Isomerer er atomkjerner som har samme antall nøytroner og protoner, men forskjellige fysiske egenskaper, spesielt forskjellige halveringstider.
Ris. 6.1. Isomer γ-overgang i 115 In-kjernen.
Levetidene til γ-radioaktive kjerner er vanligvis i størrelsesorden 10 -12 -10 -17 s. I noen tilfeller, når en høy grad av forbud er kombinert med en lav energi i γ-overgangen, kan γ-radioaktive kjerner med levetider av makroskopisk orden (opptil flere timer, og noen ganger mer) observeres. Slike langlivede eksiterte tilstander av kjerner kalles isomerer
.
Et typisk eksempel på en isomer er indiumisotopen 115 In (fig. 6.1). Grunntilstanden til 115 In har J P = 9/2 + . Det første eksiterte nivået har en energi lik 335 keV og en spinnparitet på J P = 1/2 - . Derfor skjer overgangen mellom disse tilstandene bare gjennom utslipp av et M4 y-kvante. Denne overgangen er så sterkt forbudt at halveringstiden til den eksiterte tilstanden viser seg å være 4,5 timer.
Fenomenet nukleær isomerisme ble oppdaget i 1921 av O. Gann, som oppdaget at det er to radioaktive stoffer som har samme massetall A og atomnummer Z, men som er forskjellige i halveringstid. Det ble senere vist at dette var en isomer tilstand på 234m Pa. I følge Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936) oppstår kjernefysisk isomerisme når vinkelmomentet til en kjerne i en eksitert tilstand med lav eksitasjonsenergi skiller seg fra vinkelmomentet i enhver tilstand som har en lavere eksitasjonsenergi med flere enheter ћ. En isomer (metastabil) tilstand ble definert som en eksitert tilstand med en målbar levetid. Etter hvert som eksperimentelle metoder for γ-spektroskopi ble forbedret, falt målbare halveringstider til 10 -12 -10 -15 s.
Tabell 6.1
Spent tilstander 19 F
| Statsenergi, keV | Spinnparitet | 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 tilstander bør forventes der skallnivåer som er nær hverandre i energi avviker sterkt i spinnverdier. Det er i disse områdene de såkalte "isomerismeøyene" ligger. Tilstedeværelsen av en isomer i ovennevnte 115 In-isotop skyldes således at den mangler ett proton for å nå det lukkede skallet Z = 50), det vil si at det er ett proton-"hull". I grunntilstanden er dette hullet i 1g 9/2 subshell, og i eksitert tilstand, i 1p 1/2 subshell. Denne situasjonen er typisk. Øyer med isomerisme er lokalisert rett før de magiske tallene 50, 82 og 126 på siden av mindre Z og N. Dermed observeres isomere tilstander i kjernene 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, som er nær 82), 199 Hg ( Z = 80, som er nær 82), osv. Merk at, sammen med de som vurderes, er det andre årsaker til utseendet til isomere tilstander. For tiden er det oppdaget et stort antall isomerer med en halveringstid fra flere sekunder til 3·10 6 år (210m Bi). Mange isotoper har flere isomere tilstander. Tabell 6.2 viser parametere for langlivede isomerer (T 1/2 > år).
Tabell 6.2
Parametre for isomere tilstander til atomkjerner
| Z-XX-A | N | Energi til den isomere tilstanden, MeV | JP | T 1/2, G, prevalens | Forfallsmoduser |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 gammel | 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 dager | α |
ISOMERIA AV ATOMKJERNER, eksistensen av noen atomkjerner, sammen med grunntilstanden, av langlivede (metastabile) eksiterte tilstander, kalt isomere. Historisk sett anses tilstander med levetider som kan måles direkte (mer enn 0,01 μs) som isomere. Fenomenet isomerisme oppstår på grunn av en skarp forskjell i strukturen til nabostater (spent og bakken), noe som fører til en betydelig reduksjon i sannsynligheten for forfall av den eksiterte tilstanden (noen ganger i mange størrelsesordener).
Den første indikasjonen på eksistensen av kjernefysiske isomerer ble oppnådd i 1921 av O. Hahn, som blant nedbrytningsproduktene av uran oppdaget et radioaktivt stoff som, med samme atomnummer Z og massenummer A, hadde to helt forskjellige radioaktive nedbrytningsveier. Imidlertid anses datoen for oppdagelsen av isomerisme av atomkjerner å være 1935, da en gruppe sovjetiske forskere ledet av I.V. Kurchatov oppdaget dannelsen av tre radioaktive isotoper med forskjellige halveringstider ved bestråling av brom med langsomme nøytroner.
Deretter viste det seg at dette fenomenet er ganske utbredt er flere hundre isomere tilstander allerede kjent, og noen kjerner kan ha flere slike tilstander. For eksempel har hafniumkjernen med A = 175 5 tilstander med levetider større enn 0,1 μs.
En uunnværlig betingelse for eksistensen av en isomer tilstand av kjernen er tilstedeværelsen av en slags forbud mot strålingsoverganger fra isomere til tilstander med lavere energi. Det er en rekke kjente trekk ved den kjernefysiske strukturen som forårsaker et slikt forbud: forskjellen i vinkelmomenta (spinn) til de isomere og grunntilstandene, som fører til strålingsoverganger med høy multipolitet, forskjellige orienteringer av spinn i forhold til en foretrukket akse i kjernen, forskjellige former for kjerner i begge tilstander.
Forfallet av isomere tilstander er vanligvis ledsaget av utslipp av elektroner eller γ-kvanter, noe som resulterer i dannelsen av den samme kjernen, men i en tilstand med lavere energi. Noen ganger er beta-forfall mer sannsynlig. Isomerer av tunge grunnstoffer kan forfalle gjennom spontan fisjon. Isomere tilstander av kjerner med høy sannsynlighet for spontan fisjon kalles fissile isomerer. Omtrent 30 kjerner er kjent (isotoper U, Pu, Am, Cm, Bk), for hvilke sannsynligheten for spontan fisjon i isomertilstanden er omtrent 10 26 ganger større enn i hovedtilstanden.
Isomerisme av atomkjerner er en viktig kilde til informasjon om strukturen til atomkjerner; studiet av isomerer bidro til å etablere rekkefølgen for fylling av kjernefysiske skjell. Basert på levetiden til isomerer, kan man bedømme verdiene av forbudene for strålingsoverganger og deres sammenheng med kjernefysisk struktur.
Nukleære isomerer finner også praktiske anvendelser. For eksempel, i aktiveringsanalyse, gjør dannelsen deres i noen tilfeller det mulig å oppnå større følsomhet av metoden. Langlivede kjernefysiske isomerer anses som mulige energilagringsenheter i fremtiden.
Lit.: Korsunsky M.I. Isomerisme av atomkjerner. M., 1954; Polikanov S. M. Isomerisme av formen til atomkjerner. M., 1977.
Historisk informasjon
Konseptet med isomerisme av atomkjerner oppsto i 1921, da den tyske fysikeren O. Hahn oppdaget et nytt radioaktivt stoff uran-Z (UZ), som verken skilte seg i kjemiske egenskaper eller i massetall fra det allerede kjente uran-X2 ( UX 2), hadde imidlertid en annen halveringstid. I moderne notasjon tilsvarer UZ og UX 2 isotopens grunntilstand og isomertilstand. I 1935 oppdaget B.V. Kurchatov, I.V. Mysovsky og LI. Dette la grunnlaget for en systematisk studie av dette fenomenet.
Teoretisk informasjon
Isomere tilstander skiller seg fra vanlige eksiterte tilstander av kjerner ved at sannsynligheten for overgang til alle underliggende tilstander for dem er sterkt undertrykt av spinn- og paritetsekskluderingsreglene. Spesielt undertrykkes overganger med høy multipolaritet (det vil si en stor spinn endring som kreves for en overgang til den underliggende tilstanden) og lav overgangsenergi.
Noen ganger er utseendet til isomerer assosiert med en betydelig forskjell i formen på kjernen i forskjellige energitilstander (som i 180 Hf).
Av størst interesse er relativt stabile isomerer med halveringstider fra 10 −6 sek til mange år. Isomerer er betegnet med bokstaven m(fra engelsk metastabil) i massetallindeksen (for eksempel 80 m Br) eller i øvre høyre indeks (for eksempel 80 Br m). Hvis en nuklid har mer enn én metastabil eksitert tilstand, er de utpekt i rekkefølge med økende energi med bokstavene m, n, s, q og videre i alfabetisk rekkefølge, eller etter bokstav m med tallet lagt til: m 1, m 2 osv.
Noen eksempler
Notater
Litteratur
- L. I. Rusinov // Isomerisme av atomkjerner. UFN. 1961. T. 73. Nr. 4. S. 615-630.
- E.V. Tkalya. // Indusert henfall av kjernefysiske isomeren 178m2 Hf og "isomerbomben". UFN. 2005. T. 175. Nr. 5. S. 555-561.
se også
Wikimedia Foundation. 2010.
Se hva "Isomerism of atomic nuclei" er i andre ordbøker:
- (fra det greske isos lik, identisk og meros andel, del), eksistensen av en viss at. kjerner av metastabile tilstander med relativt lang levetid. Noen kl. kjerner har flere. isomere tilstander med ulik levetid. Konseptet med "I. A. … … Fysisk leksikon
Et fenomen som består i eksistensen av langvarige eksiterte (metastabile) tilstander av atomkjerner. Overgangen til en ikke-spent tilstand skjer pga? stråling eller intern konvertering... Stor encyklopedisk ordbok
Eksistensen av metastabile tilstander av eksiterte tilstander med relativt lang levetid i noen atomkjerner (se Atomkjernen ). Noen atomkjerner har flere isomere tilstander med forskjellig levetid... ... Stor sovjetisk leksikon
Et fenomen som består i eksistensen av langvarige eksiterte (metastabile) tilstander av atomkjerner. Overgangen til en ikke-eksitert tilstand skjer på grunn av γ-stråling eller intern konvertering. * * * ISOMERISME AV ATOMKJERNER ISOMERISME AV ATOMKJERNER,... ... encyklopedisk ordbok
Et fenomen som består i eksistensen av langvarige eksiterte (metastabile) tilstander av atomkjerner. Overgangen til en ueksitert tilstand skjer på grunn av y)gaia) stråling eller konvertering av indre ... Naturlig historie. encyklopedisk ordbok
Eksistensen av kjerner av visse nuklider i metastabil opphisset energi. stater. Nuklider med metastabile kjerner er betegnet med den latinske bokstaven tv-topp. indeks til venstre for massenummeret. Således er den metastabile isomeren 236Np betegnet 236mNp. OG … Kjemisk leksikon
Fenomenet med kunstige radioaktive isotoper, en enestående verdensoppdagelse (1935) av den russiske vitenskapsmannen I.V.
I alle underliggende stater er de sterkt undertrykt av reglene for forbudet mot spinn og paritet. Spesielt undertrykkes overganger med høy multipolaritet (det vil si en stor spinn endring som kreves for en overgang til den underliggende tilstanden) og lav overgangsenergi. Noen ganger er utseendet til isomerer assosiert med en betydelig forskjell i formen på kjernen i forskjellige energitilstander (som i 180 Hf).
Isomerer er betegnet med bokstaven m(fra engelsk metastabil) i massetallindeksen (for eksempel 80 m Br) eller i øvre høyre indeks (for eksempel 80 Br m). Hvis en nuklid har mer enn én metastabil eksitert tilstand, er de utpekt i rekkefølge med økende energi med bokstavene m, n, s, q og videre i alfabetisk rekkefølge, eller etter bokstav m med tallet lagt til: m 1, m 2 osv.
Av størst interesse er relativt stabile isomerer med halveringstider fra 10 −6 sek til mange år.
Historie
Konseptet med isomerisme av atomkjerner oppsto i 1921, da den tyske fysikeren O. Hahn, som studerte beta-nedbrytningen av thorium-234, kjent på den tiden som "uran-X1" (UX 1), oppdaget et nytt radioaktivt stoff "uranium". -Z” (UZ ), som verken skilte seg i kjemiske egenskaper eller i massetall fra det allerede kjente “uran-X2” (UX 2), men hadde en annen halveringstid. I moderne notasjoner tilsvarer UZ og UX 2 de isomere og grunntilstandene til 234 Pa isotopen. I 1935 oppdaget B.V. Kurchatov, I.V. Mysovsky og LI. Tre år senere, under ledelse av I.V. Kurchatov, ble det fastslått at den isomere overgangen av brom-80 skjer hovedsakelig gjennom intern konvertering, og ikke gjennom utslipp av gammastråler. Alt dette la grunnlaget for en systematisk studie av dette fenomenet. Teoretisk ble kjernefysisk isomerisme beskrevet av Karl Weizsäcker i 1936.
Fysiske egenskaper
Dekomponeringen av isomere tilstander kan utføres ved:
- isomer overgang til grunntilstanden (ved emisjon av et gammakvante eller gjennom intern konvertering);
- beta-forfall og elektronfangst;
- spontan fisjon (for tunge kjerner);
- protonstråling (for sterkt eksiterte isomerer).
Sannsynligheten for et bestemt forfallsalternativ bestemmes av den indre strukturen til kjernen og dens energinivåer (så vel som nivåene av kjerner - mulige forfallsprodukter).
I noen områder med massetall er det såkalte. isomeriske øyer (i disse områdene er isomerer spesielt vanlige). Dette fenomenet forklares av kjernefysisk skallmodell, som forutsier eksistensen i odde kjerner av energisk nære kjernefysiske nivåer med store spinnforskjeller når antallet protoner eller nøytroner er nær magiske tall.
Noen eksempler
se også
Notater
- 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. Kjernefysisk 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: Blad. - 1935. - Vol. 200. - S. 1201-1203.
- , Med. 617.
- C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (engelsk) // Naturwissenschaften (Engelsk) russisk: journal. - 1936. - Vol. 24, nei. 51. - S. 813-814.
- Konstantin Mukhin. Eksotisk kjernefysikk for nysgjerrige (russiske) // Vitenskap og liv. - 2017. - Nr. 4. - s. 96-100.
- G.Audi et al. NUBASE-evalueringen av kjernefysiske og forfallsegenskaper. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, side 1-124. Arkivert kopi (udefinert) (utilgjengelig lenke). Hentet 17. mars 2008.
Andre atomstater. Generelt brukes begrepet "metastabil" vanligvis for stater med en levetid på 10 -9 sekunder eller mer.
Vanligvis er levetiden til disse tilstandene mye lengre enn den angitte grensen, og kan være minutter, timer og (i ett tilfelle 180m Ta) omtrent 10 15 år.
1. Kjerner
Kjernene til nukleære isomerer er i en høyere energitilstand enn ueksiterte kjerner, som er i den såkalte grunntilstanden. I en eksitert tilstand okkuperer en av nukleonene i kjernen en kjernefysisk orbital med en energi høyere enn den frie orbitalen med lav energi. Disse tilstandene ligner tilstandene til elektroner i atomer.
En annen kjent svært stabil nukleær isomer (med en halveringstid på 31 år) er 178m2 Hf, som har den høyeste konverteringsenergien av alle kjente isomerer med sammenlignbar levetid. 1 g av denne isomeren inneholder 1,33 gigajoule energi, som tilsvarer 315 kg TNT. Den brytes ned ved å sende ut gammastråler med en energi på 2,45 MeV. Dette materialet ble ansett i stand til stimulert emisjon, og muligheten for å lage en gammalaser basert på det ble vurdert. Andre isomerer har også blitt vurdert som kandidater for denne rollen, men så langt, til tross for omfattende innsats, er det ikke rapportert noen positive resultater.
4. Søknad
Nedbrytningen av en isomer som 177m Lu skjer gjennom en kaskade av atomenerginivåer, og det antas at den kan brukes til å lage eksplosiver og energikilder som vil være størrelsesordener kraftigere enn tradisjonelle kjemikalier.
5. Forfallsprosesser
Isomerer går over til en lavere energitilstand ved to hovedtyper av isomere overganger
Isomerer kan også omdannes til andre elementer. For eksempel kan 177m Lu gjennomgå beta-forfall med en periode på 160,4 dager, konvertere til 177, eller gjennomgå intern konvertering til 177 Lu, som igjen gjennomgår beta-forfall til 177 Hf med en halveringstid på 6,68 dager.
Se også
6. Referanser
- C.B. Collins et al. Depopulasjon av den isomere tilstanden 180 Ta m ved reaksjonen 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta / / Phys. Rev. C.- T. 37. - (1988) s. 2267-2269. GJØR JEG: 10.1103/PhysRevC.37.2267.
- D. Belic et al. Fotoaktivering av 180 tam og dens implikasjoner for nukleosyntesen av naturens sjeldneste naturlig forekommende isotop / / Phys. Rev. Lett.. - T. 83. - (1999) (25) S. 5242. GJØR JEG: 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
- "UNH-forskere søker etter stimulert gammastråleutslipp". UNH kjernefysikkgruppe. 1997. Arkiv