Izomerie nucleară. Izomerie nucleară M Korsunsky fenomen de izomerie a nucleelor ​​atomice

Izomeria nucleelor ​​atomice, existența stărilor excitate de lungă durată (metastabile) în unele nuclee atomice, numite stări izomerice. Din punct de vedere istoric, stările izomerice includ stări cu durate de viață care pot fi măsurate direct (mai mult de 0,01 μs). Fenomenul de izomerie apare din cauza unei diferențe accentuate în structura stărilor vecine (excitate și sol), ceea ce duce la o scădere semnificativă a probabilității de decădere a stării excitate (uneori cu multe ordine de mărime).

Primul indiciu al existenței izomerilor nucleari a fost obținut în 1921 de O. Hahn, care a descoperit printre produșii de descompunere ai uraniului o substanță radioactivă care, cu același număr atomic Z și număr de masă A, avea două căi complet diferite de descompunere radioactivă. . Cu toate acestea, data descoperirii izomeriei nucleelor ​​atomice este considerată a fi 1935, când un grup de oameni de știință sovietici condus de I. V. Kurchatov a descoperit formarea a trei izotopi radioactivi cu timpi de înjumătățire diferit atunci când bromul a fost iradiat cu neutroni lenți.

Ulterior, s-a dovedit că acest fenomen este destul de răspândit, sunt deja cunoscute câteva sute de stări izomerice, iar unele nuclee pot avea mai multe astfel de stări. De exemplu, un nucleu de hafniu cu A = 175 are 5 stări cu durate de viață mai mari de 0,1 μs.

O condiție indispensabilă pentru existența unei stări izomerice a nucleului este prezența unui fel de interdicție pentru tranzițiile radiative de la stările izomerice la stările de energie inferioară. Există o serie de caracteristici ale structurii nucleare care provoacă o astfel de interdicție: diferența în momentele unghiulare (spinuri) ale stărilor izomerice și fundamentale, conducând la tranziții radiative de multipolaritate ridicată, orientarea diferită a spinurilor în raport cu cea preferată. axa în nucleu, forma diferită a nucleelor ​​în ambele stări.

Decăderea stărilor izomerice este de obicei însoțită de emisia de electroni sau γ-quanta, având ca rezultat formarea aceluiași nucleu, dar într-o stare cu o energie mai mică. Uneori, degradarea beta este mai probabilă. Izomerii elementelor grele se pot descompune prin fisiune spontană. Stările izomerice ale nucleelor ​​cu o mare probabilitate de fisiune spontană se numesc izomeri fisionali. Sunt cunoscuți aproximativ 30 de nuclee (izotopi U, Pu, Am, Cm, Bk) pentru care probabilitatea fisiunii spontane în stare izomeră este de aproximativ 1026 de ori mai mare decât în ​​starea fundamentală.

Izomeria nucleelor ​​atomice este o sursă importantă de informații despre structura nucleelor ​​atomice; studiul izomerilor a ajutat la stabilirea ordinii în care au fost umplute învelișurile nucleare. Duratele de viață ale izomerilor sunt folosite pentru a judeca valorile interdicțiilor pentru tranzițiile radiative și legătura lor cu structura nucleară.

Izomerii nucleari găsesc, de asemenea, aplicații practice. De exemplu, în analiza activării, formarea lor într-un număr de cazuri face posibilă obținerea unei sensibilități mai mari a metodei. Izomerii nucleari cu viață lungă sunt considerați posibili acumulatori de energie în viitor.

Lit.: Korsunsky M. I. Izomeria nucleelor ​​atomice. M., 1954; Polikanov S. M. Izomeria formei nucleelor ​​atomice. M., 1977.

Pentru toate statele de bază pentru ele este puternic suprimată de regulile de excludere privind spin și paritate. În special, tranzițiile cu multipolaritate ridicată (adică o schimbare mare de spin necesară pentru a trece 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 indicați prin literă m(din engleză metastable) în indexul numărului de masă (de exemplu, 80 m Br) sau în indexul din dreapta sus (de exemplu, 80 Br m). Dacă nuclidul are mai mult de o stare excitată metastabilă, acestea sunt notate în ordinea creșterii energiei prin litere m, n, p, qși așa mai departe alfabetic, 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 s la mulți ani.

Poveste

Conceptul de izomerie a nucleelor ​​atomice a apărut în 1921, când fizicianul german O. Hahn, studiind dezintegrarea beta a toriului-234, cunoscut la acea vreme sub numele de „uranium-X1” (UX 1), a descoperit o nouă substanță radioactivă „uraniul”. -Z" (UZ ), care nici ca proprietăți chimice și nici ca număr de masă nu diferă de deja cunoscutul „uranium-X2” (UX 2), dar a avut un timp de înjumătățire diferit. În notația modernă, UZ și UX 2 corespund stărilor izomerice și fundamentale ale izotopului de 234 Pa. În 1935, B. V. Kurchatov, I. V. Kurchatov, L. V. Mysovsky și L. I. Rusinov au descoperit un izomer al izotopului artificial de brom 80 Br, care se formează împreună cu starea fundamentală a nucleului atunci când neutronii sunt capturați de 79 Br stabil. Trei ani mai târziu, sub conducerea lui I. V. Kurchatov, s-a constatat că tranziția izomeră a bromului-80 are loc în principal prin conversie internă, și nu prin emisia de cuante 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

Dezintegrarea 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 valorilor numerelor de masă, există așa-numitele. insule de izomerie (izomerii sunt deosebit de frecventi în aceste zone). Acest fenomen este explicat prin modelul de înveliș al nucleului, care prezice existența în nuclee impare a unor niveluri nucleare apropiate din punct de vedere energetic, cu o mare diferență de spini, atunci când numărul de protoni sau neutroni este aproape de numerele magice.

Cateva exemple

Vezi si

Note

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (germană) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Engleză) Rusă: magazin. - 1921. - Bd. 54, nr. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602 .
2. D. E. Alburger. izomerie nucleară// Handbuch der physik / S. Flugge. - Springer-Verlag, 1957. - Vol. 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:revistă. - 1935. - Vol. 200 . - P. 1201-1203.
4. , Cu. 617.
5. C. von Weizsacker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engleză) // Naturwissenschaften (Engleză) Rusă: jurnal. - 1936. - Vol. 24, nr. 51 . - P. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Fizica nucleară exotică pentru curioși (rusă) // Știință și viață. - 2017. - Nr. 4. - S. 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.

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 transformarea lor unul în altul duce la 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, care sunt mai mari în energie. 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 pentru sâmburi. Pentru fiecare nucleu, există o scară întreagă de stări excitate cu energie crescută. Izomerii excitați sunt instabili și, de obicei, se transformă rapid în starea fundamentală a nucleului, emițând un foton. Uneori, totuși, ele se descompun și 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 dezintegrarea unei stări excitate, aceasta poate apărea foarte repede, în timpuri de ordine. zeptosecunde, adică literalmente în câteva „cicluri de ceas” de mișcare nucleară. Astfel, de exemplu, sunt cei mai mulți izomeri ai nucleelor ​​ușoare. În nucleele grele, tabloul este mult mai variat. De exemplu, printre sutele de izomeri cunoscuți ai nucleului plumb 208Pb, există cei care trăiesc de la zeci de zeptosecunde până 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 uraniului. Un alt exemplu celebru este izomerul hafniului-178, desemnat 178m2 Hf. Are o rotire uriașă - până la 16 unități. Acest lucru îi face atât de dificil să treacă la starea de bază, încât timpul său de înjumătățire este 31 de ani. Este 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 transformăm într-o stare excitată, împachetăm o cantitate mică de izomer într-o coajă și îi furnizăm un dispozitiv de eliberare a energiei. Când o astfel de bombă ar exploda, ar fi emiși doar fotoni. Ar produce distrugere 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 pentru pomparea și eliberarea energiei nu se poate apropia de îndeplinirea cerințelor necesare. Deci, bomba cu hafniu poate fi considerată în continuare o fantezie irealizabilă.

În cele din urmă, în cazuri foarte excepționale, un nucleu 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. Astfel, de exemplu, este izomerul de tantal 180m Ta. Reprezintă 0,012% din totalul tantalului natural, iar durata de viață a acestuia este nemăsurat de lungă (se știe doar că depășește 10-15 ani).

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 indicată și poate fi minute, ore și (într-un caz 180 m Ta) aproximativ 10 15 ani.

1. Sâmburi

Nucleele izomerilor nucleari sunt într-o stare de energie mai mare decât nucleele neexcitate, care se află în așa-numita stare fundamentală. În starea excitată, unul dintre nucleonii nucleului ocupă un orbital nuclear cu o energie mai mare decât un orbital 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 orice izomer cunoscut cu o durată de viață comparabilă. 1 g din acest izomer conține 1,33 gigajouli de energie, echivalent cu 315 kg de TNT. Se descompune prin emiterea de raze gamma 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 intense, nu a fost raportat niciun rezultat pozitiv.

4. Aplicare

Dezintegrarea unui izomer precum 177m Lu are loc printr-o cascadă de niveluri de energie în nucleu și se crede că poate fi folosit pentru a crea explozibili și surse de energie care ar fi cu câteva ordine de mărime mai puternice decât cele 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, devenind 177, sau poate suferi o 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 si

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) S. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. Belic et al. Fotoactivarea lui 180 Tam și implicațiile sale pentru nucleosinteza celui mai rar izotop natural din natură // Fiz. Rev. lett.. - T. 83. - (1999) (25) S. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
3. „Cercetătorii UNH caută emisie stimulată de raze gamma”. Grupul UNH de Fizică Nucleară. 1997. Arhiva

Izomerii se numesc nuclei atomici care au același număr de neutroni și protoni, dar proprietăți fizice diferite, în special timpi de înjumătățire diferit.

Orez. 6.1. Tranziția γ izomeră în nucleul 115 In.

Duratele de viață ale nucleelor ​​γ-radioactive sunt de obicei de ordinul a 10 -12 -10 -17 s. În unele cazuri, când un grad ridicat de interdicție este combinat cu o energie scăzută a tranziției γ, pot fi observate nuclee γ-radioactive cu durate de viață macroscopice (până la câteva ore și uneori mai mult). Astfel de stări excitate de lungă durată ale nucleelor ​​sunt numite izomerii . Un exemplu tipic de izomer este izotopul indiului 115 In (Fig. 6.1). 115 În stare fundamentală are J P = 9/2 + . Primul nivel excitat are o energie de 335 keV și o paritate de spin J P = 1/2 - . Prin urmare, tranziția între aceste stări are loc doar prin emisia unui cuantic M4 γ. Această tranziție este atât de puternic interzisă încât timpul de înjumătățire al stării excitate se dovedește a fi de 4,5 ore.
Fenomenul de izomerie nucleară a fost descoperit în 1921 de O. Gann, care a descoperit că există două substanțe radioactive care au aceleași numere de masă A și număr de serie Z, dar diferă ca timp de înjumătățire. Mai târziu s-a arătat că aceasta era starea izomeră de 234 m Pa. Potrivit lui Weizsacker (Naturwiss. 24, 813, 1936), izomeria nucleară are loc ori de câte ori momentul unghiular al unui nucleu într-o stare excitată cu o energie de excitație scăzută diferă de momentul unghiular în orice stare care are o energie de excitație mai mică cu mai multe unități de ћ . O stare izomeră (metastabilă) a fost definită ca o stare excitată cu o durată de viață măsurabilă. Pe măsură ce metodele experimentale de spectroscopie γ s-au îmbunătățit, timpii de înjumătățire măsurabil au scăzut la 10 -12 -10 -15 s.

Tabelul 6.1

Stări excitate 19 F

Ar trebui să se aștepte stări izomerice în care nivelurile învelișului, care sunt aproape unul de celălalt ca energie, diferă mult în valorile spin. În aceste zone sunt situate așa-numitele „insule izomerice”. Astfel, prezența unui izomer în izotopul 115 In de mai sus se datorează faptului că îi lipsește un proton pentru a forma o înveliș închisă Z = 50), adică există o „gaură” de proton. În starea fundamentală, această gaură se află în subshell 1g 9/2, iar în starea excitată, în subshell 1p 1/2. Această situație este tipică. Insulele de izomerie sunt situate direct în fața numerelor magice 50, 82 și 126 pe partea mai mici Z și N. Astfel, stările izomerice sunt observate în nucleele 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, care este aproape de 82), 199 Hg ( Z = 80, care este aproape de 82), etc. Observăm că, alături de cele considerate, există și alte motive pentru apariția stărilor izomerice. În prezent, s-a descoperit un număr mare de izomeri cu un timp de înjumătățire de la câteva secunde la 3·106 ani (210m Bi). Mulți izotopi au mai multe stări izomerice. Tabelul 6.2 prezintă parametrii izomerilor cu viață lungă (T 1/2 > an).

Tabelul 6.2

Parametrii stărilor izomerice ale nucleelor ​​atomice