stringtranslate.com

Индуцированное гамма-излучение

В физике индуцированное гамма-излучение ( ИГЭ ) относится к процессу флуоресцентного излучения гамма-лучей возбужденными ядрами, обычно с участием определенного ядерного изомера . Это аналогично обычной флуоресценции , которая определяется как излучение фотона ( единицы света) возбужденным электроном в атоме или молекуле. В случае ИГЭ ядерные изомеры могут хранить значительные количества энергии возбуждения в течение времени, достаточного для того, чтобы они могли служить ядерными флуоресцентными материалами. Известно более 800 ядерных изомеров [1], но почти все они слишком радиоактивны по своей природе, чтобы рассматриваться для применения. По состоянию на 2006 год было предложено два [ требуется ссылка ] ядерных изомера, которые, по-видимому, физически способны к флуоресценции ИГЭ в безопасных условиях: тантал-180m и гафний-178m2 .

История

Энергетика ИГЭ от 115 In. Стрелки - фотоны, (вверх) поглощение, (вниз) испускание. Горизонтальные линии - возбужденные состояния In, участвующие в ИГЭ.

Индуцированное гамма-излучение является примером междисциплинарного исследования, граничащего как с ядерной физикой, так и с квантовой электроникой. Рассматриваемое как ядерная реакция, оно будет относиться к классу, в котором только фотоны участвуют в создании и разрушении состояний ядерного возбуждения. Это класс, который обычно упускается из виду в традиционных обсуждениях. В 1939 году Понтекорво и Лазар [2] сообщили о первом примере этого типа реакции. Целью был индий , и в современной терминологии, описывающей ядерные реакции , это будет записано как 115 In(γ,γ ' ) 115m In. Продукт нуклида имеет букву «m», что означает, что он имеет достаточно длительный период полураспада (в данном случае 4,5 ч), чтобы считаться ядерным изомером . Именно это сделало эксперимент возможным в 1939 году, поскольку у исследователей было несколько часов, чтобы удалить продукты из облучающей среды, а затем изучить их в более подходящем месте.

В случае с фотонами-снарядами импульс и энергия могут сохраняться только в том случае, если падающий фотон, рентгеновский или гамма-излучение, имеет точно такую ​​же энергию, которая соответствует разнице в энергии между начальным состоянием ядра-мишени и некоторым возбужденным состоянием, которое не слишком отличается с точки зрения квантовых свойств, таких как спин. Порогового поведения нет, и падающий снаряд исчезает, а его энергия передается во внутреннее возбуждение ядра-мишени. Это резонансный процесс, который нетипичен для ядерных реакций , но нормален для возбуждения флуоресценции на атомном уровне. Только совсем недавно, в 1988 году, была окончательно доказана резонансная природа этого типа реакции. [3] Такие резонансные реакции легче описываются формальностями атомной флуоресценции, и дальнейшее развитие было облегчено междисциплинарным подходом IGE.

Существует небольшое концептуальное различие в эксперименте IGE, когда мишень является ядерным изомером . Такая реакция, как m X(γ,γ ' )X, где m X является одним из пяти кандидатов, перечисленных выше, отличается только тем, что существуют более низкие энергетические состояния для нуклида продукта, которые могут войти после реакции, чем они были в начале. Практические трудности возникают из-за необходимости обеспечения безопасности от спонтанного радиоактивного распада ядерных изомеров в количествах, достаточных для эксперимента. Время жизни должно быть достаточно большим, чтобы дозы от спонтанного распада от мишеней всегда оставались в безопасных пределах. В 1988 году Коллинз и его коллеги [4] сообщили о первом возбуждении IGE от ядерного изомера. Они возбудили флуоресценцию от ядерного изомера тантала -180m с помощью рентгеновских лучей, полученных с помощью линейного ускорителя внешней лучевой терапии . Результаты были неожиданными и считались спорными, пока не были идентифицированы резонансные состояния, возбужденные в мишени. [5]

Отличительные черты

Потенциальные приложения

Энергоспецифические дозиметры

Поскольку IGE из ядер в основном состоянии требует поглощения очень специфических энергий фотонов для получения задержанных флуоресцентных фотонов, которые легко подсчитываются, существует возможность создания дозиметров с специфической энергией путем объединения нескольких различных нуклидов. Это было продемонстрировано [6] для калибровки спектра излучения от импульсного ядерного симулятора DNA-PITHON. Такой дозиметр может быть полезен в лучевой терапии , где рентгеновские лучи могут содержать много энергий. Поскольку фотоны с различными энергиями оказывают свое воздействие на разной глубине в обрабатываемой ткани, это может помочь откалибровать, какая часть общей дозы будет отложена в фактическом объеме мишени.

Мощность самолета

гафниевый кристаллический стержень

В феврале 2003 года нерецензируемый New Scientist написал о возможности самолета с двигателем IGE, варианта ядерного двигателя . [7] Идея заключалась в использовании 178m2 Hf (предположительно из-за его высокого отношения энергии к весу), который будет запускаться для высвобождения гамма-лучей, которые будут нагревать воздух в камере для реактивного движения. Этот источник энергии описывается как «квантовый ядерный реактор», хотя неясно, существует ли это название только в отношении статьи New Scientist .

Ядерное оружие

Частично эта теоретическая плотность сделала всю область IGE столь спорной . Было высказано предположение, что материалы могут быть сконструированы так, чтобы позволить всей накопленной энергии высвобождаться очень быстро в "взрыве". Возможное высвобождение энергии только гамма-излучения сделало бы IGE потенциально мощным "взрывчатым веществом" само по себе или потенциальным радиологическим оружием .

Зажигание термоядерной бомбы

Плотность гамма-излучения, полученного в этой реакции, будет достаточно высокой, чтобы позволить использовать их для сжатия термоядерного топлива термоядерной бомбы . Если это окажется так, это может позволить создать термоядерную бомбу без расщепляющегося материала внутри (т. е. чисто термоядерное оружие ); именно контроль над расщепляющимся материалом и средствами его производства лежит в основе большинства попыток остановить распространение ядерного оружия .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Таблица изотопов". Архивировано из оригинала 2006-02-05 . Получено 2006-09-01 .
  2. ^ Б. Понтекорво; А. Лазард (1939). «Isomérie nucléaire produite par les rayons X du spectre continu». ЧР акад. Наука . 208 (2): 99–101. Архивировано из оригинала 18 апреля 2023 г. Проверено 29 января 2021 г.
  3. ^ CB Collins; JA Anderson; Y. Paiss; CD Eberhard; RJ Peterson; WL Hodge (1988). «Активация 115 In m одиночными импульсами интенсивного тормозного излучения». Phys. Rev. C. 38 ( 4): 1852–1856. Bibcode : 1988PhRvC..38.1852C. doi : 10.1103/PhysRevC.38.1852. PMID  9954995.
  4. ^ CB Collins; CD Eberhard; JW Glesener; JA Anderson (1988). «Опустошение изомерного состояния 180 Ta m реакцией 180 Ta m (γ,γ′) 180 Ta». Phys. Rev. C . 37 (5): 2267–2269. Bibcode :1988PhRvC..37.2267C. doi :10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID  9954706.
  5. ^ CB Collins; JJ Carroll; TW Sinor; MJ Byrd; DG Richmond; KN Taylor; M. Huber; N. Huxel; P. v. Neumann-Cosle; A. Richter; C. Spieler; W. Ziegler (1990). "Резонансное возбуждение реакции 180 Ta m (γ,γ') 180 Ta". Phys. Rev. C. 42 ( 5): 1813–1816. Bibcode : 1990PhRvC..42.1813C. doi : 10.1103/PhysRevC.42.R1813. PMID  9966920.
  6. ^ JA Anderson; CB Collins (1988). "Калибровка импульсных рентгеновских спектров". Rev Sci Instrum . 59 (3): 414. Bibcode : 1988RScI...59..414A. doi : 10.1063/1.1140219.
  7. ^ "Атомный беспилотный летательный аппарат на чертежной доске - 19 февраля 2003 г. - New Scientist". Архивировано из оригинала 12 мая 2008 г. Получено 1 сентября 2017 г.

Литература

Внешние ссылки