Atomiytimien isomeria

Atomiytimien isomerismi  on ilmiö metastabiilien (isomeeristen) virittyneiden tilojen olemassaolosta riittävän pitkäikäisten atomien ytimissä .

Isomeeriset tilat eroavat tavallisista virittyneistä ytimien tiloista siten, että niiden siirtymisen todennäköisyys kaikkiin taustatiloihin on voimakkaasti tukahdutettu spin- ja pariteettipoissulkemissäännöillä . Erityisesti vaimentuvat siirtymät, joilla on korkea moninapaisuus (eli suuri spin muutos, joka tarvitaan siirtymiseen taustatilaan) ja pieni siirtymäenergia. Joskus isomeerien esiintyminen liittyy merkittävään eroon ytimen muodossa eri energiatiloissa (kuten 180 Hf:ssä).

Isomeerit on merkitty kirjaimella m ( englanniksi  metastable ) massalukuindeksissä (esimerkiksi 80 m Br). Jos nuklidilla on useampi kuin yksi metastabiili viritystila, ne merkitään energian kasvun järjestyksessä kirjaimilla m , n , p , q ja edelleen aakkosjärjestyksessä tai m - kirjaimella lisättynä numerolla: m 1, m 2 , jne.

Eniten kiinnostavia ovat metastabiilit isomeerit, joiden puoliintumisajat ovat 10–6 sekunnista moniin vuosiin.

Historia

Atomiytimien isomerian käsite syntyi vuonna 1921 [1] , kun saksalainen fyysikko O. Hahn tutki torium-234 :n , joka tunnettiin tuolloin nimellä "uraani-X1" (UX 1 ) beetahajoamista , löysi uuden radioaktiivisen aineen. aine "uraani-Z" (UZ), joka ei kemiallisilta ominaisuuksiltaan eikä massaluvultaan eronnut jo tunnetusta uraani-X2:sta (UX 2 ), mutta jolla oli erilainen puoliintumisaika. Nykyaikaisessa merkinnässä UZ ja UX 2 vastaavat 234 Pa isotoopin isomeerisia ja perustiloja [2] . Vuonna 1935 [3] B. V. Kurchatov , I. V. Kurchatov , L. V. Mysovsky ja L. I. Rusinov löysivät keinotekoisen bromin isotoopin 80 Br isomeerin, joka muodostuu yhdessä ytimen perustilan kanssa, kun vakaa 79 Br vangitsee neutroneja . Kolme vuotta myöhemmin I. V. Kurchatovin johdolla havaittiin, että bromi-80:n isomeerinen muutos tapahtuu pääasiassa sisäisellä konversiolla , ei gamma-kvanttien emissiona [4] . Kaikki tämä loi perustan tämän ilmiön systemaattiselle tutkimukselle. Teoreettisesti ydinisomerian kuvasi Karl Weizsäcker vuonna 1936 [5] [6] .

Fysikaaliset ominaisuudet

Isomeeristen tilojen elinikä ylittää mikrosekunnin murto-osat (ja voidaan mitata vuosina), kun taas ei-isomeeristen virittyneiden tilojen tyypillinen elinikä on pikosekuntien luokkaa tai vähemmän. Näiden kahden välillä ei ole luonnollista eroa elinikää lukuun ottamatta: ytimen isomeeristen ja ei-isomeeristen virittyneiden tilojen välinen raja on sopimuskysymys. Siten isotooppien ominaisuuksia käsittelevässä hakuteoksessa Nubase1997 [7] isomeereille on osoitettu virittyneitä tiloja, joiden puoliintumisaika on yli 1 ms, kun taas tämän hakuteoksen uudemmissa versioissa Nubase2003 [8] ja Nubase2016 [9 ] -tiloja, joiden puoliintumisaika on noin 100 ns , lisätään niihin ja enemmän. Vuonna 2016 tunnetaan vain 3 437 nuklidia, joista 1 318 nuklidilla on yksi tai useampi isomeerinen tila, joiden puoliintumisaika ylittää 100 ns [9] .

Isomeeritilojen hajoaminen voidaan suorittaa:

• isomeerinen siirtyminen perustilaan ( gamma-kvantin emission tai sisäisen muuntamisen kautta );
• alfa-hajoaminen ;
• beetan hajoaminen ja elektronien sieppaus ;
• spontaani fissio (raskaille ytimille);
• protonisäteily (erittäin virittyneille isomeereille).

Tietyn hajoamisvaihtoehdon todennäköisyyden määrää ytimen sisäinen rakenne ja sen energiatasot (sekä ytimien tasot - mahdolliset hajoamistuotteet).

Joillakin massalukujen arvojen alueilla on ns. isomerian saaret (isomeerit ovat erityisen yleisiä näillä alueilla). Tätä ilmiötä selittää ydinkuorimalli , joka ennustaa parittomissa ytimissä energeettisesti lähellä olevien ydintasojen olemassaolon suurella spinerolla, kun protonien tai neutronien lukumäärä on lähellä maagisia lukuja .

Muutamia esimerkkejä

• Tantaali-180- isomeeri ( 180m Ta) on ainoa vakaa (nykyaikaisten tekniikoiden herkkyyden rajoissa) isomeeri. Toisin kuin radio- tai kosmogeeniset lyhytikäiset radionuklidit , se on ollut maankuoressa sen muodostumisesta lähtien ja esiintyy luonnollisessa tantaalissa suhteessa 1:8300. Vaikka 180m Ta voi teoriassa hajota ainakin kolmella tavalla ( isomeerien siirtymä , beeta- miinus hajoaminen , elektronien sieppaus ), joista yhtäkään ei ole kokeellisesti havaittu; sen puoliintumisajan alaraja  on 7,1⋅10 15 vuotta [9] . Samaan aikaan 180 Ta:n perustila on beeta-aktiivinen puoliintumisajalla 8,154 (6) tuntia [9] . Perustilan spin ja pariteetti ovat 1 + , isomeeri on 9 − [8] . Tilojen spinien suuresta erosta ja niiden energioiden läheisyydestä johtuen (isomeeritaso on perustilan yläpuolella 75,3(14) keV [9] ), isomeerinen siirtymä vaimenee erittäin voimakkaasti. Odotetaan, että 180m Ta, kuten mikä tahansa ydinisomeeri, voidaan siirtää keinotekoisesti perustilaan stimuloidulla emissiolla , kun sitä säteilytetään gammasäteillä, joiden energia on täsmälleen yhtä suuri kuin virittyneen ja perustilan energioiden välinen ero.

• Uraani-238 : n luonnollisessa radioaktiivisessa sarjassa on protaktiinium-234 : n isomeeri 234 mPa (puoliintumisaika 1,159 (11) minuuttia [9] ).

• Erittäin matalalla oleva metastabiili taso 235m U (puoliintumisaika 25,7(1) minuuttia [9] ) löydettiin uraani-235 ytimestä , vain 76,0(4) elektronvoltin päässä päätasosta [9] .

• Hafnium -178- isomeerin 178m2 Hf puoliintumisaika on 31(1) vuotta [9] (alaindeksi 2 tarkoittaa, että siellä on myös alempana oleva 178m1 Hf-isomeeri). Sillä on suurin viritysenergia isomeereistä, joiden puoliintumisaika on yli vuosi. Kolme kiloa puhdasta 178m2 Hf sisältää noin 4 TJ energiaa, mikä vastaa kilotonnia TNT:tä . Kaikki tämä energia vapautuu kaskadi-gammasäteiden ja muunnoselektronien muodossa, joiden energia on 2446 keV ydintä kohti. Kuten 180 m Ta:n tapauksessa, keskustellaan mahdollisuudesta siirtää keinotekoisesti 178 m2 Hf perustilaan. Saadut tulokset (mutta ei vahvistettu muissa kokeissa) osoittavat erittäin nopean energian vapautumisen (teho on luokkaa eksawattia). Teoriassa hafnium -isomeerejä voidaan käyttää sekä gammalaserien , energian varastointilaitteiden luomiseen että melko tehokkaiden ydinaseiden kehittämiseen , jotka eivät aiheuta radioaktiivista saastumista alueelle. Tästä huolimatta tulevaisuudennäkymät jäävät yleensä melko epämääräisiksi, koska kokeelliset tai teoreettiset työt eivät anna yksiselitteisiä vastauksia ja 178m2 Hf:n makroskooppisten määrien tuotanto tekniikan nykyaikaisella kehityksellä on käytännössä mahdotonta [10] .

• Iridium -192- isomeerin 192m2 Ir puoliintumisaika on 241(9) vuotta ja viritysenergia 168,14(12) keV [9] . Joskus sitä ehdotetaan käytettäväksi samoihin tarkoituksiin kuin hafnium-178 178m2 Hf-isomeeriä.

• Suurin määrä isomeerejä (kuinkin kuusi, perustilaa lukuun ottamatta) löytyi isotoopeista tantaali -179 ( 179 Ta) ja radium -214 ( 214 Ra) [9] .

Katso myös

• Kemiallinen alkuaine
• Nuklidi
• Isotooppi

Muistiinpanot

1. ↑ Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran  (saksa)  // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : myymälä. - 1921. - Bd. 54 , nro. 6 . - S. 1131-1142 . - doi : 10.1002/cber.19210540602 .
2. ↑ D.E. Alburger. Ydinisomerismi // Handbuch der physik / S. Flugge. - Springer-Verlag, 1957. - s. 1.
3. ↑ JV Kourtchatov, BV Kourtchatov, LV Misowski, LI Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron  (ranska)  // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences :lehti. - 1935. - Voi. 200 . - s. 1201-1203 .
4. ↑ Rusinov, 1961 , s. 617.
5. ↑ C. von Weizsacker. Metastabile Zustände der Atomkerne  (englanti)  // Naturwissenschaften : päiväkirja. - 1936. - Voi. 24 , nro. 51 . - s. 813-814 .
6. ↑ Konstantin Mukhin. Eksoottista ydinfysiikkaa uteliaille  // Tiede ja elämä . - 2017. - Nro 4 . - S. 96-100 . (Venäjän kieli)
7. ↑ G. Audi et ai. NUBASE-arviointi ydin- ja hajoamisominaisuuksista. Nuclear Physics A, 1997, voi. 624, sivut 1–124. Arkistoitu kopio (linkki ei saatavilla) . Haettu 17. maaliskuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 4. toukokuuta 2006. (määrätön) 
8. ↑ 1 2 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH NUBASE-arvio ydin- ja hajoamisominaisuuksista  // Nuclear Physics A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Nubase2016 -arvio ydinominaisuuksista  // Chinese Physics  C. - 2017. - Vol. 41 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .
10. ↑ Tkalya E. V. 178m2 Hf:n ydinisomeerin ja "isomeeripommin" aiheuttama hajoaminen // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 2005. - T. 175, nro 5. - S. 555-561.

Kirjallisuus

• Rusinov L. I. Atomiytimien isomeria // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 1961. - T. 73, nro 4. - S. 615-630.

Linkit

• Ytimen protonistabiilisuuden raja voi osoittautua melko sumeaksi Arkistokopio 11. maaliskuuta 2014 Wayback Machinessa
• Hafniumpommin teoreettinen vika on todistettu arkistokopio 10. maaliskuuta 2014 Wayback Machinessa

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Iso venäläinen Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4163609-0