Nukleär isomerism. Kärnisomerism M Korsun fenomenet isomerism av atomkärnor

ISOMERIA AV ATOMKÄRNOR, förekomsten av vissa atomkärnor tillsammans med grundtillståndet för långlivade (metastabila) exciterade tillstånd, kallade isomera. Historiskt sett inkluderar isomera tillstånd tillstånd med livslängder som kan mätas direkt (mer än 0,01 μs). Fenomenet isomerism uppstår på grund av en skarp skillnad i strukturen hos närliggande stater (exciterade och markerade), vilket leder till en signifikant minskning av sannolikheten för förfall av det exciterade tillståndet (ibland i många storleksordningar).

Den första indikationen på existensen av kärnisomerer erhölls 1921 av O. Hahn, som bland sönderfallsprodukterna av uran upptäckte ett radioaktivt ämne som med samma atomnummer Z och massnummer A hade två helt olika vägar för radioaktivt sönderfall. . Datumet för upptäckten av atomkärnors isomerism anses dock vara 1935, då en grupp sovjetiska forskare ledda av IV Kurchatov upptäckte bildandet av tre radioaktiva isotoper med olika halveringstider när brom bestrålades med långsamma neutroner.

Därefter visade det sig att detta fenomen är ganska utbrett, flera hundra isomera tillstånd är redan kända, och vissa kärnor kan ha flera sådana tillstånd. Till exempel, i hafniumkärnan med A = 175, hittades 5 tillstånd med livslängder på mer än 0,1 μs.

Ett oumbärligt villkor för existensen av ett isomertillstånd i kärnan är närvaron av något slags förbud för strålningsövergångar från det isomera tillståndet till ett tillstånd med lägre energi. Ett antal egenskaper hos kärnstrukturen är kända som orsakar ett sådant förbud: skillnaden i vinkelmomentet (snurrarna) för de isomera och grundtillstånden, vilket leder till strålningsövergångar med hög multipolaritet, olika orienteringar av spinnen med avseende på en föredragen axel i kärnan, och olika former av kärnor i båda tillstånden.

Förfallet av isomera tillstånd åtföljs vanligtvis av emission av elektroner eller γ-kvanter; som ett resultat bildas samma kärna, men i ett tillstånd med lägre energi. Beta-förfall är ibland mer sannolikt. Isomerer av tunga grundämnen kan brytas ned genom spontan fission. Isomera tillstånd av kärnor med hög sannolikhet för spontan fission kallas klyvbara isomerer. Det finns cirka 30 kända kärnor (isotoper U, Pu, Am, Cm, Bk), för vilka sannolikheten för spontan fission i det isomera tillståndet är högre än i huvudtillståndet, med cirka 10 26 gånger.

Isomerism av atomkärnor är en viktig källa till information om strukturen av atomkärnor; studiet av isomerer hjälpte till att fastställa ordningen för fyllning av kärnkraftsskal. Isomerernas livslängder används för att bedöma värdena för förbuden för strålningsövergångar och deras förhållande till kärnstrukturen.

Kärnisomerer finner också praktiska tillämpningar. Till exempel, i aktiveringsanalys, gör deras bildning i ett antal fall det möjligt att uppnå större känslighet hos metoden. Långlivade nukleära isomerer anses vara möjliga framtida energilagringsanordningar.

Lit.: Korsunsky M.I. Isomerism of atomic nuclei. M., 1954; Polikanov SM Isomerism av formen av atomkärnor. M., 1977.

I alla lägre stater för dem är det starkt undertryckt av reglerna om förbud mot spin och paritet. I synnerhet undertrycks övergångar med hög multipolaritet (det vill säga med en stor spinändring som krävs för övergången till det lägre tillståndet) och låg övergångsenergi. Ibland är uppkomsten av isomerer associerad med en signifikant skillnad i formen på kärnan i olika energitillstånd (som i 180 Hf).

Isomerer betecknas med bokstaven m(från engelska metastabil) i indexet för massnumret (till exempel 80 m Br) eller i det övre högra indexet (till exempel 80 Br m). Om en nuklid har mer än ett metastabilt exciterat tillstånd, betecknas de i ordningen med ökande energi med bokstäverna m, n, sid, q och vidare alfabetiskt eller med bokstav m med tillägg av ett nummer: m 1, m 2 osv.

Av störst intresse är relativt stabila isomerer med halveringstider från 10 −6 sek till många år.

Historia

Begreppet isomerism av atomkärnor uppstod 1921, när den tyske fysikern O. Hahn, som studerade beta-sönderfallet av torium-234, vid den tiden känd som "uranium-X1" (UX 1), upptäckte ett nytt radioaktivt ämne "uranium". -Z" (UZ ), som varken i kemiska egenskaper eller i massantal skiljde sig från den redan kända "uranium-X2" (UX 2), men hade en annan halveringstid. I modern notation motsvarar UZ och UX 2 de isomera och grundtillstånden för 234 Pa-isotopen. 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky och L.I. Tre år senare, under ledning av IV Kurchatov, fastställdes att den isomera övergången av brom-80 sker huvudsakligen genom intern omvandling, och inte genom utsläpp av gammakvanta. Allt detta lade grunden för en systematisk studie av detta fenomen. Kärn isomerism beskrevs teoretiskt av Karl Weizsacker 1936.

Fysikaliska egenskaper

Nedbrytningen av isomera tillstånd kan utföras genom:

• isomer övergång till grundtillståndet (genom emission av ett gammakvantum eller genom intern omvandling);
• beta-sönderfall och elektroninfångning;
• spontan fission (för tunga kärnor);
• strålning av en proton (för starkt exciterade isomerer).

Sannolikheten för en viss variant av sönderfall bestäms av kärnans inre struktur och dess energinivåer (liksom nivåerna av kärnor - möjliga sönderfallsprodukter).

I vissa områden med värden på masstal finns det så kallade. isomeröar (isomerer är särskilt vanliga i dessa områden). Detta fenomen förklaras av kärnskalsmodellen, som förutsäger förekomsten i udda kärnor av energetiskt nära kärnnivåer med stor skillnad i spinn, när antalet protoner eller neutroner är nära magiska tal.

Några exempel

se även

Anteckningar (redigera)

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (tyska) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Engelsk) ryska: tidning. - 1921. - Bd. 54, Nr. 6. - S. 1131-1142. - DOI: 10.1002 / cber.19210540602.
2. D.E. Alburger. Nukleär isomerism// 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 (Engelsk) ryska: tidning. - 1935. - Vol. 200. - P. 1201-1203.
4. , med. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engelska) // Naturwissenschaften (Engelsk) ryska: journal. - 1936. - Vol. 24, nr. 51. - s. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Exotisk kärnfysik för nyfikna (ryska) // Science and Life. - 2017. - Nr 4. - S. 96-100.
7. G. Audi et al. NUBASE-utvärderingen av kärnkrafts- och sönderfallsegenskaper. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, sid 1-124. Arkiverad kopia (ospecificerad) (inte tillgänglig länk)... Hämtad 17 mars 2008.

En annan typ av kärnomvandlingar är när kärnan inte sönderfaller, som vid alfasönderfall, och inte ändrar sin sammansättning, som vid beta-sönderfall, utan förblir sig själv, men bara relativt sett ändrar form. Olika versioner av samma kärna, som endast skiljer sig åt i rörelse och ömsesidig orientering av protonernas och neutronernas spinn, kallas isomerer... Olika isomerer har olika energier, så deras omvandling till varandra leder till emission av en foton.

Detta är mycket likt det som händer med atomer: det finns ett grundtillstånd, med lägst energi, och exciterade tillstånd, vars energi är högre. När en atom ändrar sin elektroniska struktur och därmed hoppar från en exciterad nivå till en marknivå, avger den en foton. I kärnorna är det samma. För varje kärna finns det en hel stege av exciterade tillstånd med ökad energi. Exciterade isomerer är instabila och vanligtvis omvandlas de snabbt till kärnans grundtillstånd genom att sända ut en foton. Ibland sönderfaller de dock till andra kärnor på grund av vanlig radioaktivitet.

Precis som exciterade tillstånd av atomer kan vara kortlivade eller långlivade, kan nukleära isomerer också ha mycket olika halveringstider. I analogi med atomära övergångar, om ingenting stör sönderfallet av det exciterade tillståndet, kan det fortgå mycket snabbt, i tider av storleksordningen zeptosekunder, dvs bokstavligen i några "klockcykler" av kärnkraftsrörelse. Sådana är till exempel majoriteten av isomererna av lätta kärnor. I tunga kärnor är bilden mycket mer varierad. Till exempel, bland de hundratals kända isomererna av blykärnan på 208 Pb, finns de som lever från tiotals zeptosekunder till nanosekunder.

I vissa fall, när sönderfallet av isomeren är mycket svårt, kan livslängden för en exciterad kärna nå sekunder eller mer. Vi har redan mött ett sådant exempel bland uranisomerer. Ett annat känt exempel är hafnium-178-isomeren, betecknad 178m2 Hf. Han har en enorm snurr - hela 16 enheter. Detta gör dess övergång till grundtillståndet så svår att dess halveringstid är 31 år... Detta är redan mycket, även med mänskliga mått mätt. Det fanns till och med förslag om att på basis av denna hafniumisomer göra en sorts "ren" kärnvapenbomb. Vi tar hafnium-178, sätter det i ett exciterat tillstånd, packar en liten mängd av isomeren i ett skal och utrustar det med en anordning för att frigöra energi. När en sådan bomb exploderade skulle bara fotoner släppas. Den skulle orsaka förstörelse runt sig själv utan långlivad strålningskontamination av miljön, och därför skulle den inte omfattas av överenskommelser om "konventionella" kärnvapen. Lyckligtvis är manipulering av kärnenerginivåer en sådan utmaning att ingen känd pumpnings- och energiutsläppsteknik kommer i närheten av att uppfylla kraven. Så hafniumbomben kan fortfarande betraktas som en rörfantasi.

Slutligen, i mycket exceptionella fall, kan en exciterad kärna vara så långlivad att dess sönderfall inte observeras under laboratorieförhållanden, och denna isomer i sig kan till och med vara närvarande i en viss koncentration under naturliga förhållanden. Sådan är till exempel tantalisomeren 180m Ta. Den utgör 0,012 % av all naturlig tantal, och dess livslängd är omätligt lång (det är bara känt att den överstiger 10 15 år).

Andra kärnkraftsstater. I allmänhet används termen "metastabil" vanligtvis för tillstånd med en livstid på 10 -9 sekunder eller mer.

Vanligtvis är livslängden för dessa tillstånd mycket längre än den angivna gränsen och kan vara minuter, timmar och (i ett fall 180m Ta) cirka 10 15 år.

1. Kärnor

Kärnorna hos nukleära isomerer är i ett högre energitillstånd än oexciterade kärnor i det så kallade grundtillståndet. I ett exciterat tillstånd upptar en av kärnans nukleoner en kärnorbital med en energi högre än en fri orbital med låg energi. Dessa tillstånd liknar tillstånden för elektroner i atomer.

En annan känd mycket stabil nukleär isomer (med en halveringstid på 31 år) är 178m2 Hf, som har den högsta omvandlingsenergin av alla kända isomerer med en jämförbar livslängd. 1 g av denna isomer innehåller 1,33 gigajoule energi, vilket motsvarar 315 kg TNT. Den sönderdelas genom att sända ut gammastrålar med en energi på 2,45 MeV. Detta material ansågs kunna stimulera emission, och möjligheten att skapa en gammalaser baserad på det övervägdes. Andra isomerer har också ansetts vara kandidater för denna roll, men hittills, trots kraftfulla ansträngningar, har inga positiva resultat rapporterats.

4. Ansökan

En isomer som 177m Lu sönderfaller genom en kaskad av kärnenerginivåer, och man tror att den kan användas för att skapa sprängämnen och energikällor som skulle vara storleksordningar starkare än traditionella kemiska.

5. Förfallsprocesser

Isomerer går in i ett lägre energitillstånd med två huvudtyper av isomera övergångar

Isomerer kan också omvandlas till andra grundämnen. Till exempel kan 177m Lu genomgå beta-sönderfall med en period på 160,4 dagar, vända vid 177, eller genomgå intern omvandling till 177 Lu, som i sin tur genomgår beta-sönderfall vid 177 Hf med en halveringstid på 6,68 dagar.

Se även

6. Referenser

1. Cb collins et al. Depopulation av det isomera tillståndet 180 Ta m genom reaktionen 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Varv. C.- T. 37. - (1988) S. 2267-2269. DOI: 10.1103 / PhysRevC.37.2267.
2. D. Belic et al. Fotoaktivering av 180 tam och dess konsekvenser för nukleosyntesen av naturens sällsynta naturligt förekommande isotop / / Phys. Varv. Lett.. - T. 83. - (1999) (25) S. 5242. DOI: 10.1103 / PhysRevLett. 83.5242.
3. "UNH-forskare söker efter stimulerad gammastrålning". UNH kärnfysikgrupp. 1997. Arkiv

Isomerer är atomkärnor som har samma antal neutroner och protoner, men olika fysikaliska egenskaper, i synnerhet olika halveringstider.

Ris. 6.1. Isomer y-övergång i 115 In-kärnan.

Livstiderna för y-radioaktiva kärnor är vanligtvis i storleksordningen 10 -12 -10 -17 s. I vissa fall, när en hög grad av uteslutning kombineras med en låg energi för y-övergången, kan y-radioaktiva kärnor med livstider av makroskopisk ordning (upp till flera timmar, och ibland till och med längre) observeras. Sådana långlivade exciterade tillstånd av kärnor kallas isomerer . Ett typiskt exempel på en isomer är indiumisotopen 115 In (Fig. 6.1). Grundtillståndet för 115 In har J P = 9/2 +. Den första exciterade nivån har en energi på 335 keV och en spin-paritet J P = 1/2 -. Därför sker övergången mellan dessa tillstånd endast genom emission av M4 y-kvant. Denna övergång är så starkt förbjuden att halveringstiden för det exciterade tillståndet är 4,5 timmar.
Fenomenet nukleär isomerism upptäcktes 1921 av O. Gann, som upptäckte att det finns två radioaktiva ämnen med samma massnummer A och serienummer Z, men som skiljer sig i halveringstid. Senare visades det att detta var det isomera tillståndet på 234m Pa. Enligt Weizsacker (Naturwiss. 24, 813, 1936) uppstår kärnisomerism varje gång kärnans rörelsemängd i ett exciterat tillstånd med låg excitationsenergi skiljer sig från vinkelmomentet i alla tillstånd med en lägre excitationsenergi med flera enheter ћ . Det isomera (metastabila) tillståndet definierades som ett exciterat tillstånd med en mätbar livslängd. När experimentella metoder för γ-spektroskopi förbättrades, minskade de mätbara halveringstiderna till 10 -12 -10 -15 s.

Tabell 6.1

Excited states 19 F

Isomera tillstånd bör förväntas där skalnivåerna, som är nära varandra i energi, skiljer sig kraftigt åt i värdena för snurrarna. Det är i dessa områden som de så kallade "isomerismens öar" finns. Så, närvaron av en isomer i ovanstående 115 In-isotop beror på det faktum att den saknar en proton till det slutna skalet (Z = 50), det vill säga det finns ett proton-"hål". I grundtillståndet är detta hål i 1g 9/2 underskalet och i det exciterade tillståndet i 1p 1/2 underskalet. Denna situation är typisk. Isomera öar är belägna direkt framför de magiska talen 50, 82 och 126 på sidan av lägre Z och N. Således observeras isomera tillstånd i kärnorna 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, vilket är nära 82), 199 Hg ( Z = 80, vilket är nära 82), etc. Observera att det, tillsammans med de övervägda, finns andra orsaker till uppkomsten av isomera tillstånd. För närvarande har ett stort antal isomerer hittats med en halveringstid från några sekunder till 3 × 10 6 år (210m Bi). Många isotoper har flera isomera tillstånd. Tabell 6.2 visar parametrarna för långlivade isomerer (T 1/2> år).

Tabell 6.2

Parametrar för isomera tillstånd för atomkärnor