Бомбардировка атомных ядер с образованием очень коротковолнового света
В физике индуцированное гамма-излучение ( ИГЭ ) относится к процессу флуоресцентного излучения гамма-лучей из возбужденных ядер, обычно с участием определенного ядерного изомера . Это аналог обычной флуоресценции , которая определяется как излучение фотона ( единицы света) возбужденным электроном в атоме или молекуле. В случае ИГЭ ядерные изомеры могут хранить значительное количество 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 их можно было рассматривать для применения. По состоянию на 2006 год было[обновлять] предложено два ядерных изомера , которые физически способны к флуоресценции IGE в безопасных условиях: тантал-180m и гафний-178m2 .
История
Энергетика ИГЭ от 115 В. Стрелки — фотоны, (вверх) поглощение, (вниз) излучение. Горизонтальные линии представляют собой возбужденные состояния In, участвующие в ИГЭ.
Индуцированное гамма-излучение — пример междисциплинарных исследований, граничащих как с ядерной физикой, так и с квантовой электроникой. Если рассматривать ее как ядерную реакцию, она будет принадлежать к классу, в котором только фотоны участвуют в создании и разрушении состояний ядерного возбуждения. Этот класс обычно упускают из виду в традиционных дискуссиях. В 1939 г. Понтекорво и Лазар [2] сообщили о первом примере реакции такого типа. Мишенью был индий , и в современной терминологии, описывающей ядерные реакции , это можно было бы записать 115 In(γ,γ ' ) 115m In. Нуклид-продукт имеет букву «m», обозначающую, что он имеет достаточно длительный период полураспада (в данном случае 4,5 часа), чтобы его можно было квалифицировать как ядерный изомер . Именно это сделало эксперимент возможным в 1939 году, поскольку у исследователей было несколько часов, чтобы извлечь продукты из облучающей среды, а затем изучить их в более подходящем месте.
У фотонов-снарядов импульс и энергия могут сохраняться только в том случае, если падающий фотон, рентгеновское или гамма-излучение, имеет именно энергию, соответствующую разнице в энергии между начальным состоянием ядра-мишени и некоторым возбужденным состоянием, которое не слишком отличается в в терминах квантовых свойств, таких как спин. Порогового поведения нет, падающий снаряд исчезает, а его энергия передается во внутреннее возбуждение ядра-мишени. Это резонансный процесс, который редко встречается в ядерных реакциях , но является нормальным при возбуждении флуоресценции на атомном уровне. Лишь совсем недавно, в 1988 году, была окончательно доказана резонансная природа реакции этого типа. [3] Такие резонансные реакции легче описать с помощью формальностей атомной флуоресценции, а дальнейшему развитию способствовал междисциплинарный подход IGE.
Существует небольшая концептуальная разница в эксперименте IGE, когда мишенью является ядерный изомер . Такая реакция, как m X(γ,γ ' )X, где m X - один из пяти кандидатов, перечисленных выше, отличается только тем, что после реакции нуклид-продукт может перейти в более низкие энергетические состояния, чем в начале. Практические трудности возникают из-за необходимости обеспечения безопасности от спонтанного радиоактивного распада ядерных изомеров в количествах, достаточных для проведения экспериментов. Время жизни должно быть достаточно продолжительным, чтобы дозы от спонтанного распада мишеней всегда оставались в безопасных пределах. В 1988 г. Коллинз и его коллеги [4] сообщили о первом возбуждении ИГЭ из ядерного изомера. Они возбуждали флуоресценцию ядерного изомера тантала -180m с помощью рентгеновских лучей, производимых линейным ускорителем внешней лучевой терапии . Результаты были неожиданными и считались спорными, пока не были идентифицированы резонансные состояния, возбуждаемые в мишени. [5]
Отличительные черты
Если падающий фотон поглощается начальным состоянием ядра-мишени, это ядро перейдет в более энергетическое состояние возбуждения. Если это состояние может излучать свою энергию только во время перехода обратно в исходное состояние, результатом будет процесс рассеяния , как показано на схематическом рисунке. Это не пример IGE.
Если падающий фотон поглощается начальным состоянием ядра-мишени, это ядро перейдет в более энергетическое состояние возбуждения. Если существует ненулевая вероятность того, что иногда это состояние запускает каскад переходов, как показано на схеме, это состояние называется «состоянием шлюза», «триггерным уровнем» или «промежуточным состоянием». Один или несколько флуоресцентных фотонов испускаются, часто с разной задержкой после первоначального поглощения, и этот процесс является примером ИГЭ.
Если начальным состоянием ядра-мишени является его основное (самое низкоэнергетическое) состояние, то флуоресцентные фотоны будут иметь меньшую энергию, чем энергия падающего фотона (как видно на схематическом рисунке). Поскольку канал рассеяния обычно самый сильный, он может «ослепить» инструменты, используемые для обнаружения флуоресценции, и ранние эксперименты предпочитали изучать IGE, пульсируя источник падающих фотонов, когда детекторы были отключены, а затем концентрируясь на любых задержанных фотонах флуоресценции. когда инструменты можно было безопасно снова включить.
Если начальное состояние целевого ядра представляет собой ядерный изомер (начиная с большей энергии, чем у основного), оно также может поддерживать ИГЭ. Однако в этом случае принципиальная схема представляет собой не просто пример для 115 In, а читается справа налево со стрелками, повернутыми в другую сторону. Такое «разворот» потребовало бы одновременного (с точностью до <0,25 нс) поглощения двух падающих фотонов разных энергий, чтобы перейти от 4-часового изомера обратно в «состояние шлюза». Обычно изучение ИГЭ от основного состояния до изомера того же ядра мало что дает о том, как будет вести себя тот же изомер, если использовать его в качестве исходного состояния для ИГЭ. Чтобы поддержать IGE, необходимо найти энергию для падающего фотона, которая бы «соответствовала» энергии, необходимой для достижения какого-либо другого состояния шлюза, не показанного на схеме, которое могло бы запустить свой собственный каскад вниз в основное состояние.
Если мишенью является ядерный изомер, запасающий значительное количество энергии, то IGE может создать каскад, содержащий переход, испускающий фотон с большей энергией, чем у падающего фотона. Это будет ядерный аналог ап-конверсии в лазерной физике.
Если мишенью является ядерный изомер, запасающий значительное количество энергии, то IGE может создать каскад через пару возбужденных состояний, времена жизни которых «инвертированы», так что в совокупности таких ядер популяция будет накапливаться на более долгоживущем верхнем уровне. при этом быстро опорожняясь от более короткоживущего нижнего члена пары. Получающаяся в результате инверсия населенности может поддерживать некоторую форму когерентного излучения, аналогичного усиленному спонтанному излучению (ASE) в лазерной физике . Если бы физические размеры совокупности ядер целевых изомеров были длинными и тонкими, то могла бы получиться разновидность гамма-лазера .
Возможные применения
Энергоспецифические дозиметры
Поскольку ИГЭ из ядер в основном состоянии требует поглощения очень специфических энергий фотонов для создания запаздывающих флуоресцентных фотонов, которые легко подсчитываются, существует возможность создания энергозависимых дозиметров путем объединения нескольких различных нуклидов. Это было продемонстрировано [6] при калибровке спектра излучения импульсного ядерного имитатора ДНК-ПИТОН. Такой дозиметр может быть полезен в лучевой терапии , где рентгеновские лучи могут содержать много энергий. Поскольку фотоны разной энергии оказывают свое воздействие на разную глубину обрабатываемой ткани, это может помочь откалибровать, какая часть общей дозы будет отложена в фактическом целевом объеме.
В феврале 2003 года не рецензируемый журнал New Scientist написал о возможности создания самолета с двигателем IGE, варианта ядерной силовой установки . [7] Идея заключалась в том, чтобы использовать 178 м2 Hf (предположительно из-за его высокого соотношения энергии к весу), который будет испускать гамма-лучи, 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 связи со статьей New Scientist .
Ядерное оружие
Частично именно эта теоретическая плотность сделала всю область ИГЭ столь противоречивой . Было высказано предположение, что материалы могут быть сконструированы так, чтобы вся накопленная энергия высвобождалась очень быстро «всплеском». Возможное выделение энергии гамма-излучения само по себе сделало бы ИГЭ потенциально мощной «взрывчаткой» или потенциальным радиологическим оружием .
Зажигание термоядерной бомбы
Плотность гамма-излучения, образующегося в результате этой реакции, будет достаточно высокой, чтобы его можно было использовать 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 .
^ «Таблица изотопов». Архивировано из оригинала 5 февраля 2006 г. Проверено 1 сентября 2006 г.
^ 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.
^ CB Коллинз; Дж. А. Андерсон; Ю. Пайс; CD Эберхард; Р. Дж. Петерсон; У.Л. Ходж (1988). «Активация 115 В м одиночными импульсами интенсивного тормозного излучения». Физ. Преподобный С. 38 (4): 1852–1856. Бибкод : 1988PhRvC..38.1852C. doi : 10.1103/PhysRevC.38.1852. ПМИД 9954995.
^ CB Коллинз; CD Эберхард; Дж. В. Глезенер; Дж. А. Андерсон (1988). «Депопуляция изомерного состояния 180 Ta m по реакции 180 Ta m (γ,γ') 180 Ta». Физ. Преподобный С. 37 (5): 2267–2269. Бибкод : 1988PhRvC..37.2267C. doi : 10.1103/PhysRevC.37.2267. ПМИД 9954706.
^ CB Коллинз; Джей Джей Кэрролл; Т.В. Синор; М. Дж. Берд; генеральный директор Ричмонда; К.Н. Тейлор; М. Хубер; Н. Хуксель; П. против Ноймана-Косла; А. Рихтер; К. Шпилер; В. Зиглер (1990). «Резонансное возбуждение реакции 180 Та м (γ,γ') 180 Та». Физ. Преподобный С. 42 (5): 1813–1816. Бибкод : 1990PhRvC..42.1813C. doi :10.1103/PhysRevC.42.R1813. ПМИД 9966920.
^ «Беспилотный самолет с ядерной установкой на чертежной доске - 19 февраля 2003 г. - New Scientist» . Архивировано из оригинала 12 мая 2008 года . Проверено 1 сентября 2017 г.
Литература
CB Коллинз; НК Зойта; Ф. Даванлоо; Ю. Йода; Т. Уруга; Ж. М. Пувесле; И. И. Попеску (2005). «Ядерно-резонансная спектроскопия 31-летнего изомера Hf-178». Письма по лазерной физике . 2 (3): 162. Бибкод : 2005LaPhL...2..162C. дои : 10.1002/lapl.200410154. S2CID 121707178.
И. Ахмад; и другие. (2001). «Поиск рентгеновского ускорения распада 31-летнего изомера 178Hf с использованием синхротронного излучения». Письма о физических отзывах . 87 (7): 072503. Бибкод : 2001PhRvL..87g2503A. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.072503. ПМИД 11497887.
И. Ахмад; и другие. (2003). «Поиск рентгеновского распада 31-летнего изомера 178Hf при низких энергиях рентгеновского излучения». Физический обзор C . 67 (4): 041305Р. Бибкод : 2003PhRvC..67d1305A. doi : 10.1103/PhysRevC.67.041305. S2CID 209833094.
CB Коллинз (1990). «Доказательство возможности когерентной и некогерентной схем накачки гамма-лазера» (pdf) . ДТИК. Отчет № GRL/9001. Архивировано из оригинала 1 июня 2022 года.
Страница сводных результатов по Hf-изомеру, заархивированная 28 сентября 2007 г. в Wayback Machine , CB Collins, Техасский университет, Даллас.
«Атомный реактивный самолет Global Hawk готовится к взлету?», запись в блоге SciScoop | Архивировано 4 ноября 2021 г. в Wayback Machine.
Противоречивые результаты о долгоживущем ядерном изомере гафния имеют более широкие последствия. В статье «Физика сегодня» представлен сбалансированный взгляд 2004 года.
Перепечатки статей о ядерных изомерах в рецензируемых журналах. Архивировано 28 сентября 2007 г. в Wayback Machine — Центре квантовой электроники Техасского университета в Далласе.
