Isomerisme af atomkerner

Isomerisme af atomkerner  er fænomenet med eksistensen af ​​metastabile (isomeriske) exciterede tilstande i atomkernerne med en tilstrækkelig lang levetid .

Isomere tilstande adskiller sig fra almindelige exciterede kerner ved, at sandsynligheden for overgang til alle underliggende tilstande for dem er stærkt undertrykt af spin- og paritetsudelukkelsesreglerne . Især undertrykkes overgange med en høj multipolaritet (det vil sige en stor spinændring, der kræves for en overgang til den underliggende tilstand) og en lav overgangsenergi. Nogle gange er udseendet af isomerer forbundet med en signifikant forskel i kernens form i forskellige energitilstande (som i 180 Hf).

Isomerer er betegnet med bogstavet m (fra engelsk  metastabil ) i massetalsindekset (f.eks. 80 m Br). Hvis nuklidet har mere end én metastabil exciteret tilstand, angives de i rækkefølge af stigende energi med bogstaverne m , n , p , q og videre alfabetisk eller med bogstavet m med tilføjelse af et tal: m 1, m 2 , etc.

Af størst interesse er metastabile isomerer med halveringstider fra 10-6 s til mange år.

Historie

Begrebet isomerisme af atomkerner opstod i 1921 [1] , da den tyske fysiker O. Hahn , der studerede beta-henfaldet af thorium-234 , kendt på det tidspunkt som "uranium-X1" (UX 1 ), opdagede et nyt radioaktivt stof . stoffet "uranium-Z " (UZ), som hverken i kemiske egenskaber eller i massetal afveg fra det allerede kendte "uranium-X2" (UX 2 ), men havde en anden halveringstid. I moderne notation svarer UZ og UX 2 til de isomere og grundtilstande af 234 Pa isotopen [2] . I 1935 [3] opdagede B. V. Kurchatov , I. V. Kurchatov , L. V. Mysovsky og L. I. Rusinov en isomer af den kunstige brom - isotop 80 Br, som dannes sammen med kernens grundtilstand, når neutroner fanges af stalden 79 Br. Tre år senere, under ledelse af I. V. Kurchatov, fandt man ud af, at den isomere overgang af brom-80 hovedsageligt sker ved intern omdannelse og ikke ved emission af gammakvanter [4] . Alt dette lagde grundlaget for en systematisk undersøgelse af dette fænomen. Teoretisk blev nuklear isomeri beskrevet af Karl Weizsäcker i 1936 [5] [6] .

Fysiske egenskaber

Levetiden for isomere tilstande overstiger fraktioner af et mikrosekund (og kan måles i år), mens den typiske levetid for ikke-isomere exciterede tilstande er i størrelsesordenen picosekunder eller mindre. Der er ingen naturlig forskel, bortset fra levetiden, mellem de to: Grænsen mellem isomere og ikke-isomere exciterede tilstande i kernen er et spørgsmål om overensstemmelse. I opslagsbogen om egenskaberne af isotoper Nubase1997 [7] er exciterede tilstande med en halveringstid på mere end 1 ms således tildelt isomerer, mens i de nyere versioner af denne opslagsbog Nubase2003 [8] og Nubase2016 [9 ] tilstande med en halveringstid på omkring 100 ns tilsættes dem og mere. I 2016 kendes kun 3437 nuklider, hvoraf 1318 nuklider har en eller flere isomere tilstande med en halveringstid på over 100 ns [9] .

Nedbrydningen af ​​isomere tilstande kan udføres ved:

• isomer overgang til grundtilstanden (ved emission af et gammakvante eller gennem intern konvertering );
• alfa henfald ;
• beta-henfald og elektronindfangning ;
• spontan fission (for tunge kerner);
• protonstråling (for stærkt exciterede isomerer).

Sandsynligheden for en specifik henfaldsmulighed bestemmes af kernens indre struktur og dens energiniveauer (såvel som niveauerne af kerner - mulige henfaldsprodukter).

I nogle områder af værdier af massetal er der såkaldte. øer af isomerisme (isomerer er især almindelige i disse områder). Dette fænomen forklares af kerneskalmodellen , som forudsiger eksistensen i ulige kerner af energisk tætte nukleare niveauer med en stor forskel i spins, når antallet af protoner eller neutroner er tæt på magiske tal .

Nogle eksempler

• Tantal-180- isomeren ( 180m Ta) er den eneste stabile (inden for følsomheden af ​​moderne teknikker) isomer. I modsætning til radio- eller kosmogene kortlivede radionuklider har den eksisteret i jordskorpen siden dens dannelse, og den forekommer i naturligt tantal i et forhold på 1 til 8300. Selvom 180m Ta teoretisk kan henfalde på mindst tre måder ( isomer transition , beta- minus henfald , elektronindfangning ), hvoraf ingen er blevet detekteret eksperimentelt; den nedre grænse for dets halveringstid  er 7,1⋅10 15 år [9] . Samtidig er grundtilstanden på 180 Ta beta-aktiv med en halveringstid på 8,154(6) timer [9] . Grundtilstandens spin og paritet er 1 + , isomeren er 9 − [8] . På grund af den store forskel mellem tilstandenes spins og tætheden af ​​deres energier (det isomere niveau ligger over grundtilstanden med 75,3(14) keV [9] ), er den isomere overgang ekstremt stærkt undertrykt. Det forventes, at 180m Ta, ligesom enhver anden nuklear isomer, kan overføres kunstigt til grundtilstanden ved stimuleret emission , når den bestråles med gammastråler med en energi, der nøjagtigt svarer til forskellen mellem energierne i den exciterede tilstand og grundtilstanden.

• I den naturlige radioaktive serie af uran-238 er der en isomer af protactinium-234 234m Pa (halveringstid 1.159(11) minutter [9] ).

• Et meget lavtliggende metastabilt niveau 235m U (halveringstid 25,7(1) minutter [9] ) blev fundet i uran-235- kernen , kun 76,0(4) elektronvolt væk fra hovedniveauet [9] .

• Hafnium -178- isomeren 178m2 Hf har en halveringstid på 31(1) år [9] (underskrift 2 betyder, at der også er en lavere liggende 178m1 Hf-isomer). Det har den højeste excitationsenergi blandt isomerer med en halveringstid på mere end et år. Tre kilogram ren 178m2 Hf indeholder cirka 4 TJ energi, hvilket svarer til et kiloton TNT . Al denne energi frigives i form af kaskade gammastråler og konverteringselektroner med en energi på 2446 keV pr. kerne. Ligesom ved 180m Ta diskuteres muligheden for kunstigt at overføre 178m2 Hf til grundtilstand. De opnåede resultater (men ikke bekræftet i andre eksperimenter) indikerer en meget hurtig frigivelse af energi (effekt af størrelsesordenen exawatt). Teoretisk set kan hafniumisomerer både bruges til at skabe gammalasere , energilagringsenheder og til at udvikle ret kraftige atomvåben , der ikke skaber radioaktiv forurening af området. Ikke desto mindre er udsigterne her generelt ret vage, da hverken eksperimentelle eller teoretiske værker om dette spørgsmål giver entydige svar, og produktionen af ​​makroskopiske mængder på 178m2 Hf, med den moderne teknologiske udvikling, er praktisk talt utilgængelig [10] .

• Iridium -192- isomeren 192m2 Ir har en halveringstid på 241(9) år og en excitationsenergi på 168,14(12) keV [9] . Nogle gange foreslås det at bruge det til samme formål som hafnium-178 178m2 Hf-isomeren.

• Det største antal isomerer (seks hver, uden grundtilstanden) blev fundet i isotoperne tantal -179 ( 179 Ta) og radium -214 ( 214 Ra) [9] .

Se også

• Kemisk grundstof
• Nuklid
• Isotop

Noter

1. ↑ Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran  (tysk)  // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : butik. - 1921. - Bd. 54 , nr. 6 . - S. 1131-1142 . - doi : 10.1002/cber.19210540602 .
2. ↑ D.E. Alburger. Nuklear isomeri // 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  (fransk)  // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences :magasin. - 1935. - Bd. 200 . - S. 1201-1203 .
4. ↑ Rusinov, 1961 , s. 617.
5. ↑ C. von Weizsacker. Metastabile Zustände der Atomkerne  (engelsk)  // Naturwissenschaften : journal. - 1936. - Bd. 24 , nr. 51 . - S. 813-814 .
6. ↑ Konstantin Mukhin. Eksotisk kernefysik for nysgerrige  // Videnskab og liv . - 2017. - Nr. 4 . - S. 96-100 . (Russisk)
7. ↑ G. Audi et al. NUBASE-evalueringen af ​​nukleare og henfaldsegenskaber. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, side 1-124. Arkiveret kopi (ikke tilgængeligt link) . Hentet 17. marts 2008. Arkiveret fra originalen 4. maj 2006. (ubestemt) 
8. ↑ 1 2 Audi G. , Bersillon O. ,  Blachot J. , Wapstra AH . - 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. The Nubase2016-evaluering af nukleare egenskaber  // Kinesisk fysik  C. - 2017. - Bd. 41 , udg. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .
10. ↑ Tkalya E. V. Induceret henfald af den 178m2 Hf nukleare isomer og "isomerbomben" // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 2005. - T. 175, nr. 5. - S. 555-561.

Litteratur

• Rusinov L. I. Isomerisme af atomkerner // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 1961. - T. 73, nr. 4. - S. 615-630.

Links

• Grænsen for kernernes protonstabilitet kan vise sig at være ret uklar Arkivkopi af 11. marts 2014 på Wayback Machine
• Teoretisk svigt af hafniumbomben er bevist Arkivkopi af 10. marts 2014 på Wayback Machine

Ordbøger og encyklopædier	Stor russer Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 4163609-0