Изомерия ядерная. Ядерная изомерия Смотреть что такое "Изомерия атомных ядер" в других словарях

Было обнаружено, что существуют ядра с одинаковыми значениями чисел но с различными периодами полураспада. Такие ядра получили название изомеров.

Исследование явления ядерной изомерии у искусственно радиоактивных ядер было проведено группой советских физиков под руководством Курчатова и Русинова. Изучалась искусственная

радиоактивность возникающая в результате облучения естественной смеси стабильных изотопов медленными нейтронами. При этом образуются два радиоактивных изотопа брома, химически неотделимые друг от друга:

Удивительным результатом этих опытов оказалось обнаружение у не двух, а трех различных периодов полураспада:

Очевидно, что один из изотопов распадается двояким образом. Опыт был видоизменен и подвергался облучению не нейтронами, а -лучами, которые вызывали так называемый ядерный фотоэффект

Образующиеся изотопы брома также являются -активными и распадаются по схеме:

Исследования показали, что и в этом случае наблюдаются также не два, а три периода полураспада:

Из сопоставления процессов стало ясно, что именно с изотопом Вгзб, образующимся в том и другом случае, связаны два периода полураспада: мин и час, которые также встречаются обеих сериях опытов. Нужно было объяснить существование у одного и того же изотопа двух разных периодов полураспада.

Дальнейшими опытами было показано, что изомерия объясняется наличием у этого ядра метастабильного состояния, т. е. такого возбужденного состояния, вероятность перехода из которого в основное состояние мала. Чтобы уяснить это, рассмотрим

более подробно схему распада ядра . В результате предшествующей ядерной реакции ядро возникает в сильно возбужденном состоянии.

Рис. 45. Схема распада

Снятие возбуждения происходит двумя путями: ядро в течение сек -переходом переводится в основное состояние, из которого уже происходит испускание -частиц с или ядро переходит на метастабильный уровень, дальнейший переход из которого на основной запрещен правилами отбора. В результате ядро «застревает» на метастабильном уровне с продолжительностью жизни 4,4 час; переход из метастабильного в основное состояние сопровождается как -излучением, так и внутренней конверсией электронов. В дальнейшем переход с основного уровня опять происходит при помощи -распада с образованием .

Таким образом, мы наблюдаем, по сути дела, один и тот же спектр -частиц, образующийся при переходе с основного уровня на основной уровень с единственным периодом полураспада мин, но из-за задержки переходов внутри ядра брома возникает эффект, приводящий как бы к двум периодам полураспада.

Ядерная изомерия не является редким явлением среди ядерных превращений. В настоящее время известно более 100 изомеров.

В связи с описанным выше явлением изомерии возникает вопрос: какое время необходимо для чтобы ядро из возбужденного состояния перешло в основное? От чего зависит время высвечивания Для его оценки воспользуемся тем, что энергетическая ширина уровня является мерой неопределенности энергии системы, находящейся на этом уровне. Время пребывания системы в таком состоянии может быть оценено из соотношения неопределенности:

В рассматриваемом случае величина и будет средним временем жизни ядра в возбужденном состоянии, а энергетическая ширина этого возбужденного уровня. Из опыта известно, что ширина спектральной линии обычно имеет порядок , следовательно,

(существующими приборами это время измерить невозможно, тогда как величину можно измерить довольно точно).

Таким образом, обычно Рассмотрим теперь, чем можно объяснить наличие изомеров и существование запрещенных переходов для -излучения.

На разных уровнях ядро, как уже говорилось, имеет разные угловые моменты. Так как должен выполняться закон сохранения момента количества движения, то при переходе разность моментов начального и конечного уровня уносит -квант. Этим определяются правила отбора.

Излучение, связанное с перестройкой системы на называется дипольным излучением; на -квадрупольным излучением; на октупольным излучением; на вообще излучением мультиполя порядка.

Согласно теории таких переходов, разработанной Вейдзеккером, -кванты различной мультипольности возникают результате разных колебаний внутри ядра. Некоторые из этих процессов связаны с перераспределением электрических зарядов внутри ядра (электрические дипольное, квадрупольное и т. д. излучения), другие - с перераспределением токов или магнитных моментов нуклонов (магнитные дипольное, квадрупольное и т. д. излучения). моментами начального состояния ядра и конечного состояния ядра и моментом уносимым -квантом, должно существовать соотношение

Однако из классической электродинамики известно, что если размеры системы малы по сравнению с X, то интенсивности излучения различной мультипольности отличаются в меру фактора таким образом радиус ядра, К-длина волны излучения).

ИЗОМЕРИЯ ЯДЕРНАЯ - существование у нек-рых ядер наряду с основным состоянием достаточно долгоживущих (метастабильных) возбуждённых состояний, наз. изомерными. Явление И. я. было открыто в 1921 О. Ганом (О. Hahn), к-рый обнаружил радиоакт. вещество, названное им ураном Z (UZ), имевшее тот же атомный номер Z и массовое число А , что и др. радиоакт, вещество UX 2 , но отличалось от него периодом полураспада. Оба вещества являлись продуктами р-распада одного и того же элемента UX 1 (234 90 Th). В дальнейшем выяснилось, что UZ и UX 2 - основное и изомерное состояния ядра 234 91 Pa (изомерное состояние обозначают индексом т , напр. 234m 91 Ра). В 1935 И. В. Курчатов, Б. В. Курчатов, Л. В. Мысовский и Л. И. Русинов обнаружили, что при облучении нейтронами стабильного изотопа 79 35 Вr образуется радиоакт. изотоп 80 35 Вr, имеющий два , что соответствовало распадам из основного и изомерного состояний. Дальнейшие исследования выявили большое число изомерных состояний ядер с разл. периодами полураспада от 3 . 10 6 лет (210m Bi) до неск. мкс и даже не. Мн. ядра имеют по 2 , а, напр., 160 Но имеет 4 изомерных состояния. Причиной И. я. является ослабление вероятности испускания g-квантов из возбуждённого состояния (см. Гамма-излучение ).Обычно это происходит, когда небольшая энергия перехода сочетается с большой разностью значений моментов кол-ва движения I (угл. моментов) нач. и конечного состояний. Чем выше мультипольность и чем меньше энергия hw перехода, тем меньше вероятность у-перехода. В нек-рых случаях ослабление вероятности испускания g-квантов объясняется более сложными структурными особенностями состояний ядра, между к-рыми происходит переход (разное строение ядра в изомерном и нижележащем состоянии). На рис. 1 и 2 приведены фрагменты схем распада изомеров 234m 91 Pa и 80m 35 Br. В случае протактиния причина И. я.- малая энергия и высокая мультипольность ЕЗ g -перехода. Он столь затруднён, что в подавляющем числе случаев изомер испытывает b-распад (см. Бета-распад ядер). Для нек-рых изомеров изомерный переход часто становится вообще ненаблюдаемым. В случаe 80m 35 Вr И. я. обязана g-переходу мультипольности МЗ. Ядро из изомерного состояния (I p = 5 -) переходит в более низкое по энергии состояние (2 -), к-рое за небольшое время переходит в осн. состояние ядра 80 35 Вr. В случае ядра 242 Аm (рис. 3) И. я. связана с g-переходом мультипольности E4.

Рис. 1. Схема распада изомера 234m 91 Ра. Основное (0) и изомерное состояния выделены жирными линиями; слева указаны значения спинов и чётностей (I p), правее - мультипольность, энергии уровней (в кэВ) и периоды полураспада; в % даны вероятности различных каналов распада ядра из изомерного состояния.

Изомерное состояние в основном распадается через g-переход, но в 5 из 1000 случаев наблюдается альфа-распад .В приведённых примерах изомерные переходы сопровождаются испусканием в большинстве случаев не g-квантов, а конверсионных электронов (см. Конверсия внутренняя ).

Рис. 2. Схема распада изомера 80m 35 Br; Э.З--электронный захват.

Рис. 3. Схема распада 242m 95 Am.

Большое число изомерных переходов мулътиполь-ности M4 наблюдается при "разрядке" возбуждённых состояний нечётных ядер, когда число протонов или нейтронов приближается к магич. числам (острова изомерии). Это объясняется оболочечной моделью ядра , как следствие заполнения нуклонами соседних, близких по энергии, но сильно отличающихся по спинам состояний g 9/2 и р 1/2 , а также h 11/2 и d 3/2 (g, р, h, d - обозначения орбитальных моментов нуклонов, индексы при них - значения спина).

Рис. 4. Схема распада 180m 72 Hf.

В отличие от приведённых примеров, изомерное состояние 180m 72 Hf (рис. 4) принадлежит стабильному ядру и имеет сравнительно большую энергию возбуждения. Причиной изомерии является сильно ослабленный g-пе-реход E1 с энергией 57,6 кэВ, к-рый заторможен в 10 16 раз из-за структурных отличий состояний 8 - и 8 + . В 1962 в ОИЯИ был открыт новый вид И. я.- делительная изомерия. Оказалось, что у нек-рых изотопов трансурановых элементов U, Pu, Am, Cm и Bk есть возбуждённые состояния с энергией ~2-3 МэВ, к-рые распадаются путём

Еще один тип ядерных превращений - это когда ядро не распадается, как при альфа-распаде, и не меняет свой состав, как при бета-распаде, а остается самим собой, но только, условно говоря, меняет свою форму. Разные варианты одного и того же ядра, отличающиеся только движением и взаимной ориентацией спинов протонов и нейтронов, называются изомерами . Разные изомеры обладают разной энергией, поэтому их превращение друг в друга приводит к испусканию фотона.

Это очень похоже на то, что бывает с атомами: там есть основное состояние, с самой низкой энергией, и возбужденные состояния , энергия которых выше. Когда атом меняет свою электронную структуру и тем самым перепрыгивает с возбужденного уровня на основной, он излучает фотон. В ядрах - то же самое. Для каждого ядра существует целая лестница возбужденных состояний, обладающих повышенной энергией. Возбужденные изомеры нестабильны и обычно они быстро превращаются в основное состояние ядра, излучая фотон. Иногда, впрочем, они распадаются и на другие ядра за счет обычной радиоактивности.

Так же, как возбужденные состояния атомов могут быть короткоживущими или долгоживущими, ядерные изомеры тоже могут иметь самые разные периоды полураспада. По аналогии с атомными переходами, если распаду возбужденного состояния ничто не мешает,он может происходить очень быстро, за времена порядка зептосекунд , т. е. буквально за несколько «тактовых циклов» ядерного движения. Таковы, например, большинство изомеров легких ядер. В тяжелых ядрах картина намного разнообразнее. Например, среди сотен известных изомеров ядра свинца 208 Pb встречаются такие, которые живут от десятков зептосекунд и вплоть до наносекунд.

В отдельных случаях, когда распад изомера очень затруднен, время жизни возбужденного ядра может достигать секунд и больше. Один такой пример уже нам встречался среди изомеров урана. Другой знаменитый пример - изомер гафния-178, обозначаемый 178m2 Hf. Он обладает огромным спином - целых 16 единиц. Это настолько затрудняет его переход в основное состояние, что его период полураспада составляет 31 год . Это уже очень много даже по человеческим меркам. Были даже предложения сделать на основе этого изомера гафния этакую разновидность «чистой» ядерной бомбы. Берем гафний-178, переводим его в возбужденное состояние, упаковываем небольшое количество изомера в оболочку и снабжаем ее устройством для высвобождения энергии. При взрыве такой бомбы выделялись бы исключительно фотоны. Она производила бы разрушения вокруг себя без долгоживущего радиационного заражения окружающей среды, и потому на нее не распространялись бы соглашения по «обычному» ядерному вооружению. К счастью, манипуляция уровнями энергии в ядрах - настолько сложная задача, что никакие известные технологии накачки и высвобождения энергии даже близко не могут удовлетворить необходимым требованиям. Так что гафниевую бомбу можно пока что считать несбыточной фантазией .

Наконец, в совсем исключительных случаях возбужденное ядро может быть таким долгоживущим, что его распад не наблюдается в лабораторных условиях, а сам этот изомер может даже присутствовать в какой-то концентрации в природных условиях. Таков, например, изомер тантала 180m Ta. Он составляет 0,012% от всего природного тантала, а время его жизни неизмеряемо велико (известно лишь, что оно превышает 10 15 лет).

Во все нижележащие состояния для них сильно подавлена правилами запрета по спину и чётности . В частности, подавлены переходы с высокой мультипольностью (то есть большим изменением спина, необходимым для перехода в нижележащее состояние) и малой энергией перехода. Иногда появление изомеров связано с существенным различием формы ядра в разных энергетических состояниях (как у 180 Hf).

Изомеры обозначаются буквой m (от англ. metastable ) в индексе массового числа (например, 80m Br) или в правом верхнем индексе (например, 80 Br m ). Если нуклид имеет более одного метастабильного возбуждённого состояния, они обозначаются в порядке роста энергии буквами m , n , p , q и далее по алфавиту, либо буквой m с добавлением номера: m 1, m 2 и т. д.

Наибольший интерес представляют относительно стабильные изомеры с временами полураспада от 10 −6 сек до многих лет.

История

Понятие изомерии атомных ядер возникло в 1921 году , когда немецкий физик О. Ган , изучая бета-распад тория-234 , известного в то время как «уран-X1» (UX 1), открыл новое радиоактивное вещество «уран-Z» (UZ), которое ни по химическим свойствам, ни по массовому числу не отличалось от известного уже «урана-X2» (UX 2), однако имело другой период полураспада. В современных обозначениях, UZ и UX 2 соответствуют изомерному и основному состояниям изотопа 234 Pa . В 1935 году Б. В. Курчатовым , И. В. Курчатовым , Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым был обнаружен изомер искусственного изотопа брома 80 Br, образующийся наряду с основным состоянием ядра при захвате нейтронов стабильным 79 Br. Через три года под руководством И. В. Курчатова было установлено, что изомерный переход брома-80 происходит в основном путём внутренней конверсии , а не испусканием гамма-квантов . Всё это положило основу систематического изучения данного явления. Теоретически ядерная изомерия была описана Карлом Вайцзеккером в 1936 году .

Физические свойства

Распад изомерных состояний может осуществляться путём:

• изомерного перехода в основное состояние (испусканием гамма-кванта или посредством внутренней конверсии);
• бета-распада и электронного захвата ;
• спонтанного деления (для тяжёлых ядер);
• излучения протона (для высоковозбуждённых изомеров).

Вероятность конкретного варианта распада определяется внутренней структурой ядра и его энергетическими уровнями (а также уровнями ядер - возможных продуктов распада).

В некоторых областях значений массовых чисел существуют т. н. острова изомерии (в этих областях изомеры встречаются особенно часто). Это явление объясняется оболочечной моделью ядра , которая предсказывает существование в нечётных ядрах энергетически близких ядерных уровней с большим различием спинов, когда число протонов или нейтронов близко к магическим числам .

Некоторые примеры

См. также

Примечания

1. Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нем.) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (англ.) русск. : magazin. - 1921. - Bd. 54 , Nr. 6 . - S. 1131-1142 . - DOI :10.1002/cber.19210540602 .
2. D. E. Alburger. Nuclear isomerism // Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - Т. 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 (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l"Académie des sciences (англ.) русск. : magazine. - 1935. - Vol. 200 . - P. 1201-1203 .
4. , с. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (англ.) // Naturwissenschaften (англ.) русск. : journal. - 1936. - Vol. 24 , no. 51 . - P. 813-814 .
6. Константин Мухин. Экзотическая ядерная физика для любознательных (рус.) // Наука и жизнь . - 2017. - № 4 . - С. 96-100 .
7. G. Audi et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1-124. Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка) . Дата обращения 17 марта 2008.

Других ядерных состояний. Вообще, термин "метастабильное" обычно применяют к состояниям с временем жизни от 10 -9 секунд и более.

Обычно, время жизни этих состояний гораздо больше, чем указанная граница, и может составлять минуты, часы, и (в одном случае 180m Ta) примерно 10 15 лет.

1. Ядра

Ядра ядерных изомеров находятся в высоком энергетическом состоянии, чем невозбужденных ядра, находящихся в так называемом основном состоянии . В возбужденном состоянии один из нуклонов ядра занимает ядерное орбиталь с энергией выше, чем свободная орбиталь с низкой энергией. Эти состояния подобные состояний электронов в атомах.

Другой известный очень стабильный ядерный изомер (с периодом полураспада 31 год) - это 178m2 Hf, имеющий наибольшую энергию конверсии из всех известных изомеров с сопоставим временем жизни. 1 г этого изомера содержит 1,33 гигаджоуля энергии, что эквивалентно 315 кг тротила . Он разлагается путем излучения гамма-лучей с енергиею 2,45 MeV . Этот материал считался способным к вынужденной эмиссии, и рассматривалась возможность создания на его основе гамма-лазера. Как кандидаты на эту роль рассматривались также другие изомеры, но пока, несмотря на активные усилия, о положительном результате не сообщалось .

4. Применение

Распад изомера, такого как 177m Lu происходит через каскад энергетических уровней ядра, и считается, что его можно применить для создания взрывчатых веществ и источников энергии, которые были бы на несколько порядков мощнее, чем традиционные химические .

5. Процессы распада

Изомеры переходят в состояние с более низкой энергией двумя основными типами изомерных переходов

Изомеры также могут превращаться в другие элементы. Например, 177m Lu может понести бета-распада с периодом 160,4 суток, превращаясь на 177 , либо подвергнуться внутренней конверсии на 177 Lu, который, в свою очередь, испытывает бета-распада на 177 Hf с периодом полураспада 6,68 суток .

См.. также

6. References

1. CB Collins et al. Depopulation of the isomeric state 180 Ta m by the reaction 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rev. C. - Т. 37. - (1988) С. 2267-2269. DOI : 10.1103/PhysRevC.37.2267 .
2. D. Belic et al. Photoactivation of 180 Ta m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature"s Rarest Naturally Occurring Isotope / / Phys. Rev. Lett .. - Т. 83. - (1999) (25) С. 5242. DOI : 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
3. "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission" . UNH Nuclear Physics Group. 1997. Архив