Isomerer er atomkerner, der har det samme antal neutroner og protoner, men forskellige fysiske egenskaber, især forskellige halveringstider.
Ris. 6.1. Isomer γ-overgang i 115 In-kernen.
Levetiden for γ-radioaktive kerner er normalt i størrelsesordenen 10 -12 -10 -17 s. I nogle tilfælde, når en høj grad af forbud kombineres med en lav energi af y-overgangen, kan y-radioaktive kerner med levetider af makroskopisk orden (op til flere timer, og nogle gange mere) observeres. Sådanne langlivede exciterede tilstande af kerner kaldes isomerer
.
Et typisk eksempel på en isomer er indium-isotopen 115 In (fig. 6.1). Grundtilstanden for 115 In har J P = 9/2 +. Det første exciterede niveau har en energi lig med 335 keV og en spinparitet på J P = 1/2 - . Derfor sker overgangen mellem disse tilstande kun gennem emission af et M4 y-kvante. Denne overgang er så stærkt forbudt, at halveringstiden for den exciterede tilstand viser sig at være 4,5 timer.
Fænomenet nuklear isomerisme blev opdaget i 1921 af O. Gann, som opdagede, at der er to radioaktive stoffer, der har samme massetal A og atomnummer Z, men som adskiller sig i halveringstid. Det blev senere vist, at dette var en isomer tilstand på 234m Pa. Ifølge Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936) opstår nuklear isomerisme, når vinkelmomentet af en kerne i en exciteret tilstand med lav excitationsenergi adskiller sig fra vinkelmomentet i enhver tilstand med en lavere excitationsenergi med flere enheder ћ. En isomer (metastabil) tilstand blev defineret som en exciteret tilstand med en målbar levetid. Efterhånden som eksperimentelle metoder til γ-spektroskopi blev forbedret, faldt målbare halveringstider til 10 -12 -10 -15 s.
Tabel 6.1
Ophidsede stater 19 F
| Statsenergi, keV | Spin paritet | Halvt liv |
|---|---|---|
| 0.0 | 1/2+ | stabil |
| 109.894 | 1/2– | 0,591 ns |
| 197.143 | 5/2+ | 89,3 ns |
| 1345.67 | 5/2– | 2,86 ps |
| 1458.7 | 3/2– | 62 fs |
| 1554.038 | 3/2+ | 3,5 fs |
| 2779.849 | 9/2+ | 194 fs |
| 3908.17 | 3/2+ | 6 fs |
| 3998.7 | 7/2– | 13 fs |
| 4032.5 | 9/2– | 46 fs |
| 4377.700 | 7/2+ | < 7.6 фс |
| 4549.9 | 5/2+ | < 35 фс |
| 4556.1 | 3/2– | 12 fs |
| 4648 | 13/2+ | 2,6 ps |
| 4682.5 | 5/2– | 10,7 fs |
| 5106.6 | 5/2+ | < 21 фс |
| 5337 | 1/2(+) | ≤ 0,07 fs |
| 5418 | 7/2– | 2,6 eV |
| 5463,5 | 7/2+ | ≤ 0,18 fs |
| 5500.7 | 3/2+ | 4 keV |
| 5535 | 5/2+ | |
| 5621 | 5/2– | < 0.9 фс |
| 5938 | 1/2+ | |
| 6070 | 7/2+ | 1,2 keV |
| 6088 | 3/2– | 4 keV |
| 6100 | 9/2– |
|
| 6160.6 | 7/2– | 3,7 eV |
| 6255 | 1/2+ | 8 keV |
| 6282 | 5/2+ | 2,4 keV |
| 6330 | 7/2+ | 2,4 keV |
| 6429 | 1/2– | 280 keV |
| 6496.7 | 3/2+ |
Isomere tilstande bør forventes, hvor skalniveauer, der er tæt på hinanden i energi, er meget forskellige i spinværdier. Det er i disse områder, at de såkaldte "isomerismeøer" ligger. Tilstedeværelsen af en isomer i ovenstående 115 In-isotop skyldes således, at den mangler en proton for at nå den lukkede skal Z = 50), dvs. der er ét proton-"hul". I grundtilstanden er dette hul i 1g 9/2 subshell og i exciteret tilstand i 1p 1/2 subshell. Denne situation er typisk. Øer af isomerisme er placeret umiddelbart før de magiske tal 50, 82 og 126 på siden af mindre Z og N. Således observeres isomere tilstande i kernerne 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, hvilket er tæt på 82), 199 Hg ( Z = 80, hvilket er tæt på 82) osv. Bemærk, at der sammen med de betragtede er andre årsager til forekomsten af isomere tilstande. I øjeblikket er et stort antal isomerer blevet opdaget med en halveringstid fra flere sekunder til 3·10 6 år (210m Bi). Mange isotoper har flere isomere tilstande. Tabel 6.2 viser parametrene for langlivede isomerer (T 1/2 > år).
Tabel 6.2
Parametre for isomere tilstande af atomkerner
| Z-XX-A | N | Energi af den isomere tilstand, MeV | JP | T 1/2, G, prævalens | Forfaldstilstande |
|---|---|---|---|---|---|
| 73-Ta-180 | 107 | 0.077 | 9 - |
0.012% >1,2·10 15 år |
|
| 83-Bi-210 | 127 | 0.271 | 9 - | 3.04·10 6 år | α 100 % |
| 75-Re-186 | 111 | 0.149 | 8 + | 2·10 5 år | IT 100 % |
| 67-Ho-166 | 99 | 0.006 | 7 - | 1,2·10 3 år | β - 100 % |
| 47-Ag-108 | 61 | 0.109 | 6 + | 418 år | e 91,30 %, IT 8,70 % |
| 77-Ir-192 | 115 | 0.168 | 11 - | 241 | IT 100 % |
| 95-Am-242 | 147 | 0.049 | 5 - | 141 år gammel | SF<4.47·10 -9 %, IT 99,55 %, α 0,45 % |
| 50-Sn-121 | 71 | 0.006 | 11/2 - | 43,9 år | IT 77,60 %, β - 22,40 % |
| 72-Hf-178 | 106 | 2.446 | 16 + | 31 år | IT 100 % |
| 41-Nb-93 | 52 | 0.031 | 1/2 - | 16,13 år | IT 100 % |
| 48-Cd-113 | 65 | 0.264 | 11/2 - | 14,1 år | β - 99,86 %, IT 0,14 % |
| 45-Rh-102 | 57 | 0.141 | 6 + | ≈2,9 år | e 99,77 %, IT 0,23 % |
| 99-Es-247 | 148 | 625 dage | α |
ISOMERISTI AF ATOMKERNE, eksistensen af nogle atomkerner, sammen med grundtilstanden, af langlivede (metastabile) exciterede tilstande, kaldet isomere. Historisk set betragtes tilstande med levetider, der kan måles direkte (mere end 0,01 μs), som isomere. Fænomenet isomerisme opstår på grund af en skarp forskel i strukturen af nabostater (ophidset og jord), hvilket fører til et signifikant fald i sandsynligheden for henfald af den exciterede tilstand (nogle gange i mange størrelsesordener).
Den første indikation på eksistensen af nukleare isomerer blev opnået i 1921 af O. Hahn, der blandt nedbrydningsprodukterne af uran opdagede et radioaktivt stof, der med samme atomnummer Z og massenummer A havde to helt forskellige radioaktive henfaldsveje. Datoen for opdagelsen af isomerisme af atomkerner anses dog for at være 1935, da en gruppe sovjetiske videnskabsmænd ledet af I.V. Kurchatov opdagede dannelsen af tre radioaktive isotoper med forskellige halveringstider, når brom blev bestrålet med langsomme neutroner.
Efterfølgende viste det sig, at dette fænomen er ret udbredt; flere hundrede isomere tilstande er allerede kendt, og nogle kerner kan have flere sådanne tilstande. For eksempel har hafniumkernen med A = 175 5 tilstande med levetider større end 0,1 μs.
En uundværlig betingelse for eksistensen af en isomer tilstand af kernen er tilstedeværelsen af en form for forbud mod strålingsovergange fra isomere til tilstande med lavere energi. Der er en række kendte træk ved den nukleare struktur, der forårsager et sådant forbud: forskellen i vinkelmomenta (spin) af de isomere og grundtilstande, hvilket fører til strålingsovergange med høj multipolitet, forskellige orienteringer af spins i forhold til en foretrukken akse i kernen, forskellige former for kerner i begge tilstande.
Nedbrydningen af isomere tilstande ledsages normalt af emission af elektroner eller γ-kvanter, hvilket resulterer i dannelsen af den samme kerne, men i en tilstand med lavere energi. Nogle gange er beta-henfald mere sandsynligt. Isomerer af tunge grundstoffer kan henfalde gennem spontan fission. Isomere tilstande af kerner med høj sandsynlighed for spontan fission kaldes fissile isomerer. Der kendes omkring 30 kerner (isotoper U, Pu, Am, Cm, Bk), for hvilke sandsynligheden for spontan fission i den isomere tilstand er cirka 10 26 gange større end i hovedtilstanden.
Isomerisme af atomkerner er en vigtig kilde til information om strukturen af atomkerner; undersøgelsen af isomerer hjalp med at fastslå rækkefølgen af fyldning af atomskaller. Baseret på isomerernes levetid kan man bedømme værdierne af forbuddene for strålingsovergange og deres forbindelse med den nukleare struktur.
Nukleare isomerer finder også praktiske anvendelser. For eksempel i aktiveringsanalyse gør deres dannelse i nogle tilfælde det muligt at opnå større følsomhed af metoden. Langlivede nukleare isomerer betragtes som mulige energilagringsenheder i fremtiden.
Lit.: Korsunsky M.I. Isomerisme af atomkerner. M., 1954; Polikanov S. M. Isomerisme af formen af atomkerner. M., 1977.
Historiske oplysninger
Begrebet isomerisme af atomkerner opstod i 1921, da den tyske fysiker O. Hahn opdagede et nyt radioaktivt stof uranium-Z (UZ), som hverken i kemiske egenskaber eller i massetal adskilte sig fra det allerede kendte uran-X2 ( UX 2), havde dog en anden halveringstid. I moderne notation svarer UZ og UX 2 til isotopens jord- og isomertilstande. I 1935 opdagede B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky og L.I. Rusinov en isomer af den kunstige brom-isotop 80 Br, dannet sammen med grundtilstanden af kernen under fangsten af neutroner af stabile 79 Br. Dette lagde grundlaget for en systematisk undersøgelse af dette fænomen.
Teoretisk information
Isomere tilstande adskiller sig fra almindelige exciterede tilstande af kerner ved, at sandsynligheden for overgang til alle underliggende tilstande for dem er stærkt undertrykt af spin- og paritetsudelukkelsesreglerne. Især undertrykkes overgange med høj multipolaritet (det vil sige en stor spinændring, der kræves for en overgang til den underliggende tilstand) og lav overgangsenergi.
Nogle gange er udseendet af isomerer forbundet med en signifikant forskel i kernens form i forskellige energitilstande (som i 180 Hf).
Af størst interesse er relativt stabile isomerer med halveringstider fra 10 −6 sek. til mange år. Isomerer er betegnet med bogstavet m(fra engelsk metastabil) i massetalsindekset (f.eks. 80 m Br) eller i øverste højre indeks (f.eks. 80 Br m). Hvis et nuklid har mere end én metastabil exciteret tilstand, er de angivet i rækkefølge af stigende energi med bogstaverne m, n, s, q og videre i alfabetisk rækkefølge eller efter bogstav m med tallet tilføjet: m 1, m 2 osv.
Nogle eksempler
Noter
Litteratur
- L. I. Rusinov // Isomerisme af atomkerner. UFN. 1961. T. 73. nr. 4. P. 615-630.
- E.V. Tkalya. // Induceret henfald af kerneisomeren 178m2 Hf og "isomerbomben". UFN. 2005. T. 175. nr. 5. P. 555-561.
se også
Wikimedia Foundation. 2010.
Se, hvad "Isomerism of atomic nuclei" er i andre ordbøger:
- (fra græsk isos lige, identisk og meros andel, del), eksistensen af en vis kl. kerner af metastabile tilstande med relativt lang levetid. Nogle kl. kerner har flere. isomere tilstande med forskellige levetider. Begrebet "I. A. … … Fysisk encyklopædi
Et fænomen bestående i eksistensen af langvarige exciterede (metastabile) tilstande af atomkerner. Overgangen til en ikke-ophidset tilstand sker pga.? stråling eller intern omdannelse... Stor encyklopædisk ordbog
Eksistensen af metastabile tilstande af exciterede tilstande med relativt lang levetid i nogle atomkerner (se Atomkerne). Nogle atomkerner har flere isomere tilstande med forskellige levetider....... Store sovjetiske encyklopædi
Et fænomen bestående i eksistensen af langvarige exciterede (metastabile) tilstande af atomkerner. Overgangen til en uexciteret tilstand sker på grund af γ-stråling eller intern konvertering. * * * ISOMERISME AF ATOMKERNE ISOMERISME AF ATOMKERNE,... ... encyklopædisk ordbog
Et fænomen bestående i eksistensen af langvarige exciterede (metastabile) tilstande af atomkerner. Overgangen til en uexciteret tilstand sker på grund af y)gaia) stråling eller omdannelse af indre ... Naturvidenskab. encyklopædisk ordbog
Eksistensen af kerner af visse nuklider i metastabil exciteret energi. stater. Nuklider med metastabile kerner er betegnet med det latinske bogstav tv-top. indeks til venstre for massenummeret. Den metastabile isomer 236Np betegnes således 236mNp. OG … Kemisk encyklopædi
Fænomenet med kunstige radioaktive isotoper, en enestående verdensopdagelse (1935) af den russiske videnskabsmand I.V. Kurchatov.
I alle underliggende stater er de stærkt undertrykt af reglerne for forbuddet mod spin og paritet. Især undertrykkes overgange med høj multipolaritet (det vil sige en stor spinændring, der kræves for en overgang til den underliggende tilstand) og lav overgangsenergi. Nogle gange er udseendet af isomerer forbundet med en signifikant forskel i kernens form i forskellige energitilstande (som i 180 Hf).
Isomerer er betegnet med bogstavet m(fra engelsk metastabil) i massetalsindekset (f.eks. 80 m Br) eller i øverste højre indeks (f.eks. 80 Br m). Hvis et nuklid har mere end én metastabil exciteret tilstand, er de angivet i rækkefølge af stigende energi med bogstaverne m, n, s, q og videre i alfabetisk rækkefølge eller efter bogstav m med tallet tilføjet: m 1, m 2 osv.
Af størst interesse er relativt stabile isomerer med halveringstider fra 10 −6 sek. til mange år.
Historie
Begrebet isomerisme af atomkerner opstod i 1921, da den tyske fysiker O. Hahn, der studerede beta-henfaldet af thorium-234, kendt på det tidspunkt som "uranium-X1" (UX 1), opdagede et nyt radioaktivt stof "uranium". -Z” (UZ ), som hverken i kemiske egenskaber eller i massetal afveg fra det allerede kendte ”uranium-X2” (UX 2), men havde en anden halveringstid. I moderne notationer svarer UZ og UX 2 til de isomere og grundtilstande af 234 Pa isotopen. I 1935 opdagede B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky og L.I. Rusinov en isomer af den kunstige brom-isotop 80 Br, dannet sammen med grundtilstanden af kernen under fangsten af neutroner af stabile 79 Br. Tre år senere, under ledelse af I.V. Kurchatov, blev det fastslået, at den isomere overgang af brom-80 hovedsageligt sker gennem intern omdannelse og ikke gennem emission af gamma-kvanter. Alt dette lagde grundlaget for en systematisk undersøgelse af dette fænomen. Teoretisk blev nuklear isomeri beskrevet af Karl Weizsäcker i 1936.
Fysiske egenskaber
Nedbrydningen af isomere tilstande kan udføres ved:
- isomer overgang til grundtilstanden (ved emission af et gammakvante eller gennem intern konvertering);
- beta-henfald og elektronindfangning;
- spontan fission (for tunge kerner);
- protonstråling (for stærkt exciterede isomerer).
Sandsynligheden for en bestemt henfaldsmulighed bestemmes af kernens indre struktur og dens energiniveauer (såvel som niveauerne af kerner - mulige henfaldsprodukter).
I nogle områder med massetal er der såkaldte. øer af isomerisme (i disse områder er isomerer særligt almindelige). Dette fænomen forklares af kerneskalmodellen, som forudsiger eksistensen i ulige kerner af energisk tætte nukleare niveauer med store spin-forskelle, når antallet af protoner eller neutroner er tæt på magiske tal.
Nogle eksempler
se også
Noter
- Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (tysk) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Engelsk) Russisk: magasin. - 1921. - Bd. 54, Nr. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
- D. E. Alburger. Nuklear isomeri// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. - S. 1.
- J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (fransk) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des sciences (Engelsk) Russisk: magasin. - 1935. - Bd. 200. - S. 1201-1203.
- , Med. 617.
- C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engelsk) // Naturwissenschaften (Engelsk) Russisk: journal. - 1936. - Bd. 24, nr. 51. - s. 813-814.
- Konstantin Mukhin. Eksotisk kernefysik for nysgerrige (russiske) // Videnskab og liv. - 2017. - Nr. 4. - s. 96-100.
- G.Audi et al. NUBASE-evalueringen af nukleare og henfaldsegenskaber. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, side 1-124. Arkiveret kopi (udefineret) (utilgængeligt link). Hentet 17. marts 2008.
Andre nukleare stater. Generelt anvendes udtrykket "metastabil" normalt om stater med en levetid på 10 -9 sekunder eller mere.
Typisk er levetiden for disse tilstande meget længere end den specificerede grænse og kan være minutter, timer og (i ét tilfælde 180m Ta) cirka 10 15 år.
1. Kerner
Kernerne af nukleare isomerer er i en højere energitilstand end uexciterede kerner, som er i den såkaldte grundtilstand. I en ophidset tilstand optager en af kernens nukleoner en nuklear orbital med en energi højere end den frie orbital med lav energi. Disse tilstande ligner tilstandene for elektroner i atomer.
En anden kendt meget stabil nuklear isomer (med en halveringstid på 31 år) er 178m2 Hf, som har den højeste omdannelsesenergi af alle kendte isomerer med en sammenlignelig levetid. 1 g af denne isomer indeholder 1,33 gigajoule energi, hvilket svarer til 315 kg TNT. Det nedbrydes ved at udsende gammastråler med en energi på 2,45 MeV. Dette materiale blev anset for at kunne stimulere emission, og muligheden for at skabe en gammalaser baseret på det blev overvejet. Andre isomerer er også blevet betragtet som kandidater til denne rolle, men indtil videre er der på trods af omfattende indsats ikke rapporteret positive resultater.
4. Ansøgning
Nedbrydningen af en isomer som 177m Lu sker gennem en kaskade af kerneenerginiveauer, og det menes, at den kunne bruges til at skabe sprængstoffer og energikilder, der ville være størrelsesordener stærkere end traditionelle kemikalier.
5. Forfaldsprocesser
Isomerer går over til en lavere energitilstand ved to hovedtyper af isomere overgange
Isomerer kan også omdannes til andre grundstoffer. For eksempel kan 177m Lu undergå beta-henfald med en periode på 160,4 dage, der konverteres til 177, eller gennemgå intern konvertering til 177 Lu, som igen gennemgår beta-henfald til 177 Hf med en halveringstid på 6,68 dage.
Se også
6. Referencer
- C.B. Collins et al. Depopulation af den isomere tilstand 180 Ta m ved reaktionen 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rev. C.- T. 37. - (1988) s. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
- D. Belic et al. Fotoaktivering af 180 tam og dens implikationer for nukleosyntesen af naturens sjældneste naturligt forekommende isotop / / Phys. Rev. Lett.. - T. 83. - (1999) (25) S. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
- "UNH-forskere søger efter stimuleret gammastråleemission". UNH Nuclear Physics Group. 1997. Arkiv