परमाणु समरूपता। परमाणु समरूपता एम परमाणु नाभिक के समरूपता की कोर्सुनस्की घटना

परमाणु नाभिक का समरूपता, कुछ परमाणु नाभिकों के अस्तित्व के साथ-साथ लंबे समय तक जीवित (मेटास्टेबल) उत्तेजित अवस्थाओं की जमीनी अवस्था, जिसे आइसोमेरिक कहा जाता है। ऐतिहासिक रूप से, आइसोमेरिक राज्यों में जीवन काल वाले राज्य शामिल होते हैं जिन्हें सीधे मापा जा सकता है (0.01 μs से अधिक)। समरूपता की घटना पड़ोसी राज्यों (उत्साहित और जमीन) की संरचना में तेज अंतर के कारण उत्पन्न होती है, जिससे उत्तेजित अवस्था (कभी-कभी परिमाण के कई आदेशों द्वारा) के क्षय की संभावना में उल्लेखनीय कमी आती है।

परमाणु आइसोमर्स के अस्तित्व का पहला संकेत 1921 में ओ। हैन द्वारा प्राप्त किया गया था, जिन्होंने यूरेनियम के क्षय उत्पादों के बीच एक रेडियोधर्मी पदार्थ की खोज की थी, जिसमें समान परमाणु संख्या Z और द्रव्यमान संख्या A के साथ रेडियोधर्मी क्षय के दो पूरी तरह से अलग रास्ते थे। . हालाँकि, परमाणु नाभिक के समरूपता की खोज की तारीख 1935 मानी जाती है, जब आई। वी। कुरचटोव के नेतृत्व में सोवियत वैज्ञानिकों के एक समूह ने ब्रोमीन को धीमी न्यूट्रॉन के साथ विकिरणित करने पर अलग-अलग अर्ध-आयु वाले तीन रेडियोधर्मी समस्थानिकों के गठन की खोज की।

इसके बाद, यह पता चला कि यह घटना काफी व्यापक है, कई सौ आइसोमेरिक राज्य पहले से ही ज्ञात हैं, और कुछ नाभिक में ऐसे कई राज्य हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, ए = 175 वाले हेफ़नियम नाभिक में 5 अवस्थाएँ होती हैं जिनका जीवनकाल 0.1 μs से अधिक होता है।

नाभिक के एक आइसोमेरिक राज्य के अस्तित्व के लिए एक अनिवार्य शर्त आइसोमेरिक से निम्न ऊर्जा राज्यों में विकिरण संक्रमण के लिए किसी प्रकार के निषेध की उपस्थिति है। परमाणु संरचना की कई विशेषताएं हैं जो इस तरह के निषेध का कारण बनती हैं: आइसोमेरिक और जमीनी राज्यों के कोणीय गति (स्पिन) में अंतर, उच्च बहुध्रुवीयता के विकिरण संक्रमण के लिए अग्रणी, पसंदीदा अक्ष के सापेक्ष स्पिन के विभिन्न अभिविन्यास नाभिक, दोनों राज्यों में नाभिक के विभिन्न आकार।

आइसोमेरिक अवस्थाओं का क्षय आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों या -क्वांटा के उत्सर्जन के साथ होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक ही नाभिक का निर्माण होता है, लेकिन कम ऊर्जा वाली अवस्था में। कभी-कभी बीटा क्षय की संभावना अधिक होती है। भारी तत्वों के समावयवी स्वतः विखंडन से क्षय हो सकते हैं। सहज विखंडन की उच्च संभावना वाले नाभिक के आइसोमेरिक राज्यों को विखंडनीय आइसोमर कहा जाता है। लगभग 30 नाभिक ज्ञात हैं (U, Pu, Am, Cm, Bk समस्थानिक) जिसके लिए समस्थानिक अवस्था में सहज विखंडन की संभावना जमीनी अवस्था की तुलना में लगभग 1026 गुना अधिक है।

परमाणु नाभिक का समावयवता परमाणु नाभिक की संरचना के बारे में जानकारी का एक महत्वपूर्ण स्रोत है; आइसोमर्स के अध्ययन ने उस क्रम को स्थापित करने में मदद की जिसमें परमाणु गोले भरे गए थे। आइसोमर्स के जीवनकाल का उपयोग विकिरण संक्रमण के लिए निषेध के मूल्यों और परमाणु संरचना के साथ उनके संबंध का न्याय करने के लिए किया जाता है।

परमाणु आइसोमर भी व्यावहारिक अनुप्रयोग पाते हैं। उदाहरण के लिए, सक्रियण विश्लेषण में, कई मामलों में उनका गठन विधि की उच्च संवेदनशीलता प्राप्त करना संभव बनाता है। लंबे समय तक रहने वाले परमाणु आइसोमर्स को भविष्य में संभावित ऊर्जा संचायक माना जाता है।

लिट।: कोर्सुन्स्की एम। आई। परमाणु नाभिक का आइसोमेरिज्म। एम।, 1954; पोलिकानोव एस.एम. परमाणु नाभिक के आकार का आइसोमेरिज्म। एम।, 1977।

उनके लिए सभी अंतर्निहित राज्यों को स्पिन और समता पर बहिष्करण नियमों द्वारा दृढ़ता से दबा दिया गया है। विशेष रूप से, एक उच्च बहुध्रुवीयता के साथ संक्रमण (अर्थात, अंतर्निहित अवस्था में संक्रमण के लिए आवश्यक एक बड़ा स्पिन परिवर्तन) और एक कम संक्रमण ऊर्जा को दबा दिया जाता है। कभी-कभी आइसोमर्स की उपस्थिति विभिन्न ऊर्जा राज्यों (180 एचएफ में) में नाभिक के आकार में महत्वपूर्ण अंतर से जुड़ी होती है।

आइसोमर्स को अक्षर द्वारा निरूपित किया जाता है एम(अंग्रेजी मेटास्टेबल से) द्रव्यमान संख्या के सूचकांक में (उदाहरण के लिए, 80 एम Br) या दाएँ ऊपरी सूचकांक में (उदाहरण के लिए, 80 Br एम) यदि न्यूक्लाइड में एक से अधिक मेटास्टेबल उत्तेजित अवस्था होती है, तो उन्हें अक्षरों द्वारा ऊर्जा बढ़ाने के क्रम में दर्शाया जाता है एम, एन, पी, क्यूऔर इसी तरह वर्णानुक्रम में, या अक्षर द्वारा एमसंख्या के साथ जोड़ा गया: एम 1, एम 2 आदि

सबसे बड़ी रुचि अपेक्षाकृत स्थिर आइसोमर्स हैं जिनका आधा जीवन 10-6 एस से लेकर कई वर्षों तक है।

कहानी

परमाणु नाभिक के समरूपता की अवधारणा 1921 में उत्पन्न हुई, जब जर्मन भौतिक विज्ञानी ओ। हैन ने थोरियम -234 के बीटा क्षय का अध्ययन किया, जिसे उस समय "यूरेनियम-एक्स 1" (यूएक्स 1) के रूप में जाना जाता था, ने एक नए रेडियोधर्मी पदार्थ "यूरेनियम" की खोज की। -जेड" (यूजेड), जो न तो रासायनिक गुणों में और न ही द्रव्यमान संख्या में पहले से ज्ञात "यूरेनियम-एक्स 2" (यूएक्स 2) से भिन्न था, लेकिन एक अलग आधा जीवन था। आधुनिक संकेतन में, UZ और UX 2 234 Pa समस्थानिक के आइसोमेरिक और जमीनी राज्यों के अनुरूप हैं। 1935 में, B. V. Kurchatov, I. V. Kurchatov, L. V. Mysovsky और L. I. Rusinov ने कृत्रिम ब्रोमीन आइसोटोप 80 Br के एक आइसोमर की खोज की, जो नाभिक की जमीनी अवस्था के साथ बनता है जब न्यूट्रॉन को स्थिर 79 Br द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। तीन साल बाद, आई। वी। कुरचटोव के नेतृत्व में, यह पाया गया कि ब्रोमीन -80 का आइसोमेरिक संक्रमण मुख्य रूप से आंतरिक रूपांतरण से होता है, न कि गामा क्वांटा के उत्सर्जन से। इन सभी ने इस घटना के व्यवस्थित अध्ययन की नींव रखी। सैद्धांतिक रूप से, परमाणु समरूपता का वर्णन कार्ल वीज़सैकर ने 1936 में किया था।

भौतिक गुण

आइसोमेरिक राज्यों का क्षय किसके द्वारा किया जा सकता है:

• जमीनी अवस्था में आइसोमेरिक संक्रमण (गामा क्वांटम के उत्सर्जन या आंतरिक रूपांतरण के माध्यम से);
• बीटा क्षय और इलेक्ट्रॉन कैप्चर;
• सहज विखंडन (भारी नाभिक के लिए);
• प्रोटॉन विकिरण (अत्यधिक उत्साहित आइसोमर्स के लिए)।

एक विशिष्ट क्षय विकल्प की संभावना नाभिक की आंतरिक संरचना और उसके ऊर्जा स्तरों (साथ ही नाभिक के स्तर - संभावित क्षय उत्पादों) द्वारा निर्धारित की जाती है।

द्रव्यमान संख्या के मूल्यों के कुछ क्षेत्रों में तथाकथित हैं। आइसोमेरिज्म के द्वीप (आइसोमर इन क्षेत्रों में विशेष रूप से आम हैं)। इस घटना को न्यूक्लियर शेल मॉडल द्वारा समझाया गया है, जो स्पिन में बड़े अंतर के साथ ऊर्जावान रूप से करीब परमाणु स्तरों के विषम नाभिक में अस्तित्व की भविष्यवाणी करता है, जब प्रोटॉन या न्यूट्रॉन की संख्या जादुई संख्या के करीब होती है।

कुछ उदाहरण

यह सभी देखें

टिप्पणियाँ

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एक अन्य प्रकार का परमाणु परिवर्तन तब होता है जब नाभिक क्षय नहीं होता है, जैसा कि अल्फा क्षय में होता है, और अपनी संरचना को नहीं बदलता है, जैसा कि बीटा क्षय में होता है, लेकिन स्वयं रहता है, लेकिन केवल, अपेक्षाकृत बोलते हुए, अपना आकार बदलता है। एक ही नाभिक के विभिन्न संस्करण, जो केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के स्पिनों की गति और पारस्परिक अभिविन्यास में भिन्न होते हैं, कहलाते हैं आइसोमरों. अलग-अलग आइसोमर्स में अलग-अलग ऊर्जा होती है, इसलिए एक दूसरे में उनके परिवर्तन से एक फोटॉन का उत्सर्जन होता है।

यह बहुत कुछ वैसा ही है जैसा परमाणुओं के साथ होता है: एक जमीनी अवस्था होती है, जिसमें सबसे कम ऊर्जा होती है, और उत्तेजित अवस्थाएँ होती हैं, जो ऊर्जा में अधिक होती हैं। जब कोई परमाणु अपनी इलेक्ट्रॉनिक संरचना बदलता है और इस तरह उत्तेजित स्तर से जमीनी स्तर पर कूदता है, तो यह एक फोटॉन उत्सर्जित करता है। यह कर्नेल के लिए समान है। प्रत्येक नाभिक के लिए, बढ़ी हुई ऊर्जा के साथ उत्तेजित अवस्थाओं की एक पूरी सीढ़ी होती है। उत्तेजित आइसोमर्स अस्थिर होते हैं, और आमतौर पर वे जल्दी से नाभिक की जमीनी अवस्था में बदल जाते हैं, एक फोटॉन का उत्सर्जन करते हैं। कभी-कभी, हालांकि, वे साधारण रेडियोधर्मिता के कारण अन्य नाभिकों में भी क्षय हो जाते हैं।

जिस प्रकार परमाणुओं की उत्तेजित अवस्थाएँ अल्पकालिक या दीर्घजीवी हो सकती हैं, उसी प्रकार परमाणु समावयवों में भी बहुत भिन्न अर्ध-आयु हो सकती है। परमाणु संक्रमण के सादृश्य से, यदि कुछ भी उत्तेजित अवस्था के क्षय में हस्तक्षेप नहीं करता है, तो यह क्रम के समय में बहुत जल्दी हो सकता है ज़ेप्टोसेकंड, अर्थात् परमाणु गति के कुछ "घड़ी चक्रों" में शाब्दिक रूप से। ऐसे, उदाहरण के लिए, प्रकाश नाभिक के अधिकांश आइसोमर हैं। भारी नाभिक में, चित्र बहुत अधिक विविध है। उदाहरण के लिए, लेड न्यूक्लियस 208Pb के सैकड़ों ज्ञात आइसोमर्स में से कुछ ऐसे भी हैं जो दसियों zeptoseconds से nanoseconds तक रहते हैं।

कुछ मामलों में, जब आइसोमर का क्षय बहुत मुश्किल होता है, उत्तेजित नाभिक का जीवनकाल सेकंड या उससे अधिक तक पहुंच सकता है। यूरेनियम के आइसोमर्स के बीच हम पहले ही ऐसे एक उदाहरण का सामना कर चुके हैं। एक अन्य प्रसिद्ध उदाहरण हेफ़नियम-178 आइसोमर है, जिसे 178m2 Hf नामित किया गया है। इसकी एक बड़ी स्पिन है - जितनी कि 16 इकाइयाँ। इससे उसके लिए धरातल पर जाना इतना कठिन हो जाता है कि उसकी आधी आयु हो जाती है 31 साल. मानव मानकों के हिसाब से भी यह बहुत कुछ है। इस हेफ़नियम आइसोमर पर आधारित एक प्रकार का "स्वच्छ" परमाणु बम बनाने का भी प्रस्ताव था। हम हेफ़नियम -178 लेते हैं, इसे उत्तेजित अवस्था में बदलते हैं, आइसोमर की एक छोटी मात्रा को एक शेल में पैक करते हैं और इसे एक ऊर्जा रिलीज डिवाइस के साथ आपूर्ति करते हैं। जब इस तरह के बम में विस्फोट होता है, तो केवल फोटॉन उत्सर्जित होते हैं। यह पर्यावरण के लंबे समय तक विकिरण संदूषण के बिना अपने चारों ओर विनाश का उत्पादन करेगा, और इसलिए यह "पारंपरिक" परमाणु हथियारों पर समझौतों के अधीन नहीं होगा। सौभाग्य से, नाभिक में ऊर्जा के स्तर में हेरफेर करना इतना कठिन काम है कि ऊर्जा को पंप करने और छोड़ने के लिए कोई भी ज्ञात तकनीक आवश्यक आवश्यकताओं को पूरा करने के करीब भी नहीं आती है। तो हेफ़नियम बम को अभी भी एक अवास्तविक कल्पना माना जा सकता है।

अंत में, बहुत ही असाधारण मामलों में, एक उत्तेजित नाभिक इतने लंबे समय तक जीवित रह सकता है कि इसका क्षय प्रयोगशाला परिस्थितियों में नहीं देखा जाता है, और यह आइसोमर स्वयं भी प्राकृतिक परिस्थितियों में कुछ एकाग्रता में मौजूद हो सकता है। उदाहरण के लिए, टैंटलम आइसोमर 180m Ta है। यह सभी प्राकृतिक टैंटलम का 0.012% बनाता है, और इसका जीवनकाल बहुत लंबा है (यह केवल ज्ञात है कि यह 10 15 वर्ष से अधिक है)।

अन्य परमाणु राज्य। सामान्य तौर पर, "मेटास्टेबल" शब्द आमतौर पर 10 -9 सेकंड या उससे अधिक के जीवनकाल वाले राज्यों पर लागू होता है।

आमतौर पर, इन राज्यों का जीवनकाल संकेतित सीमा से अधिक लंबा होता है, और यह मिनट, घंटे और (एक मामले में 180m Ta) लगभग 10 15 वर्ष हो सकता है।

1. गुठली

नाभिकीय समावयवों के नाभिक अप्रकाशित नाभिकों की तुलना में उच्च ऊर्जा अवस्था में होते हैं, जो तथाकथित जमीनी अवस्था में होते हैं। उत्तेजित अवस्था में, नाभिक के नाभिकों में से एक कम ऊर्जा वाले मुक्त कक्षीय से अधिक ऊर्जा वाले नाभिकीय कक्षक में रहता है। ये अवस्थाएँ परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की अवस्था के समान होती हैं।

एक अन्य ज्ञात बहुत स्थिर परमाणु आइसोमर (31 वर्ष के आधे जीवन के साथ) 178m2 Hf है, जिसमें तुलनीय जीवनकाल के साथ किसी भी ज्ञात आइसोमर की उच्चतम रूपांतरण ऊर्जा है। इस आइसोमर के 1 ग्राम में 1.33 गीगाजूल ऊर्जा होती है, जो 315 किलोग्राम टीएनटी के बराबर होती है। यह 2.45 MeV गामा किरणें उत्सर्जित कर अपघटित हो जाती है। इस सामग्री को उत्तेजित उत्सर्जन में सक्षम माना जाता था, और इसके आधार पर गामा लेजर बनाने की संभावना पर विचार किया गया था। अन्य आइसोमर्स को भी इस भूमिका के लिए उम्मीदवार माना गया है, लेकिन अभी तक गहन प्रयासों के बावजूद कोई सकारात्मक परिणाम सामने नहीं आया है।

4. आवेदन

177m Lu जैसे एक आइसोमर का क्षय परमाणु ऊर्जा स्तरों के एक झरने के माध्यम से होता है, और यह माना जाता है कि इसका उपयोग विस्फोटक और ऊर्जा स्रोत बनाने के लिए किया जा सकता है जो पारंपरिक रासायनिक लोगों की तुलना में अधिक शक्तिशाली परिमाण के कई आदेश होंगे।

5. क्षय प्रक्रियाएं

आइसोमर्स दो मुख्य प्रकार के आइसोमेरिक संक्रमणों द्वारा निम्न ऊर्जा अवस्था में संक्रमण करते हैं

आइसोमर्स को अन्य तत्वों में भी परिवर्तित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 177m Lu 160.4 दिनों की अवधि के साथ बीटा क्षय से गुजर सकता है, 177 में बदल सकता है, या 177 Lu में आंतरिक रूपांतरण से गुजर सकता है, जो बदले में, 177 Hf पर 6.68 दिनों के आधे जीवन के साथ बीटा क्षय से गुजरता है।

यह सभी देखें

6. संदर्भ

1. सी. बी. कॉलिन्सएट अल.आइसोमेरिक अवस्था 180 टा मी की प्रतिक्रिया 180 टा मी (γ, γ ") 180 टा / / भौतिक. रेव सी।- टी। 37. - (1988) एस। 2267-2269। डीओआई: 10.1103/PhysRevC.37.2267।
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आइसोमर्स परमाणु नाभिक होते हैं जिनमें समान संख्या में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन होते हैं, लेकिन विभिन्न भौतिक गुण, विशेष रूप से अलग-अलग आधे जीवन में।

चावल। 6.1. आइसोमेरिक 115 नाभिक में संक्रमण।

-रेडियोधर्मी नाभिक का जीवनकाल सामान्यतः 10 -12 -10 -17 s के क्रम पर होता है। कुछ मामलों में, जब उच्च स्तर के निषेध को -संक्रमण की कम ऊर्जा के साथ जोड़ा जाता है, तो -रेडियोधर्मी नाभिक मैक्रोस्कोपिक क्रम के जीवनकाल (कई घंटों तक, और कभी-कभी अधिक) के साथ मनाया जा सकता है। नाभिक की ऐसी दीर्घजीवी उत्तेजित अवस्थाएँ कहलाती हैं आइसोमरों . एक समावयवी का एक विशिष्ट उदाहरण इंडियम 115 इंच का समस्थानिक है (चित्र 6.1)। 115 जमीनी अवस्था में J P = 9/2 + है। पहले उत्तेजित स्तर में 335 keV की ऊर्जा और एक स्पिन-समता J P = 1/2 - है। इसलिए, इन राज्यों के बीच संक्रमण केवल M4 -क्वांटम के उत्सर्जन के माध्यम से होता है। यह संक्रमण इतना सख्त वर्जित है कि उत्तेजित अवस्था का आधा जीवन 4.5 घंटे हो जाता है।
परमाणु समरूपता की घटना की खोज 1921 में ओ। गान द्वारा की गई थी, जिन्होंने पाया कि दो रेडियोधर्मी पदार्थ हैं जिनकी द्रव्यमान संख्या A और क्रम संख्या Z समान है, लेकिन आधे जीवन में भिन्न हैं। बाद में यह दिखाया गया कि यह 234m Pa isomeric राज्य था। Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936) के अनुसार, परमाणु समरूपता तब होती है जब कम उत्तेजना ऊर्जा वाले उत्तेजित अवस्था में नाभिक का कोणीय संवेग की कई इकाइयों द्वारा कम उत्तेजना ऊर्जा वाले किसी भी राज्य में कोणीय गति से भिन्न होता है। . एक आइसोमेरिक (मेटास्टेबल) राज्य को एक मापने योग्य जीवनकाल के साथ उत्साहित राज्य के रूप में परिभाषित किया गया था। जैसे-जैसे -स्पेक्ट्रोस्कोपी के प्रायोगिक तरीकों में सुधार हुआ, मापने योग्य आधा जीवन घटकर 10 -12 -10 -15 s हो गया।

तालिका 6.1

उत्साहित राज्य 19 एफ

आइसोमेरिक अवस्थाओं की अपेक्षा की जानी चाहिए जहां शेल स्तर, जो ऊर्जा में एक दूसरे के करीब हैं, स्पिन मूल्यों में बहुत भिन्न होते हैं। यह इन क्षेत्रों में है कि तथाकथित "आइसोमरिक द्वीप" स्थित हैं। इस प्रकार, ऊपर दिए गए 115 इन आइसोटोप में एक आइसोमर की उपस्थिति इस तथ्य के कारण है कि इसमें बंद शेल Z = 50 तक पहुंचने के लिए एक प्रोटॉन की कमी है, यानी, एक प्रोटॉन "छेद" है। जमीनी अवस्था में, यह छिद्र 1g 9/2 उपकोश में और उत्तेजित अवस्था में 1p 1/2 उपकोश में होता है। यह स्थिति विशिष्ट है। समरूपता के द्वीप छोटे Z और N की तरफ जादुई संख्या 50, 82, और 126 के ठीक सामने स्थित हैं। इस प्रकार, नाभिक 86 आरबी (एन = 49), 131 ते (एन = में आइसोमेरिक अवस्थाएँ देखी जाती हैं। 79, जो 82 के करीब है), 199 एचजी (जेड = 80, जो 82 के करीब है), आदि। हम ध्यान दें कि, उन पर विचार करने के साथ, आइसोमेरिक राज्यों की उपस्थिति के अन्य कारण भी हैं। वर्तमान में, बड़ी संख्या में आइसोमर्स की खोज की गई है, जिनका आधा जीवन कुछ सेकंड से लेकर 3·10 6 साल (210m Bi) तक है। कई समस्थानिकों में कई समस्थानिक अवस्थाएँ होती हैं। तालिका 6.2 लंबे समय तक रहने वाले आइसोमर्स (T 1/2> वर्ष) के मापदंडों को दर्शाती है।

तालिका 6.2

परमाणु नाभिक के आइसोमेरिक राज्यों के पैरामीटर