Isomeerid on aatomituumad, millel on sama arv neutroneid ja prootoneid, kuid erinevad füüsikalised omadused, eriti erinevad poolestusajad.
Riis. 6.1. Isomeerne γ üleminek 115 In tuumas.
γ-radioaktiivsete tuumade eluiga on tavaliselt 10 -12 -10 -17 s. Mõnel juhul, kui kõrge keeld on kombineeritud γ-siirde madala energiaga, võib täheldada γ-radioaktiivseid tuumasid, mille eluiga on makroskoopilises järjekorras (kuni mitu tundi ja mõnikord rohkem). Selliseid pikaealisi tuumade ergastatud olekuid nimetatakse isomeerid
.
Tüüpiline isomeeri näide on indiumi isotoop 115 In (joonis 6.1). Põhiseisundil 115 In on J P = 9/2 + . Esimese ergastatud taseme energia on 335 keV ja spinni paarsus J P = 1/2 - . Seetõttu toimub üleminek nende olekute vahel ainult M4 γ-kvanti emissiooni kaudu. See üleminek on nii rangelt keelatud, et ergastatud oleku poolväärtusaeg osutub 4,5 tunniks.
Tuumaisomeeria fenomeni avastas 1921. aastal O. Gann, kes avastas, et on olemas kaks radioaktiivset ainet, millel on sama massiarv A ja aatomnumber Z, kuid mille poolestusaeg on erinev. Hiljem näidati, et see oli isomeerne olek 234 m Pa. Weizsäckeri (Naturwiss. 24, 813, 1936) järgi tekib tuumaisomeeria alati, kui väikese ergastusenergiaga ergastatud olekus oleva tuuma nurkimpulss erineb nurkimpuldist mis tahes olekus, mille ergastusenergia on mitu ühikut ћ. Isomeerne (metastabiilne) olek määratleti kui mõõdetava elueaga ergastatud olek. Kuna γ-spektroskoopia eksperimentaalsed meetodid paranesid, vähenesid mõõdetavad poolestusajad 10-12-10-15 sekundini.
Tabel 6.1
Erutatud olekud 19 F
| Riigi energia, keV | Pöörlemispaarsus | Pool elu |
|---|---|---|
| 0.0 | 1/2+ | stabiilne |
| 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+ |
Oodata tuleks isomeerseid olekuid, kus üksteisele energia poolest lähedased kesta tasemed erinevad spinniväärtuste poolest suuresti. Just nendel aladel asuvad nn isomeeriasaared. Seega on isomeeri olemasolu ülaltoodud 115 In isotoobis tingitud sellest, et sellel puudub üks prooton, et jõuda suletud kestani Z = 50), st seal on üks prootoni "auk". Algolekus on see auk 1g 9/2 alamkestas ja ergastatud olekus 1p 1/2 alamkestas. See olukord on tüüpiline. Isomeeria saared asuvad vahetult enne maagilisi numbreid 50, 82 ja 126 väiksemate Z ja N küljel. Seega on tuumades 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79) täheldatud isomeerseid olekuid, mis on 82 lähedal), 199 Hg (Z = 80, mis on lähedane 82-le) jne. Pange tähele, et lisaks kaalutletutele on isomeersete olekute ilmnemisel ka teisi põhjuseid. Praegu on avastatud suur hulk isomeere, mille poolestusaeg on mõnest sekundist kuni 3,10 6 aastani (210 m Bi). Paljudel isotoopidel on mitu isomeerset olekut. Tabelis 6.2 on toodud pikaealiste isomeeride parameetrid (T 1/2 > aasta).
Tabel 6.2
Aatomituumade isomeersete olekute parameetrid
| Z-XX-A | N | Isomeerse oleku energia, MeV | JP | T 1/2, G, levimus | Lagunemisrežiimid |
|---|---|---|---|---|---|
| 73-Ta-180 | 107 | 0.077 | 9 - |
0.012% >1,2·10 15 aastat |
|
| 83-Bi-210 | 127 | 0.271 | 9 - | 3.04·10 6 aastat | α 100% |
| 75-Re-186 | 111 | 0.149 | 8 + | 2 · 10 5 aastat | IT 100% |
| 67-Ho-166 | 99 | 0.006 | 7 - | 1,2·10 3 aastat | β – 100% |
| 47-Ag-108 | 61 | 0.109 | 6 + | 418 aastat | e 91,30%, IT 8,70% |
| 77-Ir-192 | 115 | 0.168 | 11 - | 241 | IT 100% |
| 95-am-242 | 147 | 0.049 | 5 - | 141 aastat vana | SF<4.47·10 -9 %, IT 99,55%, α 0,45% |
| 50-Sn-121 | 71 | 0.006 | 11/2 - | 43,9 aastat | IT 77,60%, β – 22,40% |
| 72-Hf-178 | 106 | 2.446 | 16 + | 31 aastat | IT 100% |
| 41-Nb-93 | 52 | 0.031 | 1/2 - | 16,13 aastat | IT 100% |
| 48-Cd-113 | 65 | 0.264 | 11/2 - | 14,1 aastat | β – 99,86%, IT 0,14% |
| 45-Rh-102 | 57 | 0.141 | 6 + | ≈2,9 aastat | e 99,77%, IT 0,23% |
| 99-Es-247 | 148 | 625 päeva | α |
Aatomituumade isomeeria, mõnede aatomituumade olemasolu koos põhiolekuga pikaealiste (metastabiilsete) ergastatud olekute olemasolu, mida nimetatakse isomeerseteks. Ajalooliselt loetakse isomeerseteks olekuid, mille eluiga saab otse mõõta (üle 0,01 μs). Isomeeria nähtus tuleneb naaberolekute (ergastatud ja jahvatatud) struktuuri järsust erinevusest, mis viib ergastatud oleku lagunemise tõenäosuse olulise vähenemiseni (mõnikord mitme suurusjärgu võrra).
Esimese viite tuumaisomeeride olemasolule sai 1921. aastal O. Hahn, kes avastas uraani lagunemissaaduste hulgast radioaktiivse aine, millel on sama aatomarvuga Z ja massiarvuga A kaks täiesti erinevat radioaktiivse lagunemise teed. Aatomituumade isomeeria avastamise kuupäevaks peetakse aga aastat 1935, mil rühm nõukogude teadlasi eesotsas I. V. Kurtšatoviga avastas broomi kiiritamisel aeglaste neutronitega kolme erineva poolestusajaga radioaktiivse isotoobi tekke.
Hiljem selgus, et see nähtus on üsna laialt levinud, juba on teada mitusada isomeerset olekut ja mõnel tuumal võib olla mitu sellist olekut. Näiteks hafniumi tuumal, mille A = 175, on 5 olekut, mille eluiga on pikem kui 0,1 μs.
Tuuma isomeerse oleku olemasolu vältimatuks tingimuseks on mingisuguse keelu olemasolu kiirguse üleminekuks isomeerselt madalama energiaga olekutesse. Tuumastruktuuril on mitmeid teadaolevaid tunnuseid, mis sellist keeldu põhjustavad: isomeersete ja põhiolekute nurkmomentide (spinnide) erinevus, mis viib suure mitmepooluseliste kiirgusüleminekuteni, spinnide erinev orientatsioon eelistatud telje suhtes. tuum, erineva kujuga tuumad mõlemas olekus.
Isomeersete olekute lagunemisega kaasneb tavaliselt elektronide ehk γ-kvantide emissioon, mille tulemusena moodustub sama tuum, kuid madalama energiaga olekus. Mõnikord on beeta-lagunemine tõenäolisem. Raskete elementide isomeerid võivad laguneda iseenesliku lõhustumise teel. Suure iseenesliku lõhustumise tõenäosusega tuumade isomeerseid olekuid nimetatakse lõhustuvateks isomeerideks. Tuntud on umbes 30 tuuma (isotoobid U, Pu, Am, Cm, Bk), mille puhul on isomeerses olekus spontaanse lõhustumise tõenäosus ligikaudu 10 26 korda suurem kui põhiolekus.
Aatomituumade isomeeria on oluline infoallikas aatomituumade ehituse kohta; isomeeride uurimine aitas paika panna tuumakestade täitmise järjekorra. Isomeeride eluea põhjal saab hinnata kiirgusüleminekukeeldude väärtusi ja nende seost tuumastruktuuriga.
Tuumaisomeerid leiavad ka praktilisi rakendusi. Näiteks aktiveerimisanalüüsis võimaldab nende moodustamine mõnel juhul saavutada meetodi suuremat tundlikkust. Pikaealisi tuumaisomeere peetakse tulevikus võimalikeks energiasalvestusseadmeteks.
Lit.: Korsunsky M.I. Aatomituumade isomeeria. M., 1954; Polikanov S. M. Aatomituumade kuju isomeeria. M., 1977.
Ajalooline teave
Aatomituumade isomeeria mõiste tekkis 1921. aastal, kui saksa füüsik O. Hahn avastas uue radioaktiivse aine uraan-Z (UZ), mis ei erinenud ei keemiliste omaduste ega massiarvu poolest juba tuntud uraan-X2-st ( UX 2) poolestusaeg oli aga erinev. Tänapäevases tähistuses vastavad UZ ja UX 2 isotoobi põhi- ja isomeersele olekule. 1935. aastal avastasid B. V. Kurchatov, I. V. Kurchatov, L. V. Mysovsky ja L. I. Rusinov kunstliku broomi isotoobi 80 Br isomeeri, mis tekkis koos tuuma põhiolekuga stabiilse 79 Br neutronite püüdmisel. See pani aluse selle nähtuse süstemaatilisele uurimisele.
Teoreetiline teave
Isomeersed olekud erinevad tuumade tavalistest ergastatud olekutest selle poolest, et nende kõigisse alusolekutesse ülemineku tõenäosus on tugevalt alla surutud spinni ja paarsuse välistamise reeglitega. Eelkõige surutakse maha suure multipolaarsusega (st põhiolekusse üleminekuks vajalik suur spinnimuutus) ja madala üleminekuenergiaga üleminekud.
Mõnikord seostatakse isomeeride ilmumist tuuma kuju olulise erinevusega erinevates energiaolekutes (nagu 180 Hf).
Suurimat huvi pakuvad suhteliselt stabiilsed isomeerid poolestusajaga 10–6 sekundit kuni paljude aastateni. Isomeerid on tähistatud tähega m(inglise keelest metastabiilne) massinumbriindeksis (näiteks 80 m Br) või paremas ülanurgas (näiteks 80 Br m). Kui nukliidil on rohkem kui üks metastabiilne ergastatud olek, tähistatakse need tähtedega energia suurenemise järjekorras. m, n, lk, q ja edasi tähestikulises järjekorras või tähe järgi m millele on lisatud number: m 1, m 2 jne.
Mõned näited
Märkmed
Kirjandus
- L. I. Rusinov // Aatomituumade isomeeria. UFN. 1961. T. 73. nr 4. Lk 615-630.
- E. V. Tkalya. // Tuumaisomeeri 178m2 Hf ja "isomeeripommi" indutseeritud lagunemine. UFN. 2005. T. 175. nr 5. Lk 555-561.
Vaata ka
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Vaadake, mis on "aatomituumade isomerism" teistes sõnaraamatutes:
- (kreeka sõnast isos võrdne, identne ja meros osa, osa), teatud at olemasolu. suhteliselt pika elueaga metastabiilsete olekute tuumad. Mõned kell. tuumadel on mitu. erineva elueaga isomeersed olekud. Mõiste "I. A.… … Füüsiline entsüklopeedia
Nähtus, mis seisneb aatomituumade pikaealiste ergastatud (metastabiilsete) olekute olemasolus. Üleminek ergastamata olekusse toimub tänu? kiirgus või sisemine muundamine... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
Suhteliselt pika elueaga ergastatud olekute metastabiilsete olekute olemasolu mõnes aatomituumas (vt Aatomituum). Mõnedel aatomituumadel on mitu erineva elueaga isomeerset olekut.... Suur Nõukogude entsüklopeedia
Nähtus, mis seisneb aatomituumade pikaealiste ergastatud (metastabiilsete) olekute olemasolus. Üleminek ergastamata olekusse toimub γ-kiirguse või sisemise muundamise tõttu. * * * Aatomituuma ISOMEERISM Aatomituuma isomeeria,... ... entsüklopeediline sõnaraamat
Nähtus, mis seisneb aatomituumade pikaealiste ergastatud (metastabiilsete) olekute olemasolus. Üleminek ergastamata olekusse toimub y)gaia) kiirguse või sisemise ... Loodusteadus. entsüklopeediline sõnaraamat
Teatud nukliidide tuumade olemasolu metastabiilses ergastatud energias. osariigid. Metastabiilsete tuumadega nukliide tähistatakse ladina tähega tv top. indeks massinumbrist vasakul. Seega on metastabiilne isomeer 236Np tähistatud 236mNp. JA… Keemia entsüklopeedia
Kunstlike radioaktiivsete isotoopide fenomen, Vene teadlase I. V. Kurtšatovi silmapaistev maailmaavastus (1935).
Kõigis alusriikides on need tugevalt alla surutud keerutamise ja pariteedi keelu reeglitega. Eelkõige surutakse maha suure multipolaarsusega (st põhiolekusse üleminekuks vajalik suur spinnimuutus) ja madala üleminekuenergiaga üleminekud. Mõnikord seostatakse isomeeride ilmumist tuuma kuju olulise erinevusega erinevates energiaolekutes (nagu 180 Hf).
Isomeerid on tähistatud tähega m(inglise keelest metastable) massinumbriindeksis (näiteks 80 m Br) või paremas ülanurgas (näiteks 80 Br m). Kui nukliidil on rohkem kui üks metastabiilne ergastatud olek, tähistatakse need tähtedega energia suurenemise järjekorras. m, n, lk, q ja edasi tähestikulises järjekorras või tähe järgi m millele on lisatud number: m 1, m 2 jne.
Suurimat huvi pakuvad suhteliselt stabiilsed isomeerid poolestusajaga 10–6 sekundit kuni paljude aastateni.
Lugu
Aatomituumade isomeeria mõiste tekkis 1921. aastal, kui saksa füüsik O. Hahn avastas toorium-234 beetalagunemist, tol ajal tuntud kui "uraan-X1" (UX 1), uue radioaktiivse aine "uraan". -Z” (UZ ), mis ei erinenud ei keemiliste omaduste ega massiarvu poolest juba tuntud uraan-X2-st (UX 2), kuid millel oli erinev poolestusaeg. Kaasaegsetes tähistustes vastavad UZ ja UX 2 234 Pa isotoobi isomeersele ja põhiolekule. 1935. aastal avastasid B. V. Kurchatov, I. V. Kurchatov, L. V. Mysovsky ja L. I. Rusinov kunstliku broomi isotoobi 80 Br isomeeri, mis tekkis koos tuuma põhiolekuga stabiilse 79 Br neutronite püüdmisel. Kolm aastat hiljem tehti I. V. Kurchatovi juhtimisel kindlaks, et broom-80 isomeerne üleminek toimub peamiselt sisemise muundamise, mitte gamma kvantide emissiooni kaudu. Kõik see pani aluse selle nähtuse süstemaatilisele uurimisele. Teoreetiliselt kirjeldas tuumaisomeeria Karl Weizsäcker 1936. aastal.
Füüsikalised omadused
Isomeersete olekute lagunemist saab läbi viia:
- isomeerne üleminek põhiolekusse (gamma kvanti emissiooni või sisemise muundamise teel);
- beeta-lagunemine ja elektronide püüdmine;
- spontaanne lõhustumine (raskete tuumade puhul);
- prootonkiirgus (kõrgesti ergastatud isomeeride jaoks).
Konkreetse lagunemisvõimaluse tõenäosuse määrab tuuma sisemine struktuur ja selle energiatasemed (samuti tuumade tasemed - võimalikud lagunemissaadused).
Osades massiarvude piirkondades on nn. isomeeria saared (nendes piirkondades on isomeerid eriti levinud). Seda nähtust seletatakse tuumakesta mudeliga, mis ennustab paarituumates energeetiliselt lähedaste tuumatasemete olemasolu suurte spinni erinevustega, kui prootonite või neutronite arv on maagiliste arvude lähedal.
Mõned näited
Vaata ka
Märkmed
- Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (saksa keel) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Inglise) vene keel: ajakiri. - 1921. - Bd. 54, nr. 6. - S. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
- D. E. Alburger. Tuumaisomeeria// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. - lk 1.
- J. V. Kourtšatov, B. V. Kourtšatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (prantsuse keel) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des Sciences (Inglise) vene keel: ajakiri. - 1935. - Kd. 200. - Lk 1201-1203.
- , Koos. 617.
- C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (inglise) // Naturwissenschaften (Inglise) vene keel: ajakiri. - 1936. - Kd. 24, nr. 51. - Lk 813-814.
- Konstantin Mukhin. Eksootiline tuumafüüsika uudishimulikele (vene keel) // Teadus ja elu. - 2017. - nr 4. - lk 96-100.
- G.Audi et al. Tuuma- ja lagunemisomaduste NUBASE hindamine. Nuclear Physics A, 1997, kd. 624, lk 1-124. Arhiveeritud koopia (määratlemata) (link pole saadaval). Vaadatud 17. märtsil 2008.
Teised tuumariigid. Üldiselt kasutatakse terminit "metastabiilne" tavaliselt olekute kohta, mille eluiga on 10–9 sekundit või rohkem.
Tavaliselt on nende olekute eluiga palju pikem kui määratud piir ja võib olla minutid, tunnid ja (ühel juhul 180 m Ta) ligikaudu 10–15 aastat.
1. Südamikud
Tuumaisomeeride tuumad on kõrgema energiaga kui ergastamata tuumad, mis on nn põhiolekus. Ergastatud olekus hõivab üks tuuma nukleonitest tuumaorbitaali, mille energia on kõrgem kui madala energiaga orbitaal. Need olekud on sarnased elektronide olekutega aatomites.
Teine teadaolev väga stabiilne tuumaisomeer (poolväärtusajaga 31 aastat) on 178m2 Hf, millel on kõigist teadaolevatest võrreldava elueaga isomeeridest kõrgeim muundusenergia. 1 g seda isomeeri sisaldab 1,33 gigadžauli energiat, mis võrdub 315 kg TNT-ga. See laguneb gammakiirguse kiirgamisel energiaga 2,45 MeV. Seda materjali peeti võimeliseks stimuleeritud emissiooniks ja kaaluti võimalust luua selle põhjal gammalaser. Selle rolli kandidaatideks on peetud ka teisi isomeere, kuid seni pole vaatamata ulatuslikele jõupingutustele positiivsetest tulemustest teatatud.
4. Taotlus
Sellise isomeeri nagu 177m Lu lagunemine toimub tuumaenergia tasemete kaskaadi kaudu ja arvatakse, et seda saab kasutada lõhkeainete ja energiaallikate loomiseks, mis oleksid suurusjärgu võrra võimsamad kui traditsioonilised kemikaalid.
5. Lagunemisprotsessid
Isomeerid lähevad madalama energiaga olekusse kahe peamise isomeerse ülemineku tüübi kaudu
Isomeere saab muundada ka muudeks elementideks. Näiteks 177 m Lu võib läbida beeta-lagunemise perioodiga 160,4 päeva, muutudes 177-ks, või läbida sisemise konversiooni 177 Lu-ks, mis omakorda läbib beeta-lagunemist 177 Hf-ni poolväärtusajaga 6,68 päeva.
Vaata ka
6. Viited
- C. B. Collins et al. Isomeerse oleku depopulatsioon 180 Ta m reaktsiooniga 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rev. C.- T. 37. - (1988) lk 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
- D. Belic et al. 180 Ta m fotoaktiveerimine ja selle tagajärjed looduses haruldasema looduslikult esineva isotoobi nukleosünteesile // Phys. Rev. Lett.. - T. 83. - (1999) (25) lk 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
- "UNH teadlased otsivad stimuleeritud gammakiirguse emissiooni." UNH tuumafüüsika rühm. 1997. Arhiiv