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 высокой энергии). «Метастабильный» описывает ядра, период полураспада которых в возбужденных состояниях в 100–1000 раз превышает период полураспада возбужденных ядерных состояний, которые распадаются с «быстрым» периодом полураспада (обычно порядка 10–12 секунд ). Термин «метастабильный» обычно ограничивается изомерами с периодом полураспада 10–9 секунд или дольше. В некоторых источниках рекомендуется 5 × 10 -9 секунд, чтобы отличить метастабильный период полураспада от нормального «мгновенного» периода полураспада гамма-излучения . [1] Иногда период полураспада намного больше указанного и может длиться минуты, часы или годы. Например,180 м
73Та
ядерный изомер сохраняется так долго (по крайней мере 10–15 лет ), что его самопроизвольный распад никогда не наблюдался. Период полураспада ядерного изомера может даже превышать период полураспада основного состояния того же нуклида, как показано180 м
73Та
а также192м2
77ИК
,210м
83Би
,242 м
95Являюсь
и множественные изомеры гольмия .

Иногда гамма-распад из метастабильного состояния называют изомерным переходом, но этот процесс обычно напоминает короткоживущий гамма-распад во всех внешних аспектах, за исключением долгоживущей природы метастабильного исходного ядерного изомера. Более продолжительное время жизни метастабильных состояний ядерных изомеров часто связано с большей степенью изменения ядерного спина, которое должно быть задействовано в их гамма-излучении, чтобы достичь основного состояния. Такое сильное изменение спина приводит к тому, что эти распады становятся запрещенными переходами и задерживаются. Задержки эмиссии вызваны низкой или высокой доступной энергией распада.

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

Ядра ядерных изомеров

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

При распаде возбужденных атомных состояний энергия высвобождается за счет флуоресценции . При электронных переходах этот процесс обычно включает излучение света вблизи видимого диапазона. Количество выделяемой 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 — ядерная энергия связи . Из-за этого большинство ядерных возбужденных состояний распадаются за счет излучения 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 длительный период полураспада, потому что их гамма-распад «запрещен» из-за большого изменения ядерного спина , необходимого для испускания гамма-лучей. Например,180 м
73Та
имеет спин 9 и должен подвергнуться гамма-распаду до180
73Та
со спином 1. Аналогично,99м
43Тс
имеет спин 1/2 и должен подвергнуться гамма-распаду до99
43Тс
со вращением 9/2.

Хотя большинство метастабильных изомеров распадаются в результате гамма-излучения, они также могут распадаться в результате внутреннего преобразования . Во время внутреннего преобразования энергия ядерного девозбуждения не излучается в виде гамма-лучей, а вместо этого используется для ускорения одного из внутренних электронов атома. Эти возбужденные электроны затем улетают с высокой скоростью. Это происходит потому, что внутренние атомные электроны проникают в ядро, где они подвергаются воздействию интенсивных электрических полей, создаваемых, когда протоны ядра перестраиваются другим образом.

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

После деления некоторые из осколков деления , которые могут образоваться, имеют метастабильное изомерное состояние. Эти фрагменты обычно образуются в высоковозбужденном состоянии с точки зрения энергии и углового момента и проходят быстрое девозбуждение. В конце этого процесса ядра могут заселить как основное, так и изомерное состояние. Если период полураспада изомеров достаточно велик, можно измерить скорость их образования и сравнить ее с таковой в основном состоянии, рассчитав так называемый коэффициент выхода изомеров . [3]

Метастабильные изомеры

Метастабильные изомеры могут быть получены путем ядерного синтеза или других ядерных реакций . Ядро, полученное таким способом, обычно начинает свое существование в возбужденном состоянии, которое релаксирует за счет испускания одного или нескольких гамма-лучей или конверсионных электронов . Иногда снятие возбуждения не происходит быстро до основного состояния ядра . Обычно это происходит, когда образование промежуточного возбужденного состояния имеет спин , сильно отличающийся от спина основного состояния. Гамма-излучение затруднено, если спин постэмиссионного состояния сильно отличается от спина излучающего состояния, особенно если энергия возбуждения мала. Возбужденное состояние в этой ситуации является хорошим кандидатом на роль метастабильного, если не существует других состояний промежуточного спина с энергией возбуждения меньшей, чем у метастабильного состояния.

Метастабильные изомеры определенного изотопа обычно обозначаются буквой «м». Это обозначение ставится после массового числа атома; например, кобальт-58м1 сокращенно обозначается58м1
27Ко
, где 27 — атомный номер кобальта. Для изотопов с более чем одним метастабильным изомером после обозначения ставятся «индексы», а маркировка становится m1, m2, m3 и т. д. Увеличение индексов m1, m2 и т. д. коррелирует с увеличением уровня энергии возбуждения, запасенной в каждом из изомерных состояний (например, гафний-178m2 или178м2
72хф
).

Другой вид метастабильного ядерного состояния (изомер) — это изомер деления или изомер формы . Большинство ядер актинидов в основном состоянии имеют не сферическую, а вытянутую сфероидальную форму , с осью симметрии длиннее других осей, подобно мячу для американского футбола или регби . Эта геометрия может привести к квантово-механическим состояниям, в которых распределение протонов и нейтронов настолько далеко от сферической геометрии, что девозбуждение до основного состояния ядра сильно затруднено. В общем, эти состояния либо переходят в основное состояние гораздо медленнее, чем «обычное» возбужденное состояние, либо подвергаются спонтанному делению с периодом полураспада порядка наносекунд или микросекунд — очень короткое время, но на многие порядки величина больше, чем период полураспада более обычного ядерного возбужденного состояния. Изомеры деления могут обозначаться припиской или надстрочным индексом «f», а не «m», так что изомер деления, например плутония -240, может обозначаться 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  и более. Квантовая механика предсказывает, что некоторые виды атомов должны обладать изомерами с необычайно длительным временем жизни даже по этим более строгим стандартам и обладать интересными свойствами. Некоторые ядерные изомеры настолько долговечны, что относительно стабильны, и их можно производить и наблюдать в больших количествах.

Наиболее стабильным ядерным изомером, встречающимся в природе, является180 м
73Та
, который присутствует во всех образцах тантала в количестве примерно 1 на 8300. Период его полураспада составляет не менее 10–15 лет , что значительно превышает возраст Вселенной . Низкая энергия возбуждения изомерного состояния вызывает как девозбуждение гамма-излучения в180
Та
основное состояние (которое само по себе радиоактивно в результате бета-распада с периодом полураспада всего 8 часов) и прямой захват электронов на гафний или бета-распад на вольфрам , который подавляется из-за несоответствия 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 испустил бы фотон с энергией фотона 75  кэВ .

Впервые об этом сообщил в 1988 г. CB Collins [4] , что теоретически180 м
Та
может быть вынужден высвободить свою энергию более слабыми рентгеновскими лучами, хотя в то время этот механизм снятия возбуждения никогда не наблюдался. Однако девозбуждение180 м
Та
путем резонансного фотовозбуждения промежуточных высоких уровней этого ядра ( E  ~ 1 МэВ) наблюдалось в 1999 году Беличем и его сотрудниками из Штутгартской группы ядерной физики. [5]

178м2
72хф
- еще один достаточно стабильный ядерный изомер. Он обладает периодом полураспада 31 год и самой высокой энергией возбуждения среди всех сравнительно долгоживущих изомеров. Один грамм чистого178м2
хф
содержит примерно 1,33 гигаджоуля энергии, что эквивалентно взрыву около 315 кг (694 фунтов) тротила . При естественном распаде178м2
хф
, энергия выделяется в виде гамма-лучей с общей энергией 2,45 МэВ. Как и в случае с180 м
Та
, имеются спорные сообщения о том, что178м2
хф
можно стимулировать к высвобождению его энергии. В связи с этим вещество изучается как возможный источник для лазеров гамма-излучения . Эти отчеты показывают, что энергия высвобождается очень быстро, так что178м2
хф
может производить чрезвычайно большую мощность (порядка эксаватт ). Другие изомеры также исследовались как возможные среды для стимулированного гамма-излучением излучения . [1] [6]

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

229
90че
имеет удивительно низколежащий метастабильный изомер, который, по оценкам, находится всего на 8,28 ± 0,17 эВ над основным состоянием. [7] После нескольких лет неудач и одной заметной ложной тревоги, [8] [9] этот распад непосредственно наблюдался в 2016 году на основании внутреннего распада конверсии . [10] [11] Это прямое обнаружение позволило впервые измерить время жизни изомера при распаде внутренней конверсии, [12] определить магнитный диполь и электрический квадрупольный момент изомера с помощью спектроскопии электронной оболочки [13] и улучшить измерение энергии возбуждения. [7] Ожидается, что из-за своей низкой энергии этот изомер позволит проводить прямую ядерную лазерную спектроскопию и разработать ядерные часы беспрецедентной точности. [14] [15]

Высокоспиновое подавление распада

Наиболее распространенным механизмом подавления гамма-распада возбужденных ядер и, следовательно, существования метастабильного изомера, является отсутствие пути распада возбужденного состояния, который будет изменять угловой момент ядра в любом заданном направлении наиболее распространенной величиной, равной 1 кванту. единица ħ углового момента спина . Это изменение необходимо для испускания гамма-фотона, спин которого в этой системе равен 1 единице. 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, превышающая 1, которую должен нести испускаемый гамма-луч, замедляет скорость распада примерно на 5 порядков. [16] 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 при гамма-распаде, равного 10–12 секунд , он имеет период полураспада более 10 23 секунд, или по крайней мере 3 × 10 15 лет, и, таким образом, его распад еще не наблюдался.

Гамма-излучение невозможно, когда ядро ​​начинается в состоянии с нулевым спином, поскольку такое излучение не сохраняет угловой момент. [ нужна цитата ]

Приложения

Изомеры гафния [17] [18] (в основном 178m2 Hf) рассматривались как оружие, которое можно 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. [19] У DARPA была программа по исследованию использования обоих ядерных изомеров. [20] Возможность вызвать резкое высвобождение энергии ядерных изотопов, необходимое условие их использования в таком оружии, оспаривается. Тем не менее, в 2003 году была создана Группа по производству изомеров гафния (HIPP) из 12 членов для оценки средств массового производства изотопа. [21]

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-177 м в гафний-177

В ядерных батареях используются небольшие количества (миллиграммы и микрокюри ) радиоизотопов с высокой плотностью энергии. В одной конструкции бетавольтаического устройства радиоактивный материал расположен поверх устройства с соседними слоями кремния P-типа и N-типа . Ионизирующее излучение напрямую проникает в переход и создает электрон-дырочные пары . Ядерные изомеры могут заменить другие изотопы, и при дальнейшем развитии их можно будет включать и выключать, запуская распад по мере необходимости. В настоящее время кандидатами на такое использование являются 108 Ag , 166 Ho , 177 Lu и 242 Am . По состоянию на 2004 год единственным успешно активированным изомером был 180m Ta , для срабатывания которого требовалось больше энергии фотонов, чем было высвобождено. [22]

Изотоп, такой как 177 Lu, испускает гамма-лучи в результате распада через ряд внутренних энергетических уровней внутри ядра, и считается, что, изучая сечения запуска с достаточной точностью, можно будет создать запасы энергии, которые в 10 6 раз превышают более концентрированный, чем фугасный или другой традиционный химический накопитель энергии. [22]

Процессы распада

Изомерный переход или внутренний переход (IT) — это распад ядерного изомера в ядерное состояние с более низкой энергией. Реальный процесс имеет два типа (режима): [23] [24]

Изомеры могут распадаться на другие элементы, хотя скорость распада у разных изомеров может различаться. Например, 177m Lu может подвергаться бета-распаду до 177 Hf с периодом полураспада 160,4 дня или подвергаться изомерному переходу до 177 Lu с периодом полураспада 160,4 дня, который затем подвергается бета-распаду до 177 Hf с периодом полураспада 160,4 дня. -жизнь 6,68 д. [22]

Испускание гамма-лучей из возбужденного ядерного состояния позволяет ядру терять энергию и переходить в состояние с более низкой энергией, иногда в основное состояние . В некоторых случаях возбужденное ядерное состояние в результате ядерной реакции или другого типа радиоактивного распада может стать метастабильным ядерным возбужденным состоянием. Некоторые ядра способны оставаться в этом метастабильном возбужденном состоянии минуты, часы, дни, а иногда и намного дольше.

Процесс изомерного перехода аналогичен гамма-излучению из любого возбужденного состояния ядра, но отличается тем, что включает в себя возбужденные метастабильные состояния ядер с более длительным периодом полураспада. Как и в случае с другими возбужденными состояниями, ядро ​​можно оставить в изомерном состоянии после испускания альфа-частицы , бета-частицы или какого-либо другого типа частиц.

Гамма-лучи могут передавать свою энергию непосредственно одному из наиболее прочно связанных электронов , вызывая выброс этого электрона из атома. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом . Это не следует путать с процессом внутреннего преобразования , при котором фотон гамма-излучения не образуется в качестве промежуточной частицы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Уокер, Филип М.; Кэрролл, Джеймс Дж. (2007). «Ядерные изомеры: рецепты прошлого и ингредиенты будущего» (PDF) . Новости ядерной физики . 17 (2): 11–15. дои : 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. ^ Ракопулос, В.; Ланц, М.; Солдерс, А.; Аль-Адили, А.; Маттера, А.; Канете, Л.; Эронен, Т.; Горелов Д.; Йокинен, А.; Канкайнен, А.; Колхинен, В.С. (13 августа 2018 г.). «Первые измерения коэффициента выхода изомеров путем прямого подсчета ионов и влияние на угловой момент первичных осколков деления». Физический обзор C . 98 (2): 024612. doi :10.1103/PhysRevC.98.024612. ISSN  2469-9985. S2CID  125464341.
  4. ^ CB Коллинз; и другие. (1988). «Депопуляция изомерного состояния 180Tam с помощью реакции 180Tam(γ,γ')180Ta» (PDF) . Физический обзор C . 37 (5): 2267–2269. Бибкод : 1988PhRvC..37.2267C. doi : 10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID  9954706. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2019 года.
  5. ^ Д. Белич; и другие. (1999). «Фотоактивация 180 Tam и ее значение для нуклеосинтеза самого редкого встречающегося в природе изотопа» . Письма о физических отзывах . 83 (25): 5242–5245. Бибкод : 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 . Проверено 1 июня 2006 г.
  7. ^ аб 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.
  8. ^ Шоу, RW; Янг, JP; Купер, СП; Уэбб, OF (8 февраля 1999 г.). «Спонтанное ультрафиолетовое излучение образцов урана-233/тория 229». Письма о физических отзывах . 82 (6): 1109–1111. Бибкод : 1999PhRvL..82.1109S. doi :10.1103/PhysRevLett.82.1109.
  9. ^ Полное, SB; и другие. (1999). «Повторное исследование оптического гамма-распада в 229th». Физ. Преподобный Летт . 82 (3): 505–508. Бибкод : 1999PhRvL..82..505U. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.505.
  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 перехода 229-го ядерного часа». 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 журнале «Nature»» (пресс-релиз). Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана . 6 мая 2016 года. Архивировано из оригинала 27 августа 2016 года . Проверено 1 августа 2016 г.
  12. ^ Зайферле, Б.; фон дер Венсе, Л.; Тирольф, П.Г. (2017). «Измерение времени жизни ядерного изомера 229 Th». Физ. Преподобный Летт . 118 (4): 042501. arXiv : 1801.05205 . doi :10.1103/PhysRevLett.118.042501. PMID  28186791. S2CID  37518294.
  13. ^ Тилкинг, Дж.; Охапкин М.В.; Пшемыслав Г.; Мейер, DM; фон дер Венсе, Л.; Зайферле, Б.; Дюльманн, CE; Тирольф, PG; Пейк, Э. (2018). «Лазерная спектроскопическая характеристика изомера ядерных часов 229m Th». Природа . 556 (7701): 321–325. arXiv : 1709.05325 . дои : 10.1038/s41586-018-0011-8. PMID  29670266. S2CID  4990345.
  14. ^ Пейк, Э.; Тамм, Хр. (15 января 2003 г.). «Ядерная лазерная спектроскопия перехода 3,5 эВ в 229Th» (PDF) . Письма по еврофизике . 61 (2): 181–186. Бибкод : 2003EL.....61..181P. doi : 10.1209/epl/i2003-00210-x. S2CID  250818523. Архивировано из оригинала (PDF) 16 декабря 2013 года . Проверено 12 сентября 2019 г.
  15. ^ Кэмпбелл, К.; Раднаев А.Г.; Кузьмич А.; Дзуба, В.А.; Фламбаум, В.В.; Деревянко, А. (2012). «Одноионные ядерные часы для метрологии с точностью до 19-го знака». Физ. Преподобный Летт . 108 (12): 120802. arXiv : 1110.2490 . Бибкод : 2012PhRvL.108l0802C. doi : 10.1103/PhysRevLett.108.120802. PMID  22540568. S2CID  40863227.
  16. ^ Леон ван Доммелен, Квантовая механика для инженеров. Архивировано 5 апреля 2014 года в Wayback Machine (глава 14).
  17. ↑ Дэвид Хэмблинг (16 августа 2003 г.). «Гамма-оружие». Рейтер ЭврекАлерт . Новый учёный . Проверено 12 декабря 2010 г.
  18. ↑ Джефф Хехт (19 июня 2006 г.). «Извращенная военная стратегия». Новый учёный . Проверено 12 декабря 2010 г.
  19. ^ Дэвидсон, Сэй. «Супербомба разжигает научный спор». Архивировано из оригинала 10 мая 2005 года.{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
  20. ^ С. Вайнбергер (28 марта 2004 г.). «Страшные вещи приходят в маленьких упаковках». Вашингтон Пост . Архивировано из оригинала 23 августа 2011 года.
  21. ^ «Супербомба разжигает научный спор» . Хроники Сан-Франциско . 28 сентября 2003 г. Архивировано из оригинала 15 июня 2012 г.
  22. ^ abc MS Litz и Г. Меркель (декабрь 2004 г.). «Контролируемое извлечение энергии из ядерных изомеров» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г.
  23. ^ Дорогой, Дэвид. «изомерный переход». Энциклопедия науки . Проверено 16 августа 2019 г.
  24. ↑ 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 года . Проверено 16 августа 2019 г.

Внешние ссылки