Izomerizmi bërthamor. Izomerizmi bërthamor M Dukuria Korsunsky e izomerizmit të bërthamave atomike

Izomerizmi i bërthamave atomike, ekzistenca e disa bërthamave atomike së bashku me gjendjen bazë të gjendjeve të ngacmuara jetëgjata (metastabile), të quajtura izomere. Historikisht, gjendjet izomere përfshijnë gjendje me jetëgjatësi që mund të maten drejtpërdrejt (më shumë se 0,01 μs). Fenomeni i izomerizmit lind për shkak të një ndryshimi të mprehtë në strukturën e shteteve fqinje (të ngacmuara dhe të tokës), gjë që çon në një ulje të ndjeshme të probabilitetit të prishjes së gjendjes së ngacmuar (nganjëherë me shumë rend të madhësisë).

Treguesi i parë për ekzistencën e izomerëve bërthamorë u mor në vitin 1921 nga O. Hahn, i cili zbuloi midis produkteve të kalbjes së uraniumit një substancë radioaktive që, me të njëjtin numër atomik Z dhe numër masiv A, kishte dy rrugë krejtësisht të ndryshme të zbërthimit radioaktiv. . Sidoqoftë, data e zbulimit të izomerizmit të bërthamave atomike konsiderohet të jetë viti 1935, kur një grup shkencëtarësh sovjetikë të udhëhequr nga I. V. Kurchatov zbuluan formimin e tre izotopeve radioaktive me gjysmë jetë të ndryshme kur bromi rrezatohej me neutrone të ngadalta.

Më pas, doli se ky fenomen është mjaft i përhapur, disa qindra gjendje izomere tashmë janë të njohura, dhe disa bërthama mund të kenë disa gjendje të tilla. Për shembull, një bërthamë hafnium me A = 175 ka 5 gjendje me jetëgjatësi më të madhe se 0.1 μs.

Një kusht i domosdoshëm për ekzistencën e një gjendje izomere të bërthamës është prania e një lloj ndalimi për kalimet rrezatuese nga gjendjet izomere në ato më të ulëta të energjisë. Ekzistojnë një sërë veçorish të strukturës bërthamore që shkaktojnë një ndalim të tillë: ndryshimi në momentin këndor (rrotullimet) e gjendjeve izomerike dhe bazë, që çon në tranzicione rrezatuese të multipolaritetit të lartë, orientime të ndryshme të rrotullimeve në lidhje me boshtin e preferuar në bërthama, forma të ndryshme bërthamash në të dyja gjendjet.

Prishja e gjendjeve izomere zakonisht shoqërohet me emetimin e elektroneve ose γ-kuanteve, duke rezultuar në formimin e të njëjtës bërthamë, por në një gjendje me energji më të ulët. Ndonjëherë ka më shumë gjasa prishja e beta. Izomerët e elementëve të rëndë mund të kalbet nga ndarja spontane. Gjendjet izomere të bërthamave me një probabilitet të lartë të ndarjes spontane quhen izomerë të zbërthyer. Njihen rreth 30 bërthama (izotopet U, Pu, Am, Cm, Bk) për të cilat probabiliteti i ndarjes spontane në gjendjen izomerike është afërsisht 1026 herë më i madh se në gjendjen bazë.

Izomerizmi i bërthamave atomike është një burim i rëndësishëm informacioni për strukturën e bërthamave atomike; studimi i izomerëve ndihmoi për të vendosur rendin në të cilin ishin mbushur predhat bërthamore. Jetëgjatësia e izomerëve përdoret për të gjykuar vlerat e ndalimeve për tranzicionet rrezatuese dhe lidhjen e tyre me strukturën bërthamore.

Izomerët bërthamorë gjejnë gjithashtu aplikime praktike. Për shembull, në analizën e aktivizimit, formimi i tyre në një sërë rastesh bën të mundur arritjen e një ndjeshmërie më të lartë të metodës. Izomerët bërthamorë jetëgjatë konsiderohen si akumulues të mundshëm të energjisë në të ardhmen.

Lit .: Korsunsky M. I. Izomerizmi i bërthamave atomike. M., 1954; Polikanov S. M. Izomerizmi i formës së bërthamave atomike. M., 1977.

Për të gjitha shtetet themelore për ta është e shtypur fuqishëm nga rregullat e përjashtimit për spin dhe barazi. Në veçanti, tranzicionet me një multipolaritet të lartë (d.m.th., një ndryshim i madh rrotullimi i nevojshëm për një kalim në gjendjen themelore) dhe një energji të ulët tranzicioni shtypen. Ndonjëherë shfaqja e izomerëve shoqërohet me një ndryshim domethënës në formën e bërthamës në gjendje të ndryshme energjetike (si në 180 Hf).

Izomerët shënohen me shkronjë m(nga anglishtja metastabile) në indeksin e numrit masiv (për shembull, 80 m Br) ose në indeksin e sipërm të djathtë (për shembull, 80 Br m). Nëse nuklidi ka më shumë se një gjendje të ngacmuar metastabile, ato shënohen sipas renditjes së rritjes së energjisë me shkronjat. m, n, fq, q dhe kështu me radhë sipas alfabetit, ose sipas shkronjave m me numrin e shtuar: m 1, m 2 etj.

Me interes më të madh janë izomerët relativisht të qëndrueshëm me gjysmë jetë nga 10-6 s deri në shumë vite.

Histori

Koncepti i izomerizmit të bërthamave atomike lindi në vitin 1921, kur fizikani gjerman O. Hahn, duke studiuar zbërthimin beta të torium-234, i njohur në atë kohë si "uranium-X1" (UX 1), zbuloi një substancë të re radioaktive "uranium". -Z" (UZ ), i cili as në vetitë kimike dhe as në masë nuk ndryshonte nga "uraniumi-X2" i njohur tashmë (UX 2), por kishte një gjysmë jetë të ndryshme. Në shënimin modern, UZ dhe UX 2 korrespondojnë me gjendjet izomerike dhe bazë të izotopit 234 Pa. Në vitin 1935, B. V. Kurchatov, I. V. Kurchatov, L. V. Mysovsky dhe L. I. Rusinov zbuluan një izomer të izotopit artificial të bromit 80 Br, i cili formohet së bashku me gjendjen bazë të bërthamës kur neutronet kapen nga stalla 79 Br. Tre vjet më vonë, nën udhëheqjen e I. V. Kurchatov, u zbulua se kalimi izomerik i bromit-80 ndodh kryesisht nga shndërrimi i brendshëm, dhe jo nga emetimi i kuanteve gama. E gjithë kjo hodhi themelet për një studim sistematik të këtij fenomeni. Teorikisht, izomerizmi bërthamor u përshkrua nga Karl Weizsäcker në 1936.

Vetitë fizike

Prishja e gjendjeve izomere mund të kryhet nga:

• kalimi izomerik në gjendjen bazë (me emetim të një kuantike gama ose përmes shndërrimit të brendshëm);
• zbërthimi beta dhe kapja e elektroneve;
• ndarje spontane (për bërthama të rënda);
• rrezatimi proton (për izomerët shumë të ngacmuar).

Probabiliteti i një opsioni specifik të kalbjes përcaktohet nga struktura e brendshme e bërthamës dhe nivelet e saj të energjisë (si dhe nivelet e bërthamave - produktet e mundshme të kalbjes).

Në disa zona të vlerave të numrave në masë, ekzistojnë të ashtuquajturat. ishujt e izomerizmit (izomerët janë veçanërisht të zakonshëm në këto zona). Ky fenomen shpjegohet me modelin e guaskës bërthamore, i cili parashikon ekzistencën në bërthama tek të niveleve bërthamore energjikisht të afërta me një ndryshim të madh në rrotullime, kur numri i protoneve ose neutroneve është afër numrave magjikë.

Disa shembuj

Shiko gjithashtu

Shënime

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (gjermanisht) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (anglisht) rusisht: dyqan. - 1921. - Bd. 54, nr. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. Alburger. izomerizmi bërthamor// Handbuch der physik / S. Flugge. - Springer-Verlag, 1957. - Vëllimi 42: Kernreaktionen III / Reagimet Bërthamore III. - P. 1.
3. J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provokée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (frëngjisht) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des Sciences (anglisht) rusisht:revistë. - 1935. - Vëll. 200 . - F. 1201-1203.
4. , Me. 617.
5. C. von Weizsacker. Metastabile Zustände der Atomkerne (anglisht) // Naturwissenschaften (anglisht) rusisht: ditar. - 1936. - Vëll. 24, nr. 51 . - F. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Fizika bërthamore ekzotike për kuriozët (rusisht) // Shkenca dhe jeta. - 2017. - Nr. 4. - S. 96-100.
7. G. Audi et al. Vlerësimi NUBASE i vetive bërthamore dhe të kalbjes. Nuclear Physics A, 1997, vëll. 624, faqe 1-124. Kopje e arkivuar (e pacaktuar) (lidhja e padisponueshme). Marrë më 17 mars 2008.

Një lloj tjetër transformimi bërthamor është kur bërthama nuk prishet, si në kalbjen alfa, dhe nuk ndryshon përbërjen e saj, si në zbërthimin beta, por mbetet vetë, por vetëm, duke folur relativisht, ndryshon formën e saj. Versione të ndryshme të së njëjtës bërthamë, që ndryshojnë vetëm në lëvizjen dhe orientimin reciprok të rrotullimeve të protoneve dhe neutroneve, quhen izomere. Izomerë të ndryshëm kanë energji të ndryshme, kështu që shndërrimi i tyre në njëri-tjetrin çon në emetimin e një fotoni.

Kjo është shumë e ngjashme me atë që ndodh me atomet: ekziston një gjendje bazë, me energjinë më të ulët, dhe gjendje të ngacmuara, të cilat janë më të larta në energji. Kur një atom ndryshon strukturën e tij elektronike dhe në këtë mënyrë kërcen nga një nivel i ngacmuar në nivelin e tokës, ai lëshon një foton. Është e njëjta gjë për bërthamat. Për çdo bërthamë, ekziston një shkallë e tërë e gjendjeve të ngacmuara me energji të shtuar. Izomerët e ngacmuar janë të paqëndrueshëm dhe zakonisht kthehen shpejt në gjendjen bazë të bërthamës, duke emetuar një foton. Ndonjëherë, megjithatë, ato gjithashtu kalbet në bërthama të tjera për shkak të radioaktivitetit të zakonshëm.

Ashtu si gjendjet e ngacmuara të atomeve mund të jenë jetëshkurtër ose jetëgjatë, izomerët bërthamorë gjithashtu mund të kenë gjysmë jetë të ndryshme. Për analogji me tranzicionet atomike, nëse asgjë nuk ndërhyn në prishjen e një gjendje të ngacmuar, ajo mund të ndodhë shumë shpejt, në kohë të rendit zeptosekonda, pra fjalë për fjalë në disa "cikle ore" të lëvizjes bërthamore. Të tillë, për shembull, janë shumica e izomerëve të bërthamave të lehta. Në bërthamat e rënda, fotografia është shumë më e larmishme. Për shembull, midis qindra izomerëve të njohur të bërthamës së plumbit 208Pb, ka nga ata që jetojnë nga dhjetëra zeptosekonda deri në nanosekonda.

Në disa raste, kur prishja e izomerit është shumë e vështirë, jetëgjatësia e bërthamës së ngacmuar mund të arrijë sekonda ose më shumë. Një shembull të tillë e kemi hasur tashmë në mesin e izomerëve të uraniumit. Një shembull tjetër i famshëm është izomeri i hafnium-178, i caktuar 178m2 Hf. Ka një rrotullim të madh - deri në 16 njësi. Kjo e bën aq të vështirë për të që të shkojë në gjendjen bazë saqë është gjysma e jetës së tij 31 vjeç. Kjo është shumë, edhe sipas standardeve njerëzore. Madje kishte propozime për të bërë një lloj bombë bërthamore "të pastër" të bazuar në këtë izomer të hafniumit. Marrim hafnium-178, e kthejmë në një gjendje të ngacmuar, paketojmë një sasi të vogël të izomerit në një guaskë dhe e furnizojmë atë me një pajisje çlirimi të energjisë. Kur një bombë e tillë shpërthej, vetëm fotone do të emetoheshin. Ai do të prodhonte shkatërrim rreth vetes pa ndotje afatgjatë të mjedisit nga rrezatimi, dhe për këtë arsye nuk do t'i nënshtrohej marrëveshjeve për armët bërthamore "konvencionale". Për fat të mirë, manipulimi i niveleve të energjisë në bërthama është një detyrë kaq e vështirë saqë asnjë teknologji e njohur për pompimin dhe çlirimin e energjisë nuk i afrohet as përmbushjes së kërkesave të nevojshme. Pra, bomba me hafnium mund të konsiderohet ende një fantazi e parealizueshme.

Së fundi, në raste shumë të jashtëzakonshme, një bërthamë e ngacmuar mund të jetë aq e gjatë saqë prishja e saj nuk vërehet në kushte laboratorike, dhe vetë ky izomer mund të jetë i pranishëm edhe në një farë përqendrimi në kushte natyrore. I tillë, për shembull, është izomeri i tantalit 180m Ta. Ai përbën 0,012% të të gjithë tantalit natyror dhe jetëgjatësia e tij është jashtëzakonisht e gjatë (dihet vetëm se i kalon 10 15 vjet).

Shtetet e tjera bërthamore. Në përgjithësi, termi "metaqëndrueshëm" zakonisht përdoret për shtetet me jetëgjatësi prej 10 -9 sekondash ose më shumë.

Zakonisht, jetëgjatësia e këtyre gjendjeve është shumë më e gjatë se kufiri i treguar dhe mund të jetë minuta, orë dhe (në një rast 180 m Ta) rreth 10 15 vjet.

1. Bërthama

Bërthamat e izomerëve bërthamorë janë në një gjendje energjie më të lartë se bërthamat e pangacmuara, të cilat janë në të ashtuquajturën gjendje bazë. Në gjendjen e ngacmuar, një nga nukleonet e bërthamës zë një orbital bërthamor me një energji më të lartë se një orbital i lirë me energji të ulët. Këto gjendje janë të ngjashme me gjendjet e elektroneve në atome.

Një tjetër izomer i njohur shumë i qëndrueshëm bërthamor (me një gjysmë jetëgjatësi prej 31 vjetësh) është 178 m2 Hf, i cili ka energjinë më të lartë të konvertimit nga çdo izomer i njohur me një jetëgjatësi të krahasueshme. 1 g i këtij izomeri përmban 1.33 gigaxhaule energji, ekuivalente me 315 kg TNT. Ai zbërthehet duke lëshuar rreze gama 2,45 MeV. Ky material u konsiderua i aftë për emetim të stimuluar dhe u konsiderua mundësia e krijimit të një lazeri gama bazuar në të. Si kandidatë për këtë rol janë konsideruar edhe izomerë të tjerë, por deri më tani, me gjithë përpjekjet intensive, nuk është raportuar ndonjë rezultat pozitiv.

4. Aplikimi

Prishja e një izomeri të tillë si 177m Lu ndodh përmes një kaskade nivelesh të energjisë bërthamore dhe besohet se mund të përdoret për të krijuar eksplozivë dhe burime energjie që do të ishin disa gradë më të fuqishme se ato kimike tradicionale.

5. Proceset e kalbjes

Izomerët kalojnë në një gjendje energjie më të ulët nga dy lloje kryesore të tranzicioneve izomere

Izomerët gjithashtu mund të shndërrohen në elementë të tjerë. Për shembull, 177m Lu mund t'i nënshtrohet zbërthimit beta me një periudhë prej 160,4 ditësh, duke u kthyer në 177, ose t'i nënshtrohet një konvertimi të brendshëm në 177 Lu, i cili, nga ana tjetër, i nënshtrohet kalbjes beta në 177 Hf me një gjysmë jetë prej 6,68 ditësh.

Shiko gjithashtu

6. Referencat

1. C. B. Collins etj al. Zhpopullimi i gjendjes izomerike 180 Ta m nga reaksioni 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Fiz. Rev. C.- T. 37. - (1988) S. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
2. D. Beliq etj al. Fotoaktivizimi i 180 Tam dhe implikimet e tij për nukleosintezën e izotopit më të rrallë natyror të natyrës / / Fiz. Rev. let.. - T. 83. - (1999) (25) S. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
3. "Kërkuesit e UNH kërkojnë për emetim të stimuluar të rrezeve gama". Grupi i Fizikës Bërthamore i UNH. 1997. Arkivi

Izomerët janë bërthama atomike që kanë të njëjtin numër neutronesh dhe protonesh, por veti të ndryshme fizike, veçanërisht gjysmë jetë të ndryshme.

Oriz. 6.1. Kalimi izomerik γ në bërthamën 115 In.

Jetëgjatësia e bërthamave γ-radioaktive është zakonisht në rendin e 10 -12 -10 -17 s. Në disa raste, kur një shkallë e lartë ndalimi kombinohet me një energji të ulët të tranzicionit γ, mund të vërehen bërthama γ-radioaktive me jetëgjatësi të rendit makroskopik (deri në disa orë, dhe nganjëherë më shumë). Gjendje të tilla të ngacmuara jetëgjata të bërthamave quhen izomere . Një shembull tipik i një izomeri është izotopi i indiumit 115 In (Fig. 6.1). 115 Në gjendjen bazë ka J P = 9/2 + . Niveli i parë i ngacmuar ka një energji prej 335 keV dhe një paritet spin J P = 1/2 - . Prandaj, kalimi midis këtyre gjendjeve ndodh vetëm përmes emetimit të një kuanti M4 γ. Ky tranzicion është aq fort i ndaluar sa gjysma e jetës së gjendjes së ngacmuar rezulton të jetë 4.5 orë.
Fenomeni i izomerizmit bërthamor u zbulua në vitin 1921 nga O. Gann, i cili zbuloi se ekzistojnë dy substanca radioaktive që kanë të njëjtin numër masiv A dhe numër serik Z, por ndryshojnë në gjysmë-jetën. Më vonë u tregua se kjo ishte gjendja izomerike 234m Pa. Sipas Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936), izomerizmi bërthamor ndodh sa herë që momenti këndor i një bërthame në një gjendje të ngacmuar me një energji të ulët ngacmimi ndryshon nga momenti këndor në çdo gjendje që ka një energji më të ulët ngacmimi me disa njësi ћ. . Një gjendje izomere (metastabile) përkufizohej si një gjendje e ngacmuar me një jetëgjatësi të matshme. Ndërsa metodat eksperimentale të spektroskopisë γ u përmirësuan, gjysma e jetës së matshme u ul në 10 -12 -10 -15 s.

Tabela 6.1

Gjendje të emocionuara 19 F

Gjendjet izomere duhet të priten ku nivelet e guaskës, të cilat janë afër njëri-tjetrit në energji, ndryshojnë shumë në vlerat e rrotullimit. Pikërisht në këto zona ndodhen të ashtuquajturat “ishuj izomerë”. Pra, prania e një izomeri në izotopin 115 In të dhënë më sipër është për faktin se atij i mungon një proton për të arritur në shtresën e mbyllur Z = 50), d.m.th., ekziston një "vrimë" e protonit. Në gjendjen bazë, kjo vrimë është në nënshtresën 1g 9/2, dhe në gjendjen e ngacmuar, në nënshtresën 1p 1/2. Kjo situatë është tipike. Ishujt e izomerizmit ndodhen drejtpërdrejt përballë numrave magjikë 50, 82 dhe 126 në anën e Z dhe N më të vogël. Kështu, gjendjet izomerike vërehen në bërthamat 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, që është afër 82), 199 Hg (Z = 80, që është afër 82), etj. Vëmë re se, krahas atyre që konsiderohen, ka edhe arsye të tjera për shfaqjen e gjendjeve izomere. Aktualisht, një numër i madh izomerësh janë zbuluar me një gjysmë jetëgjatësi nga disa sekonda në 3·10 6 vjet (210m Bi). Shumë izotope kanë gjendje të shumta izomere. Tabela 6.2 tregon parametrat e izomerëve jetëgjatë (T 1/2 > vit).

Tabela 6.2

Parametrat e gjendjeve izomere të bërthamave atomike