stringtranslate.com

Ядерный изомер

Ядерный изомер — это метастабильное состояние атомного ядра , в котором один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают уровни возбужденного состояния (более высокие энергии). «Метастабильный» описывает ядра, возбужденные состояния которых имеют периоды полураспада в 100–1000 раз больше, чем периоды полураспада возбужденных ядерных состояний, которые распадаются с «мгновенным» периодом полураспада (обычно порядка 10−12 секунд ). Термин «метастабильный» обычно ограничивается изомерами с периодами полураспада 10−9 секунд или дольше. Некоторые источники рекомендуют 5 × 10−9 секунд , чтобы отличить метастабильный период полураспада от обычного «мгновенного» периода полураспада гамма-излучения . [1] Иногда периоды полураспада намного длиннее и могут длиться минуты, часы или годы. Например,180м
73Та
ядерный изомер выживает так долго (по крайней мере 10 15 лет), что никогда не наблюдалось его спонтанного распада. Период полураспада ядерного изомера может даже превышать период полураспада основного состояния того же нуклида, как показано180м
73Та
а также186м
75Повторно
,192м2
77Ир
,210м
83Би
,212м
84По
,242м
95Являюсь
и множественные изомеры гольмия .

Иногда гамма-распад из метастабильного состояния называют изомерным переходом, но этот процесс обычно напоминает более короткоживущие гамма-распады во всех внешних аспектах, за исключением долгоживущей природы метастабильного родительского ядерного изомера. Более продолжительные жизни метастабильных состояний ядерных изомеров часто обусловлены большей степенью изменения ядерного спина, которое должно быть вовлечено в их гамма-излучение для достижения основного состояния. Это высокое изменение спина приводит к тому, что эти распады являются запрещенными переходами и задерживаются. Задержки в излучении вызваны низкой или высокой доступной энергией распада.

Первый ядерный изомер и дочерняя система распада (уран X 2 /уран Z, теперь известный как234м
91Па
/234
91Па
) был открыт Отто Ганом в 1921 году. [2]

Ядра ядерных изомеров

Ядро ядерного изомера занимает более высокое энергетическое состояние, чем невозбужденное ядро, существующее в основном состоянии . В возбужденном состоянии один или несколько протонов или нейтронов в ядре занимают ядерную орбиталь с более высокой энергией, чем доступная ядерная орбиталь. Эти состояния аналогичны возбужденным состояниям электронов в атомах.

При распаде возбужденных атомных состояний энергия высвобождается посредством флуоресценции . При электронных переходах этот процесс обычно включает излучение света вблизи видимого диапазона. Количество высвобождаемой энергии связано с энергией диссоциации связи или энергией ионизации и обычно находится в диапазоне от нескольких до нескольких десятков эВ на связь. Однако в ядерных процессах участвует гораздо более сильный тип энергии связи , энергия ядерной связи . Из-за этого большинство ядерных возбужденных состояний распадаются посредством испускания гамма-лучей . Например, хорошо известный ядерный изомер, используемый в различных медицинских процедурах, — это99м
43Тс
, который распадается с периодом полураспада около 6 часов, испуская гамма-лучи с энергией 140 кэВ; это близко к энергии медицинских диагностических рентгеновских лучей.

Ядерные изомеры имеют долгие периоды полураспада, поскольку их гамма-распад «запрещен» из-за большого изменения ядерного спина, необходимого для испускания гамма-луча. Например,180м
73Та
имеет спин 9 и должен гамма-распасться180
73Та
со спином 1. Аналогично,99м
43Тс
имеет спин 1/2 и должен гамма-распасться, чтобы99
43Тс
со спином 9/2.

В то время как большинство метастабильных изомеров распадаются посредством гамма-излучения, они также могут распадаться посредством внутренней конверсии . Во время внутренней конверсии энергия ядерного девозбуждения не испускается в виде гамма-излучения, а вместо этого используется для ускорения одного из внутренних электронов атома. Эти возбужденные электроны затем покидают его с высокой скоростью. Это происходит потому, что внутренние атомные электроны проникают в ядро, где они подвергаются воздействию интенсивных электрических полей, создаваемых при перегруппировке протонов ядра другим образом.

В ядрах, далеких от энергетической стабильности, известно еще больше мод распада.

После деления несколько осколков деления , которые могут быть получены, имеют метастабильное изомерное состояние. Эти фрагменты обычно производятся в высоковозбужденном состоянии с точки зрения энергии и углового момента и проходят через быстрое девозбуждение. В конце этого процесса ядра могут заселять как основное, так и изомерное состояния. Если период полураспада изомеров достаточно велик, можно измерить скорость их производства и сравнить ее с основным состоянием, вычислив так называемое изомерное отношение выхода . [3]

Метастабильные изомеры

Метастабильные изомеры могут быть получены посредством ядерного синтеза или других ядерных реакций . Ядро, полученное таким образом, обычно начинает свое существование в возбужденном состоянии, которое релаксирует посредством испускания одного или нескольких гамма-лучей или конверсионных электронов . Иногда девозбуждение не полностью быстро переходит в основное состояние ядра . Обычно это происходит в виде спинового изомера , когда образование промежуточного возбужденного состояния имеет спин, сильно отличающийся от спина основного состояния. Эмиссия гамма-лучей затруднена, если спин постэмиссионного состояния сильно отличается от спина излучающего состояния, особенно если энергия возбуждения низкая. Возбужденное состояние в этой ситуации является хорошим кандидатом на метастабильность, если нет других состояний промежуточного спина с энергией возбуждения меньше, чем у метастабильного состояния.

Метастабильные изомеры определенного изотопа обычно обозначаются буквой «m». Это обозначение ставится после массового числа атома; например, кобальт-58m1 обозначается сокращенно58м1
27Ко
, где 27 — атомный номер кобальта. Для изотопов с более чем одним метастабильным изомером «индексы» ставятся после обозначения, и маркировка становится m1, m2, m3 и т. д. Увеличение индексов, m1, m2 и т. д., коррелирует с увеличением уровней энергии возбуждения, хранящейся в каждом из изомерных состояний (например, гафний-178m2 или178м2
72ВЧ
).

Другой вид метастабильного ядерного состояния (изомер) — это изомер деления или изомер формы . Большинство ядер актинидов в своих основных состояниях не сферические, а скорее вытянутые сфероидальные , с осью симметрии , длиннее других осей, подобно мячу для американского футбола или регби . Такая геометрия может приводить к квантово-механическим состояниям, в которых распределение протонов и нейтронов настолько далеко от сферической геометрии, что девозбуждение в основное ядерное состояние сильно затруднено. В общем, эти состояния либо девозбуждаются в основное состояние гораздо медленнее, чем «обычное» возбужденное состояние, либо они подвергаются спонтанному делению с периодами полураспада порядка наносекунд или микросекунд — очень короткое время, но на много порядков больше, чем период полураспада более обычного ядерного возбужденного состояния. Изомеры деления могут быть обозначены постскриптумом или надстрочным индексом «f» вместо «m», так что изомер деления, например, плутония -240, может быть обозначен как плутоний-240f или240ф
94Пу
.

Почти стабильные изомеры

Большинство ядерных возбужденных состояний очень нестабильны и «немедленно» излучают дополнительную энергию после существования порядка 10 −12  секунд. В результате характеристика «ядерный изомер» обычно применяется только к конфигурациям с периодом полураспада 10 −9  секунд или дольше. Квантовая механика предсказывает, что определенные виды атомов должны обладать изомерами с необычно долгим временем жизни даже по этому более строгому стандарту и иметь интересные свойства. Некоторые ядерные изомеры настолько долгоживущие, что они относительно стабильны и могут быть получены и наблюдаться в больших количествах.

Наиболее стабильным ядерным изомером, встречающимся в природе, является180м
73Та
, который присутствует во всех образцах тантала в количестве около 1 части на 8300. Его период полураспада составляет не менее 10 15 лет, что значительно больше возраста Вселенной . Низкая энергия возбуждения изомерного состояния вызывает как гамма-девозбуждение в180
Та
основное состояние (которое само по себе радиоактивно из-за бета-распада с периодом полураспада всего 8 часов) и прямой захват электронов в гафний или бета-распад в вольфрам, которые будут подавлены из-за несоответствий спинов. Происхождение этого изомера загадочно, хотя считается, что он образовался в сверхновых (как и большинство других тяжелых элементов). Если бы он релаксировал в свое основное состояние, он бы испустил фотон с энергией фотона 75  кэВ .

Впервые об этом сообщил в 1988 году К. Б. Коллинз [4] , что теоретически180м
Та
может быть вынужден освободить свою энергию более слабыми рентгеновскими лучами, хотя в то время этот механизм девозбуждения никогда не наблюдался. Однако девозбуждение180м
Та
резонансным фотовозбуждением промежуточных высоких уровней этого ядра ( E  ≈ 1 МэВ) в 1999 году наблюдали Белич и его коллеги из Штутгартской группы ядерной физики. [5]

178м2
72ВЧ
является еще одним достаточно стабильным ядерным изомером. Он обладает периодом полураспада 31 год и самой высокой энергией возбуждения среди всех сравнительно долгоживущих изомеров. Один грамм чистого178м2
ВЧ
содержит приблизительно 1,33 гигаджоуля энергии, что эквивалентно взрыву около 315 кг (700 фунтов) тротила . При естественном распаде178м2
ВЧ
, энергия выделяется в виде гамма-лучей с общей энергией 2,45 МэВ. Как и в случае180м
Та
, есть спорные сообщения о том, что178м2
ВЧ
может быть стимулировано для высвобождения энергии. В связи с этим вещество изучается как возможный источник для гамма-лазеров . Эти отчеты показывают, что энергия высвобождается очень быстро, так что178м2
ВЧ
может производить чрезвычайно высокие мощности (порядка экзаватт ). Другие изомеры также были исследованы как возможные среды для гамма-излучения, стимулированного излучением . [1] [6]

Ядерный изомер гольмия166м1
67Хо
имеет период полураспада 1200 лет, что является почти самым длительным периодом полураспада среди всех радионуклидов гольмия. Только163
Хо
, период полураспада которого составляет 4570 лет, более стабилен.

229
90Чт
имеет исключительно низколежащий метастабильный изомер только8,355 733 554 021 (8) эВ выше основного состояния. [7] [8] [9] Эта низкая энергия производит «гамма-лучи» с длиной волны148,382 182 8827 (15) нм , в дальнем ультрафиолете , что позволяет проводить прямую ядерную лазерную спектроскопию . Однако такая сверхточная спектроскопия не могла начаться без достаточно точной начальной оценки длины волны, что было достигнуто только в 2024 году после двух десятилетий усилий. [10] [11] [12] [13] [14] [8] Энергия настолько мала, что состояние ионизации атома влияет на его период полураспада. Нейтральный229м
90Чт
распадается путем внутренней конверсии с периодом полураспада7 ± 1 мкс , но поскольку изомерная энергия меньше второй энергии ионизации тория11,5 эВ , этот канал запрещен в катионах тория и229м
90Чт+
распадается путем гамма-излучения с периодом полураспада1740 ± 50 с . [7] Этот удобный умеренный срок службы позволяет разработать ядерные часы беспрецедентной точности. [15] [16] [9]

Высокоспиновое подавление распада

Наиболее распространенным механизмом подавления гамма-распада возбужденных ядер и, следовательно, существования метастабильного изомера является отсутствие пути распада для возбужденного состояния, который изменит ядерный угловой момент вдоль любого заданного направления на наиболее распространенную величину 1 квантовой единицы ħ в угловом моменте спина . Это изменение необходимо для испускания гамма-фотона, который имеет спин 1 единица в этой системе. Возможны интегральные изменения углового момента на 2 и более единиц, но испускаемые фотоны уносят дополнительный угловой момент. Изменения более чем на 1 единицу известны как запрещенные переходы . Каждая дополнительная единица изменения спина, большая 1, которую должен нести испускаемый гамма-луч, подавляет скорость распада примерно на 5 порядков. [17] Наибольшее известное изменение спина на 8 единиц происходит при распаде 180m Ta, что подавляет его распад в 10 35 раз по сравнению с распадом, связанным с 1 единицей. Вместо естественного периода полураспада гамма-излучения в 10−12 секунд , его период полураспада составляет более 1023 секунд , или не менее 3 × 1015 лет , и, таким образом, его распад еще не наблюдался.

Гамма-излучение невозможно, когда ядро ​​находится в состоянии нулевого спина, поскольку такое излучение не сохраняет угловой момент. [ необходима цитата ]

Приложения

Изомеры гафния [18] [19] (в основном 178m2 Hf) рассматривались как оружие, которое можно было бы использовать для обхода Договора о нераспространении ядерного оружия , поскольку утверждается, что их можно заставить испускать очень сильное гамма-излучение . Это утверждение обычно не принимается во внимание. [20] У DARPA была программа по исследованию этого использования обоих ядерных изомеров. [21] Потенциал инициирования резкого высвобождения энергии из ядерных изотопов, необходимое условие для их использования в таком оружии, оспаривается. Тем не менее, в 2003 году была создана Группа по производству изомеров гафния (HIPP) из 12 человек для оценки средств массового производства изотопа. [22]

Изомеры технеция99м
43Тс
(с периодом полураспада 6,01 часа) и95м
43Тс
(с периодом полураспада 61 день) используются в медицине и промышленности .

Ядерные батареи

Пути ядерного распада для превращения лютеция-177m в гафний-177

Ядерные батареи используют небольшие количества (миллиграммы и микрокюри ) радиоизотопов с высокой плотностью энергии. В одной конструкции бета-вольтаического устройства радиоактивный материал находится поверх устройства с соседними слоями кремния P-типа и N-типа . Ионизирующее излучение напрямую проникает в соединение и создает электронно-дырочные пары . Ядерные изомеры могут заменить другие изотопы, и с дальнейшим развитием может стать возможным включать и выключать их, запуская распад по мере необходимости. Текущие кандидаты на такое использование включают 108 Ag , 166 Ho , 177 Lu и 242 Am . По состоянию на 2004 год единственным успешно запущенным изомером был 180m Ta , для запуска которого требовалось больше энергии фотонов, чем выделялось. [23]

Такой изотоп, как 177 Lu, испускает гамма-лучи при распаде через ряд внутренних энергетических уровней внутри ядра, и считается, что, изучив сечения срабатывания с достаточной точностью, можно будет создавать хранилища энергии, которые будут в 10 6 раз более концентрированными, чем взрывчатые вещества или другие традиционные химические хранилища энергии. [23]

Процессы распада

Изомерный переход или внутренний переход (IT) — это распад ядерного изомера в ядерное состояние с более низкой энергией. Фактический процесс имеет два типа (режима): [24] [25]

Изомеры могут распадаться на другие элементы, хотя скорость распада может различаться между изомерами. Например, 177m Lu может бета-распадаться до 177 Hf с периодом полураспада 160,4 дня, или он может претерпевать изомерный переход до 177 Lu с периодом полураспада 160,4 дня, который затем бета-распадается до 177 Hf с периодом полураспада 6,68 дня. [23]

Испускание гамма-излучения из возбужденного состояния ядра позволяет ядру терять энергию и достигать состояния с более низкой энергией, иногда его основного состояния . В некоторых случаях возбужденное состояние ядра после ядерной реакции или другого типа радиоактивного распада может стать метастабильным ядерным возбужденным состоянием. Некоторые ядра способны оставаться в этом метастабильном возбужденном состоянии в течение минут, часов, дней или иногда гораздо дольше.

Процесс изомерного перехода похож на гамма-излучение из любого возбужденного ядерного состояния, но отличается тем, что включает возбужденные метастабильные состояния ядер с более длительными периодами полураспада. Как и в случае с другими возбужденными состояниями, ядро ​​может остаться в изомерном состоянии после испускания альфа-частицы , бета-частицы или какого-либо другого типа частиц.

Гамма-луч может передавать свою энергию непосредственно одному из наиболее тесно связанных электронов , заставляя этот электрон выбрасываться из атома, процесс, называемый фотоэлектрическим эффектом . Это не следует путать с процессом внутреннего преобразования , в котором не производится ни одного гамма-фотона в качестве промежуточной частицы.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Walker, Philip M.; Carroll, James J. (2007). «Ядерные изомеры: рецепты из прошлого и ингредиенты для будущего» (PDF) . Nuclear Physics News . 17 (2): 11–15. doi :10.1080/10506890701404206. S2CID  22342780.
  2. ^ Хан, Отто (1921). «Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran». Die Naturwissenschaften . 9 (5): 84. Бибкод : 1921NW......9...84H. дои : 10.1007/BF01491321. S2CID  28599831.
  3. ^ Rakopoulos, V.; Lantz, M.; Solders, A.; Al-Adili, A.; Mattera, A.; Canete, L.; Eronen, T.; Gorelov, D.; Jokinen, A.; Kankainen, A.; Kolhinen, VS (13 августа 2018 г.). "Первые измерения изомерного отношения выхода методом прямого подсчета ионов и их влияние на угловой момент первичных фрагментов деления". Physical Review C. 98 ( 2): 024612. doi :10.1103/PhysRevC.98.024612. ISSN  2469-9985. S2CID  125464341.
  4. ^ CB Collins; et al. (1988). «Депопуляция изомерного состояния 180Tam по реакции 180Tam(γ,γ′)180Ta» (PDF) . Physical Review C . 37 (5): 2267–2269. Bibcode :1988PhRvC..37.2267C. doi :10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID  9954706. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2019 г.
  5. ^ D. Belic; et al. (1999). "Фотоактивация 180 Ta m и ее значение для нуклеосинтеза самого редкого из встречающихся в природе изотопа". Physical Review Letters . 83 (25): 5242–5245. Bibcode : 1999PhRvL..83.5242B. doi : 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
  6. ^ "Исследователи UNH ищут стимулированное гамма-излучение". Группа ядерной физики UNH . 1997. Архивировано из оригинала 5 сентября 2006 года . Получено 1 июня 2006 года .
  7. ^ ab Tiedau, J.; Okhapkin, M. V.; Zhang, K.; Thielking, J.; Zitzer, G.; Peik, E.; Schaden, F.; Pronebner, T.; Morawetz, I.; De Col, L. Toscani; Schneider, F.; Leitner, A.; Pressler, M.; Kazakov, G. A.; Beeks, K. (29 апреля 2024 г.). "Лазерное возбуждение ядра Th-229". Physical Review Letters . 132 (18) 182501. doi : 10.1103/PhysRevLett.132.182501 .
  8. ^ Аб Чжан, Чуанкунь; Ой, Тиан; Хиггинс, Джейкоб С.; Дойл, Джек Ф.; фон дер Венсе, Ларс; Бикс, Кьельд; Лейтнер, Адриан; Казаков Георгий; Ли, Пэн; Тирольф, Питер Г.; Шумм, Торстен; Йе, Джун (4 сентября 2024 г.). «Соотношение частот ядерного изомерного перехода 229m Th и атомных часов 87 Sr». Природа . 633 (8028): 63–70. arXiv : 2406.18719 . дои : 10.1038/s41586-024-07839-6. PMID  39232152. Частота перехода между основным состоянием I = 5/2 и возбужденным состоянием I = 3/2 определяется как: 𝜈 Th = ⁠1/6⁠ ( 𝜈 а + 2 𝜈 б + 2 𝜈 с + 𝜈 d ) =2 020 407 384 335 (2) кГц .
  9. ^ ab Conover, Emily (4 сентября 2024 г.). «Прототип ядерных часов намекает на сверхточный хронометраж». ScienceNews .
  10. ^ фон дер Венсе, Ларс; Зайферле, Бенедикт; Лаатиауи, Мустафа; Ноймайр, Юрген Б.; Майер, Ханс-Йорг; Вирт, Ганс-Фридрих; Мокри, Кристоф; Рунке, Йорг; Эберхардт, Клаус; Дюльманн, Кристоф Э.; Траутманн, Норберт Г.; Тирольф, Питер Г. (5 мая 2016 г.). «Прямое обнаружение 229-го перехода ядерных часов». Природа . 533 (7601): 47–51. arXiv : 1710.11398 . Бибкод : 2016Natur.533...47V. дои : 10.1038/nature17669. PMID  27147026. S2CID  205248786.
  11. ^ "Результаты по 229mThorium опубликованы в "Nature"" (пресс-релиз). Мюнхенский университет имени Людвига-Максимилиана . 6 мая 2016 г. Архивировано из оригинала 27 августа 2016 г. Получено 1 августа 2016 г.
  12. ^ Seiferle, B.; von der Wense, L.; Thirolf, PG (26 января 2017 г.). "Измерение времени жизни ядерного изомера 229 Th". Phys. Rev. Lett . 118 (4) 042501. arXiv : 1801.05205 ​​. doi :10.1103/PhysRevLett.118.042501. PMID  28186791. S2CID  37518294.
  13. ^ Thielking, J.; Okhapkin, MV; Przemyslaw, G.; Meier, DM; von der Wense, L.; Seiferle, B.; Düllmann, CE; Thirolf, PG; Peik, E. (2018). "Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer 229m Th". Nature . 556 (7701): 321–325. arXiv : 1709.05325 . doi :10.1038/s41586-018-0011-8. PMID  29670266. S2CID  4990345.
  14. ^ Зайферле, Б.; фон дер Венсе, Л.; Белоус, П.В.; Амерсдорфер, И.; Лемелл, К.; Либиш, Ф.; Стеллмер, С.; Шумм, Т.; Дюльманн, CE; Палфи, А.; Тирольф, PG (12 сентября 2019 г.). «Энергия 229 -го перехода ядерных часов». Природа . 573 (7773): 243–246. arXiv : 1905.06308 . дои : 10.1038/s41586-019-1533-4. PMID  31511684. S2CID  155090121.
  15. ^ Peik, Ekkehard; Tamm, Christian (15 января 2003 г.). "Ядерная лазерная спектроскопия перехода 3,5 эВ в 229Th" (PDF) . Europhysics Letters . 61 (2): 181–186. Bibcode :2003EL.....61..181P. doi :10.1209/epl/i2003-00210-x. S2CID  250818523. Архивировано из оригинала (PDF) 16 декабря 2013 г. . Получено 12 сентября 2019 г. .
  16. ^ Кэмпбелл, К.; Раднаев, АГ; Кузмич, А.; Дзюба, ВА; Фламбаум, ВВ; Деревянко, А. (22 марта 2012 г.). "Одноионные ядерные часы для метрологии на 19-м десятичном месте". Phys. Rev. Lett . 108 (12) 120802. arXiv : 1110.2490 . Bibcode :2012PhRvL.108l0802C. doi :10.1103/PhysRevLett.108.120802. PMID  22540568. S2CID  40863227.
  17. ↑ Леон ван Доммелен, Квантовая механика для инженеров. Архивировано 5 апреля 2014 г. на Wayback Machine (глава 14).
  18. ^ Дэвид Хэмблинг (16 августа 2003 г.). «Гамма-лучевое оружие». Reuters EurekAlert . New Scientist . Получено 12 декабря 2010 г. .
  19. ↑ Джефф Хехт (19 июня 2006 г.). «Извращенная военная стратегия». New Scientist . Получено 12 декабря 2010 г.
  20. ^ Дэвидсон, Сей. «Супербомба разжигает научный спор». Архивировано из оригинала 10 мая 2005 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
  21. ^ S. Weinberger (28 марта 2004 г.). «Страшные вещи приходят в маленьких упаковках». Washington Post . Архивировано из оригинала 23 августа 2011 г.
  22. ^ «Супербомба разжигает научный спор». San Francisco Chronicle . 28 сентября 2003 г. Архивировано из оригинала 15 июня 2012 г.
  23. ^ abc MS Litz & G. Merkel (декабрь 2004 г.). "Управляемое извлечение энергии из ядерных изомеров" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г.
  24. ^ Дарлинг, Дэвид. "изомерный переход". Энциклопедия науки . Получено 16 августа 2019 г.
  25. ^ Гардинер, Стивен (12 августа 2017 г.). «Как читать схемы ядерного распада из таблицы радиоактивных изотопов WWW» (PDF) . Калифорнийский университет . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2018 г. . Получено 16 августа 2019 г. .

Внешние ссылки