Kjernefysisk isomeri. Kjernefysisk isomeri "kjernefysisk isomerisme" i bøker

En annen type kjernefysisk transformasjon er når kjernen ikke forfaller, som ved alfa-forfall, og ikke endrer sammensetningen, som ved beta-forfall, men forblir seg selv, men bare relativt sett endrer form. Ulike versjoner av samme kjerne, som bare skiller seg i bevegelse og gjensidig orientering av spinnene til protoner og nøytroner, kalles isomerer. Ulike isomerer har forskjellige energier, så å konvertere dem til hverandre resulterer i utslipp av et foton.

Dette er veldig likt det som skjer med atomer: det er en grunntilstand, med lavest energi, og eksiterte tilstander, hvis energi er høyere. Når et atom endrer sin elektroniske struktur og dermed hopper fra et begeistret nivå til et bakkenivå, sender det ut et foton. Det er det samme i kjerner. For hver kjerne er det en hel stige av eksiterte tilstander med økt energi. Eksiterte isomerer er ustabile og vanligvis går de raskt tilbake til grunntilstanden til kjernen, og sender ut et foton. Noen ganger forfaller de imidlertid til andre kjerner på grunn av vanlig radioaktivitet.

Akkurat som eksiterte tilstander av atomer kan være kortvarige eller langvarige, kan nukleære isomerer også ha svært forskjellige halveringstider. I analogi med atomoverganger, hvis ingenting forstyrrer forfallet av den eksiterte tilstanden, kan det skje veldig raskt, i tider av størrelsesorden zeptosekunder, dvs. bokstavelig talt i noen få "klokkesykluser" med kjernefysisk bevegelse. Dette er for eksempel flertallet av isomerer av lette kjerner. I tunge kjerner er bildet mye mer variert. For eksempel, blant hundrevis av kjente isomerer av blykjernen 208 Pb, er det de som lever fra titalls zeptosekunder til nanosekunder.

I noen tilfeller, når nedbrytningen av isomeren er svært vanskelig, kan levetiden til den eksiterte kjernen nå sekunder eller mer. Vi har allerede møtt et slikt eksempel blant uranisomerer. Et annet kjent eksempel er hafnium-178-isomeren, betegnet 178m2 Hf. Den har et enormt spinn – hele 16 enheter. Dette gjør det så vanskelig for den å gå over til grunntilstanden som halveringstiden er 31 år gammel. Dette er allerede mye selv etter menneskelige standarder. Det var til og med forslag om å lage en slags "ren" atombombe basert på denne hafniumisomeren. Vi tar hafnium-178, setter den i en opphisset tilstand, pakker en liten mengde av isomeren inn i et skall og utstyrer den med en enhet for å frigjøre energi. Når en slik bombe eksploderte, ville bare fotoner bli frigjort. Det ville forårsake ødeleggelse rundt seg selv uten langsiktig strålingsforurensning av miljøet, og vil derfor ikke være underlagt avtaler om "konvensjonelle" atomvåpen. Heldigvis er manipulering av energinivåer i kjerner en så vanskelig oppgave at ingen kjente energipumpe- og frigjøringsteknologier er i nærheten av å oppfylle de nødvendige kravene. Så hafniumbomben kan foreløpig betraktes som en rørdrøm.

Til slutt, i helt eksepsjonelle tilfeller, kan den eksiterte kjernen ha så lang levetid at dens forfall ikke observeres under laboratorieforhold, og denne isomeren i seg selv kan til og med være tilstede i en viss konsentrasjon under naturlige forhold. Dette er for eksempel isomeren av tantal 180m Ta. Den utgjør 0,012 % av all naturlig tantal, og dens levetid er umåtelig lang (det er bare kjent at den overstiger 10 15 år).

Det ble oppdaget at det er kjerner med samme tallverdier, men med forskjellige halveringstider. Slike kjerner kalles isomerer.

En studie av fenomenet kjernefysisk isomerisme i kunstig radioaktive kjerner ble utført av en gruppe sovjetiske fysikere ledet av Kurchatov og Rusinov. Kunstig

radioaktivitet som følge av bestråling av en naturlig blanding av stabile isotoper av langsomme nøytroner. I dette tilfellet dannes to radioaktive isotoper av brom, kjemisk uatskillelige fra hverandre:

Det overraskende resultatet av disse eksperimentene var oppdagelsen av ikke to, men tre forskjellige halveringstider:

Det er åpenbart at en av isotopene forfaller på to måter. Eksperimentet ble modifisert og ble ikke bestrålt med nøytroner, men med -stråler, som forårsaket den såkalte kjernefysiske fotoelektriske effekten

De resulterende bromisotopene er også aktive og forfaller i henhold til følgende skjema:

Forskning har vist at i dette tilfellet er ikke to, men tre halveringstider også observert:

Fra en sammenligning av prosessene ble det klart at det er med isotopen Brzb, dannet i begge tilfeller, at to halveringstider er assosiert: min og time, som også finnes i begge forsøksseriene. Det var nødvendig å forklare eksistensen av to forskjellige halveringstider for samme isotop.

Ytterligere eksperimenter viste at isomerisme forklares av tilstedeværelsen av en metastabil tilstand i denne kjernen, det vil si en eksitert tilstand hvorfra sannsynligheten for overgang til grunntilstanden er lav. For å forstå dette, vurder

mer detaljert diagrammet over kjernefysisk forfall. Som et resultat av den foregående kjernereaksjonen vises kjernen i en svært opphisset tilstand.

Ris. 45. Forfallsordning

Fjerning av eksitasjon skjer på to måter: kjernen overføres til grunntilstanden i løpet av et sekund ved en overgang, hvorfra partikler allerede sendes ut, eller kjernen beveger seg til et metastabilt nivå, en ytterligere overgang fra hvilken til grunntilstanden er forbudt etter utvelgelsesregler. Som et resultat er kjernen "fast" på et metastabilt nivå med en levetid på 4,4 timer; Overgangen fra den metastabile til grunntilstanden er ledsaget av både -stråling og intern elektronkonvertering. Deretter skjer overgangen fra bakkenivå igjen ved hjelp av -forfall med dannelse av .

Dermed observerer vi faktisk det samme spekteret av partikler som dannes under overgangen fra hovednivået til hovednivået med en enkelt halveringstid for gruver, men på grunn av forsinkelsen av overgangene inne i bromkjernen, oppstår en effekt som fører til to halveringstider.

Kjernefysisk isomeri er ikke et sjeldent fenomen blant kjernefysiske transformasjoner. For tiden er mer enn 100 isomerer kjent.

I forbindelse med fenomenet isomerisme beskrevet ovenfor, oppstår spørsmålet: hvilken tid er nødvendig for at kjernen skal bevege seg fra den eksiterte tilstanden til grunntilstanden? Hva er emisjonstiden avhengig av For å estimere den bruker vi det faktum at energibredden til et nivå er et mål på usikkerheten til energien til systemet som ligger på dette nivået. Tiden systemet forblir i denne tilstanden kan estimeres fra usikkerhetsrelasjonen:

I det aktuelle tilfellet vil verdien og være den gjennomsnittlige levetiden til kjernen i eksitert tilstand, og energibredden til dette eksiterte nivået. Det er kjent av erfaring at bredden på spektrallinjen vanligvis er av størrelsesorden , derfor

(det er umulig å måle denne gangen med eksisterende instrumenter, mens verdien kan måles ganske nøyaktig).

Derfor, vanligvis La oss nå vurdere hvordan vi kan forklare tilstedeværelsen av isomerer og eksistensen av forbudte overganger for -stråling.

På forskjellige nivåer har kjernen, som allerede nevnt, forskjellige vinkelmomenta. Siden loven om bevaring av vinkelmomentum må oppfylles, under overgangen fjerner forskjellen mellom momentene til det innledende og endelige nivået -kvantumet. Dette bestemmer utvelgelsesreglene.

Strålingen knyttet til omstruktureringen av systemet kalles dipolstråling; -quadrupol stråling; på oktupolstråling; generelt ved stråling av en multipol av orden.

I følge teorien om slike overganger, utviklet av Weidsäcker, oppstår -kvanter med forskjellig multipolaritet som et resultat av forskjellige svingninger inne i kjernen. Noen av disse prosessene er forbundet med omfordeling av elektriske ladninger inne i kjernen (elektrisk dipol, kvadrupol, etc. stråling), andre med omfordeling av strømmer eller magnetiske momenter av nukleoner (magnetisk dipol, kvadrupol, etc. stråling). øyeblikk av starttilstanden til kjernen og slutttilstanden til kjernen og øyeblikket båret bort av -kvanten, må det være en sammenheng

Fra klassisk elektrodynamikk er det imidlertid kjent at hvis dimensjonene til systemet er små sammenlignet med X, vil intensiteten av stråling av forskjellige multipolariteter variere med graden av faktoren (dermed radiusen til kjernen, K er bølgelengden til stråling).

Historisk informasjon

Konseptet med isomerisme av atomkjerner oppsto i 1921, da den tyske fysikeren O. Hahn oppdaget et nytt radioaktivt stoff uran-Z (UZ), som verken skilte seg i kjemiske egenskaper eller i massetall fra det allerede kjente uran-X2 ( UX 2), hadde imidlertid en annen halveringstid. I moderne notasjon tilsvarer UZ og UX 2 isotopens grunntilstand og isomertilstand. I 1935 oppdaget B.V. Kurchatov, I.V. Mysovsky og LI. Dette la grunnlaget for en systematisk studie av dette fenomenet.

Teoretisk informasjon

Isomere tilstander skiller seg fra vanlige eksiterte tilstander av kjerner ved at sannsynligheten for overgang til alle underliggende tilstander for dem er sterkt undertrykt av spinn- og paritetsekskluderingsreglene. Spesielt undertrykkes overganger med høy multipolaritet (det vil si en stor spinn endring som kreves for en overgang til den underliggende tilstanden) og lav overgangsenergi.

Noen ganger er utseendet til isomerer assosiert med en betydelig forskjell i formen på kjernen i forskjellige energitilstander (som i 180 Hf).

Av størst interesse er relativt stabile isomerer med halveringstider fra 10 −6 sek til mange år. Isomerer er betegnet med bokstaven m(fra engelsk metastabil) i massetallindeksen (for eksempel 80 m Br) eller i øvre høyre indeks (for eksempel 80 Br m). Hvis en nuklid har mer enn én metastabil eksitert tilstand, er de utpekt i rekkefølge med økende energi med bokstavene m, n, s, q og videre i alfabetisk rekkefølge, eller etter bokstav m med tallet lagt til: m 1, m 2 osv.

Noen eksempler

Notater

Litteratur

L. I. Rusinov // Isomerisme av atomkjerner. UFN. 1961. T. 73. Nr. 4. S. 615-630.
E.V. Tkalya. // Indusert nedbrytning av kjernefysiske isomeren 178m2 Hf og "isomerbomben". UFN. 2005. T. 175. Nr. 5. S. 555-561.

Se også

Wikimedia Foundation.

2010.

Se hva "Isomerism of atomic nuclei" er i andre ordbøker: - (fra det greske isos lik, identisk og meros andel, del), eksistensen av en viss at. kjerner av metastabile tilstander med relativt lang levetid. Noen kl. kjerner har flere. isomere tilstander med ulik levetid. Konseptet med "I. A. … …

Fysisk leksikon Et fenomen som består i eksistensen av langvarige eksiterte (metastabile) tilstander av atomkjerner. Overgangen til en ikke-spent tilstand skjer pga? stråling eller intern konvertering...

Stor encyklopedisk ordbok Eksistensen av metastabile tilstander av eksiterte tilstander med relativt lang levetid i noen atomkjerner (se Atomkjernen ). Noen atomkjerner har flere isomere tilstander med forskjellig levetid... ...

Stor sovjetisk leksikon Et fenomen som består i eksistensen av langvarige eksiterte (metastabile) tilstander av atomkjerner. Overgangen til en ueksitert tilstand skjer på grunn av γ-stråling eller intern konvertering. * * * ISOMERISME AV ATOMKJERNER ISOMERISME AV ATOMKJERNER,... ...

Encyklopedisk ordbok Et fenomen som består i eksistensen av langvarige eksiterte (metastabile) tilstander av atomkjerner. Overgangen til en ueksitert tilstand skjer på grunn av y)gaia) stråling eller konvertering av indre ...

Naturvitenskap. Encyklopedisk ordbok Eksistensen av kjerner av visse nuklider i metastabil opphisset energi. stater. Nuklider med metastabile kjerner er betegnet med den latinske bokstaven tv-topp. indeks til venstre for massenummeret. Således er den metastabile isomeren 236Np betegnet 236mNp. OG …

Fenomenet med kunstige radioaktive isotoper, en enestående verdensoppdagelse (1935) av den russiske vitenskapsmannen I.V.

ISOMERIA atomvåpen- eksistensen av visse kjerner, sammen med grunntilstanden, av ganske langlivede (metastabile) eksiterte tilstander, kalt. isomer. Fenomen I. I. ble oppdaget i 1921 av O. Hahn, som oppdaget en radioakt. et stoff han kalte uran Z (UZ), som hadde samme atomnummer Z og massenummer EN, som en annen radioakt, stoffet UX 2, men skilte seg fra det i halveringstid. Begge stoffene var produkter av p-nedbrytningen av samme grunnstoff UX 1 (234 90 Th). Senere viste det seg at UZ og UX 2 er grunn- og isomertilstandene til 234 91 Pa-kjernen (den isomere tilstanden er betegnet med indeksen T, f.eks. 234m 91 Ra). I 1935 oppdaget I.V. Kurchatov, B.V. Mysovsky og L.I. Rusinov at når den stabile isotopen 79 35 Br bestråles med nøytroner, dannes en radioakt. isotop 80 35 Br, med to, som tilsvarte henfall fra bakken og isomere tilstander. Ytterligere studier avslørte et stort antall isomere tilstander av kjerner med dekomponering. halveringstid fra 3. 10 6 år (210m Bi) til flere. mks og ikke engang. Mn. kjernene har 2, og for eksempel 160 Men den har 4 isomere tilstander. Grunnen til at jeg. er en svekkelse av sannsynligheten for gammastråleutslipp fra en eksitert tilstand (se. Gammastråling Dette skjer vanligvis når en liten overgangsenergi kombineres med en stor forskjell i verdiene til momentene for antall bevegelser I (vinkelmomenter) i begynnelsen. og slutttilstander. Jo høyere multipolaritet og jo lavere hw-overgangsenergi, jo lavere er sannsynligheten for en y-overgang. I noen tilfeller er svekkelsen av sannsynligheten for utslipp av g-kvanter forklart av mer komplekse strukturelle trekk ved tilstandene til kjernen, mellom hvilke det oppstår en overgang (forskjellige strukturer av kjernen i de isomere og underliggende tilstandene). I fig. Figurene 1 og 2 viser fragmenter av dekomponeringsskjemaene for 234m 91 Pa og 80m 35 Br isomerene. Når det gjelder protactinium, er årsaken til I. i. lav energi og høy multipolaritet EZ g-overgang. Det er så vanskelig at i det overveldende flertallet av tilfellene gjennomgår isomeren b-forfall (se. Beta-forfall kjerner). For visse isomerer blir den isomere overgangen ofte fullstendig uobserverbar. Når det gjelder 80m 35 Vr I. I. er forpliktet til g-overgangen til multipolariteten til MS. Kjernen fra den isomere tilstanden (I p = 5 -) går inn i en lavere energitilstand (2 -), som i løpet av kort tid går over i hovedtilstanden. atomstat 80 35 Br. I tilfellet med 242 Am-kjernen (fig. 3) I. i. assosiert med g-overgangen til multipolaritet E4.

Ris. 1. Skjema for nedbrytningen av 234m 91 Ra-isomeren. Grunntilstanden (0) og isomertilstanden er uthevet med tykke linjer; til venstre er verdiene for spinn og pariteter (I p), til høyre er multipolaritet, nivåenergier (i keV) og halveringstider; Sannsynlighetene for ulike kanaler for kjernefysisk nedbrytning fra den isomere tilstanden er gitt i %.

Den isomere tilstanden forfaller hovedsakelig gjennom g-overgangen, men i 5 av 1000 tilfeller er den observert alfa-forfall I eksemplene som er gitt, er isomere overganger i de fleste tilfeller ledsaget av emisjon av konverteringselektroner i stedet for g-kvanter (se fig. Konvertering internt).

Ris. 2. Skjema for dekomponeringen av 80m35Br-isomeren; E.Z - elektronisk fangst.

Ris. 3. Skjema av forfallet på 242m 95 Am.

Et stort antall isomere overganger av multipolaritet M4 blir observert under "utladningen" av eksiterte tilstander av odde kjerner, når antallet protoner eller nøytroner nærmer seg det magiske tallet. tall (isomerismeøyer). Dette er forklart skallmodell av kjernen, som en konsekvens av fyllingen av nærliggende nukleoner, like i energi, men svært forskjellige i spinntilstander g 9/2 og p 1/2, samt h 11/2 og d 3/2 (g, p, h, d- betegnelser på banemomentene til nukleoner, indeksene for dem er spinnverdiene).

Ris. 4. Skjema av forfallet på 180m 72 Hf.

I motsetning til eksemplene som er gitt, tilhører den isomere tilstanden 180m 72 Hf (fig. 4) en stabil kjerne og har en relativt høy eksitasjonsenergi. Årsaken til isomerismen er den sterkt svekkede g-overgangen E1 med en energi på 57,6 keV, som hemmes 10 16 ganger på grunn av de strukturelle forskjellene mellom 8 - og 8 + tilstandene. I 1962 ble en ny type fisjonsisomeri oppdaget ved JINR. Det viste seg at visse isotoper av transuranelementene U, Pu, Am, Cm og Bk har eksiterte tilstander med en energi på ~2-3 MeV, som forfaller ved

ISOMERISTI AV ATOMKJERNER, eksistensen av noen atomkjerner, sammen med grunntilstanden, av langlivede (metastabile) eksiterte tilstander, kalt isomere. Historisk sett anses tilstander med levetider som kan måles direkte (mer enn 0,01 μs) som isomere. Fenomenet isomerisme oppstår på grunn av en skarp forskjell i strukturen til nabostater (spent og bakken), noe som fører til en betydelig reduksjon i sannsynligheten for forfall av den eksiterte tilstanden (noen ganger i mange størrelsesordener).

Den første indikasjonen på eksistensen av kjernefysiske isomerer ble oppnådd i 1921 av O. Hahn, som blant nedbrytningsproduktene av uran oppdaget et radioaktivt stoff som, med samme atomnummer Z og massenummer A, hadde to helt forskjellige radioaktive nedbrytningsveier. Imidlertid anses datoen for oppdagelsen av isomerisme av atomkjerner å være 1935, da en gruppe sovjetiske forskere ledet av I.V. Kurchatov oppdaget dannelsen av tre radioaktive isotoper med forskjellige halveringstider ved bestråling av brom med langsomme nøytroner.

Deretter viste det seg at dette fenomenet er ganske utbredt er flere hundre isomere tilstander allerede kjent, og noen kjerner kan ha flere slike tilstander. For eksempel har hafniumkjernen med A = 175 5 tilstander med levetider større enn 0,1 μs.

En uunnværlig betingelse for eksistensen av en isomer tilstand av kjernen er tilstedeværelsen av en slags forbud mot strålingsoverganger fra isomere til tilstander med lavere energi. Det er en rekke kjente trekk ved den kjernefysiske strukturen som forårsaker et slikt forbud: forskjellen i vinkelmomenta (spinn) til de isomere og grunntilstandene, som fører til strålingsoverganger med høy multipolitet, forskjellige orienteringer av spinn i forhold til en foretrukket akse i kjernen, forskjellige former for kjerner i begge tilstander.

Forfallet av isomere tilstander er vanligvis ledsaget av utslipp av elektroner eller γ-kvanter, noe som resulterer i dannelsen av den samme kjernen, men i en tilstand med lavere energi. Noen ganger er beta-forfall mer sannsynlig. Isomerer av tunge grunnstoffer kan forfalle gjennom spontan fisjon. Isomere tilstander av kjerner med høy sannsynlighet for spontan fisjon kalles fissile isomerer. Omtrent 30 kjerner er kjent (isotoper U, Pu, Am, Cm, Bk), for hvilke sannsynligheten for spontan fisjon i isomertilstanden er omtrent 10 26 ganger større enn i hovedtilstanden.

Isomerisme av atomkjerner er en viktig kilde til informasjon om strukturen til atomkjerner; studiet av isomerer bidro til å etablere rekkefølgen for fylling av kjernefysiske skjell. Basert på levetiden til isomerer, kan man bedømme verdiene av forbudene for strålingsoverganger og deres sammenheng med kjernefysisk struktur.

Nukleære isomerer finner også praktiske anvendelser. For eksempel, i aktiveringsanalyse, gjør dannelsen deres i noen tilfeller det mulig å oppnå større følsomhet av metoden. Langlivede kjernefysiske isomerer anses som mulige energilagringsenheter i fremtiden.

Lit.: Korsunsky M.I. Isomerisme av atomkjerner. M., 1954; Polikanov S. M. Isomerisme av formen til atomkjerner. M., 1977.