomerice poate fi realizată prin:

• tranziție izomeră la starea fundamentală (prin emisia unui cuantic gamma sau prin conversie internă);
• dezintegrarea beta și captarea electronilor;
• fisiune spontană (pentru nuclee grele);
• radiația de protoni (pentru izomerii foarte excitați).

Probabilitatea unei anumite opțiuni de dezintegrare este determinată de structura internă a nucleului și de nivelurile sale de energie (precum și de nivelurile nucleelor ​​- posibili produși de dezintegrare).

În unele zone ale numerelor de masă există așa-numitele. insule de izomerie (în aceste zone izomerii sunt deosebit de frecventi). Acest fenomen este explicat prin modelul învelișului nuclear, care prezice existența în nuclee impare a unor niveluri nucleare apropiate din punct de vedere energetic, cu diferențe mari de spin atunci când numărul de protoni sau neutroni este aproape de numerele magice.

Câteva exemple

Vezi de asemenea

Note

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (germană) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (engleză) rusă: revista. - 1921. - Bd. 54, Nr. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. Alburger. Izomerie nucleară// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. - P. 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 (franceză) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des sciences (engleză) rusă: revista. - 1935. - Vol. 200. - P. 1201-1203.
4. , Cu. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engleză) // Naturwissenschaften (engleză) rusă: jurnal. - 1936. - Vol. 24, nr. 51. - P. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Fizică nucleară exotică pentru curioși (ruși) // Știință și viață. - 2017. - Nr. 4. - pp. 96-100.
7. G.Audi et al. Evaluarea NUBASE a proprietăților nucleare și de dezintegrare. Fizica nucleară A, 1997, voi. 624, pag. 1-124. Copie arhivată (nedefinit) (link indisponibil). Preluat la 17 martie 2008.

Alte state nucleare. În general, termenul „metastabil” este de obicei aplicat stărilor cu o durată de viață de 10 -9 secunde sau mai mult.

De obicei, durata de viață a acestor stări este mult mai mare decât limita specificată și poate fi minute, ore și (într-un caz 180 m Ta) aproximativ 10-15 ani.

1. Miezuri

Nucleele izomerilor nucleari sunt într-o stare de energie mai mare decât nucleele neexcitate, care se află în așa-numita stare fundamentală. În stare excitată, unul dintre nucleonii nucleului ocupă un orbital nuclear cu o energie mai mare decât orbitalul liber cu o energie scăzută. Aceste stări sunt similare stărilor electronilor din atomi.

Un alt izomer nuclear foarte stabil cunoscut (cu un timp de înjumătățire de 31 de ani) este 178m2 Hf, care are cea mai mare energie de conversie dintre toți izomerii cunoscuți cu o durată de viață comparabilă. 1 g din acest izomer conține 1,33 gigajouli de energie, ceea ce este echivalent cu 315 kg de TNT. Se descompune prin emiterea de raze gamma cu o energie de 2,45 MeV. Acest material a fost considerat capabil de emisie stimulată și a fost luată în considerare posibilitatea de a crea un laser gamma pe baza acestuia. Alți izomeri au fost, de asemenea, considerați candidați pentru acest rol, dar până acum, în ciuda eforturilor ample, nu au fost raportate rezultate pozitive.

4. Aplicare

Dezintegrarea unui izomer precum 177m Lu are loc printr-o cascadă de niveluri de energie nucleară și se crede că ar putea fi folosit pentru a crea explozivi și surse de energie care ar fi ordine de mărime mai puternice decât substanțele chimice tradiționale.

5. Procese de dezintegrare

Izomerii trec la o stare de energie mai scăzută prin două tipuri principale de tranziții izomerice

Izomerii pot fi, de asemenea, transformați în alte elemente. De exemplu, 177m Lu poate suferi dezintegrare beta cu o perioadă de 160,4 zile, transformându-se la 177, sau poate suferi conversie internă la 177 Lu, care la rândul său suferă dezintegrare beta la 177 Hf cu un timp de înjumătățire de 6,68 zile.

Vezi de asemenea

6. Referințe

1. C. B. Collins et al. Depopularea stării izomerice 180 Ta m prin reacția 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Fiz. Rev. C.- T. 37. - (1988) p. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. Belic et al. Fotoactivarea a 180 Ta m și implicațiile sale pentru nucleosinteza celui mai rar izotop natural al naturii / / Fiz. Rev. Lett.. - T. 83. - (1999) (25) p. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
3. „Cercetătorii UNH caută emisie stimulată de raze gamma”. Grupul UNH de Fizică Nucleară. 1997. Arhiva