Isomería nuclear. Isomería nuclear M Fenómeno de Korsunskiy de isomería de núcleos atómicos

ISOMERIA DE NÚCLEOS ATÓMICOS, la existencia de algunos núcleos atómicos junto con el estado fundamental de estados excitados de larga duración (metaestables), llamados isoméricos. Históricamente, los estados isoméricos incluyen estados con vidas útiles que pueden medirse directamente (más de 0,01 μs). El fenómeno de la isomería surge debido a una fuerte diferencia en la estructura de los estados vecinos (excitado y terreno), lo que conduce a una disminución significativa en la probabilidad de desintegración del estado excitado (a veces en muchos órdenes de magnitud).

La primera indicación de la existencia de isómeros nucleares fue obtenida en 1921 por O. Hahn, quien descubrió entre los productos de desintegración del uranio una sustancia radiactiva que, con el mismo número atómico Z y número de masa A, tenía dos vías de desintegración radiactiva completamente diferentes. . Sin embargo, se considera que la fecha del descubrimiento de la isomería de los núcleos atómicos es 1935, cuando un grupo de científicos soviéticos liderados por IV Kurchatov descubrió la formación de tres isótopos radiactivos con diferentes vidas medias cuando se irradió bromo con neutrones lentos.

Posteriormente, resultó que este fenómeno está bastante extendido, ya se conocen varios cientos de estados isoméricos y algunos núcleos pueden tener varios de estos estados. Por ejemplo, en el núcleo de hafnio con A = 175, se encontraron 5 estados con vidas útiles superiores a 0,1 μs.

Una condición indispensable para la existencia de un estado isomérico del núcleo es la presencia de algún tipo de prohibición para las transiciones radiativas del estado isomérico a un estado con menor energía. Se conocen una serie de características de la estructura nuclear que provocan tal prohibición: la diferencia en los momentos angulares (espines) de los estados isomérico y fundamental, que conduce a transiciones radiativas de alta multipolaridad, diferentes orientaciones de los espines con respecto al preferido. eje en el núcleo, y diferentes formas de núcleos en ambos estados.

La desintegración de los estados isoméricos suele ir acompañada de la emisión de electrones o γ-cuantos; como resultado, se forma el mismo núcleo, pero en un estado con menor energía. A veces es más probable que se produzca la desintegración beta. Los isómeros de elementos pesados ​​pueden descomponerse por fisión espontánea. Los estados isoméricos de los núcleos con una alta probabilidad de fisión espontánea se denominan isómeros fisionables. Hay aproximadamente 30 núcleos conocidos (isótopos U, Pu, Am, Cm, Bk), para los cuales la probabilidad de fisión espontánea en el estado isomérico es más alta que en el estado principal en aproximadamente 10 26 veces.

La isomería de los núcleos atómicos es una fuente importante de información sobre la estructura de los núcleos atómicos; el estudio de los isómeros ayudó a establecer el orden de llenado de los proyectiles nucleares. Las vidas útiles de los isómeros se utilizan para juzgar los valores de las prohibiciones para las transiciones radiativas y su relación con la estructura nuclear.

Los isómeros nucleares también encuentran aplicaciones prácticas. Por ejemplo, en el análisis de activación, su formación en algunos casos permite lograr una mayor sensibilidad del método. Los isómeros nucleares de larga duración se consideran dispositivos potenciales de almacenamiento de energía en el futuro.

Lit .: Korsunsky M.I. Isomerismo de núcleos atómicos. M., 1954; Polikanov SM Isomería de la forma de núcleos atómicos. M., 1977.

En todos los estados subyacentes para ellos, está fuertemente reprimido por las reglas de prohibición de giro y paridad. En particular, se suprimen las transiciones con alta multipolaridad (es decir, con un gran cambio de giro necesario para la transición al estado inferior) 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 metaestable en inglés) en el índice del 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 indican en el orden de aumento de energía mediante las letras metro, norte, pag, q y además alfabéticamente, o por letra metro con la adición de un número: metro 1, metro 2, etc.

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

Historia

El concepto de isomería de 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 ni en propiedades químicas ni en número de masa se diferenciaba del ya conocido" uranio-X2 "(UX 2), pero tenía una vida media diferente. En designaciones modernas, UZ y UX 2 corresponden a los estados isomérico y fundamental del isótopo 234 Pa. En 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky y L.I. Tres años más tarde, bajo el liderazgo de IV Kurchatov, se estableció que la transición isomérica del bromo-80 ocurre principalmente por conversión interna, y no por la emisión de gamma quanta. Todo esto sentó las bases para un estudio sistemático de este fenómeno. La isomería nuclear fue descrita teóricamente por Karl Weizsacker en 1936.

Propiedades físicas

La desintegración de los estados isoméricos se puede realizar mediante:

• transición isomérica al estado fundamental (por emisión de un cuanto gamma o por conversión interna);
• decaimiento beta y captura de electrones;
• fisión espontánea (para núcleos pesados);
• Radiación de un protón (para isómeros muy excitados).

La probabilidad de una variante particular 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 valores de números de masa, existen los llamados. islas de isómeros (los isómeros son especialmente comunes en estas áreas). Este fenómeno se explica por el modelo de capa nuclear, que predice la existencia en núcleos impares de niveles nucleares energéticamente cercanos con una gran diferencia de espines, cuando el número de protones o neutrones se acerca a los números mágicos.

Algunos ejemplos

ver también

Notas (editar)

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (alemán) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Inglés) ruso: magazin. - 1921. - Bd. 54, Nr. 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 / 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 (fr.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des sciences (Inglés) ruso: revista. - 1935. - Vol. 200. - P. 1201-1203.
4. , con. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (inglés) // Naturwissenschaften (Inglés) ruso: diario. - 1936. - Vol. 24, no. 51. - P. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Física nuclear exótica para curiosos (Rusia) // Ciencia y vida. - 2017. - No. 4. - S. 96-100.
7. G. Audi et al. La evaluación NUBASE de propiedades nucleares y de desintegración. Física nuclear A, 1997, vol. 624, página 1-124. Copia archivada (sin especificar) (enlace no disponible)... Consultado el 17 de marzo de 2008.

Otro tipo de transformaciones nucleares 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 sólo, relativamente hablando, cambia su forma. Las diferentes versiones del mismo núcleo, que solo difieren en el movimiento y la orientación mutua de los espines de protones y neutrones, se denominan isómeros... Los diferentes isómeros tienen diferentes energías, por lo que su transformación entre sí conduce a la emisión de un fotón.

Esto es muy similar a lo que sucede con los átomos: hay un estado fundamental, con la energía más baja, y estados excitados, cuya energía es más alta. Cuando un átomo cambia su estructura electrónica y, por lo tanto, salta de un nivel excitado a un nivel del suelo, emite un fotón. Lo mismo ocurre en los núcleos. Para cada núcleo, hay una escalera completa de estados excitados con mayor energía. Los isómeros excitados son inestables y, por lo general, se convierten rápidamente al estado fundamental del núcleo al emitir un fotón. A veces, sin embargo, se descomponen en otros núcleos debido a la radiactividad ordinaria.

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

En algunos casos, cuando la desintegración del isómero es muy difícil, la vida útil de un núcleo excitado puede alcanzar segundos o más. Ya hemos encontrado un ejemplo de este tipo entre los isómeros de uranio. Otro ejemplo famoso es el isómero hafnio-178, designado 178m2 Hf. Tiene un efecto enorme, hasta 16 unidades. Esto hace que sea 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 hacer sobre la base de este isómero de hafnio una especie de bomba nuclear "pura". Tomamos hafnio-178, lo ponemos en un estado excitado, empaquetamos una pequeña cantidad del isómero en una capa y lo equipamos con un dispositivo para liberar energía. Cuando una bomba de este tipo explota, solo se liberan fotones. Causaría destrucción a su alrededor sin una contaminación radiactiva de larga duración del medio ambiente y, por lo tanto, los acuerdos sobre armas nucleares "convencionales" no se le aplicarían. Afortunadamente, la manipulación de los niveles de energía en los núcleos es un desafío tal que ninguna tecnología conocida de bombeo y liberación de energía se acerca a cumplir los requisitos. Así que la bomba de hafnio todavía puede considerarse una fantasía de tubería.

Finalmente, en casos muy excepcionales, un núcleo excitado puede tener una vida tan larga que su desintegración no se observe en condiciones de laboratorio, y este isómero mismo puede incluso estar presente en alguna concentración en condiciones naturales. Tal es, por ejemplo, el isómero de tantalio 180m Ta. Es el 0,012% de todo el tantalio natural, y su tiempo de vida es inconmensurablemente largo (solo se sabe que supera los 10 15 años).

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

Por lo general, la vida útil de estos estados es mucho más larga que el límite indicado, y puede ser de minutos, horas y (en un caso, 180 m Ta) alrededor de 10 a 15 años.

1. Granos

Los núcleos de los isómeros nucleares se encuentran en un estado de mayor energía que los núcleos no excitados en el llamado estado fundamental. En estado excitado, uno de los nucleones del núcleo ocupa un orbital nuclear con una energía superior a un orbital libre con una energía baja. 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 178m2 Hf, que tiene la energía de conversión más alta de todos los isómeros conocidos con una vida útil 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. Este material se consideró capaz de emisión estimulada, y se consideró la posibilidad de crear un láser gamma a partir de él. Otros isómeros también han sido considerados candidatos para este rol, pero hasta ahora, a pesar de los intensos esfuerzos, no se han reportado resultados positivos.

4. Aplicación

Un isómero como 177m Lu decae a través de una cascada de niveles de energía nuclear, y se cree que puede usarse para crear explosivos y fuentes de energía que serían órdenes de magnitud más poderosas que las químicas tradicionales.

5. Procesos de descomposición

Los isómeros entran en un estado de menor energía con dos tipos principales de transiciones isoméricas

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

Ver también

6. Referencias

1. Cb collins et Alabama. Despoblación del estado isomérico 180 Ta m por la reacción 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rdo. C.- T. 37. - (1988) S. 2267-2269. DOI: 10.1103 / PhysRevC.37.2267.
2. D. Belic et Alabama. Fotoactivación de 180 Ta m y sus implicaciones para la nucleosíntesis del isótopo natural más raro de la naturaleza / / Phys. Rdo. letón.. - T. 83. - (1999) (25) S. 5242. DOI: 10.1103 / PhysRevLett. 83.5242.
3. "Investigadores de la UNH buscan emisión de rayos gamma estimulada". 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 γ isomérica en el núcleo de 115 In.

La vida útil de los núcleos γ-radiactivos suele ser del orden de 10-12-10-17 s. En algunos casos, cuando se combina un alto grado de exclusión con una baja energía de la transición γ, se pueden observar núcleos γ-radiactivos con vidas de un orden macroscópico (hasta varias horas, y algunas veces incluso más). Estos estados excitados de larga duración de los núcleos se denominan isómeros . Un ejemplo típico de un 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 de 335 keV y una paridad de espín J P = 1/2 -. Por lo tanto, la transición entre estos estados se produce solo a través de la emisión de M4 γ-quantum. Esta transición está tan fuertemente prohibida que la vida media del estado excitado es de 4,5 horas.
El fenómeno de la isomería nuclear fue descubierto en 1921 por O. Gann, quien descubrió que hay dos sustancias radiactivas con los mismos números de masa A y número de serie Z, pero que difieren en la vida media. Más tarde se demostró que este era el estado isomérico de 234 m Pa. Según Weizsacker (Naturwiss. 24, 813, 1936), la isomería nuclear ocurre cada vez que el momento angular del núcleo en estado excitado con baja energía de excitación difiere del momento angular en cualquier estado con menor energía de excitación en varias unidades ћ . El estado isomérico (metaestable) se definió como un estado excitado con una vida útil medible. A medida que mejoraron los métodos experimentales de γ-espectroscopía, las vidas medias mensurables disminuyeron a 10-12-10-15 s.

Cuadro 6.1

Estados emocionados 19 F

Deben esperarse estados isoméricos en los que los niveles de caparazón, cercanos entre sí en energía, difieran fuertemente en los valores de los espines. Es en estas áreas donde se ubican las llamadas "islas de isomería". Por tanto, la presencia de un isómero en el isótopo 115 In anterior se debe al hecho de que carece de un protón en la capa cerrada (Z = 50), es decir, hay un "agujero" de protón. En el estado fundamental, este agujero está en la subcapa 1g 9/2, y en el estado excitado, en la subcapa 1p 1/2. Esta situación es típica. Las islas isoméricas están ubicadas directamente frente a los números mágicos 50, 82 y 126 en el lado de Z y N inferiores. Por lo tanto, los estados isoméricos se observan en los núcleos 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, que está cerca de 82), 199 Hg (Z = 80, que está cerca de 82), etc. Nótese que, además de las consideradas, existen otras razones para la aparición de estados isoméricos. En la actualidad, se ha encontrado un gran número de isómeros con una vida media de unos pocos segundos a 3 × 10 6 años (210 m Bi). Muchos isótopos tienen múltiples estados isoméricos. La Tabla 6.2 muestra los parámetros de los isómeros de vida larga (T 1/2> año).

Cuadro 6.2

Parámetros de estados isoméricos de núcleos atómicos