Ізомерами називаються атомні ядра, що мають однакову кількість нейтронів та протонів, але різні фізичні властивості, зокрема різні періоди напіврозпаду.
Мал. 6.1. Ізомерний γ-перехід у ядрі 115 In.
Пори життя γ-радіоактивних ядер зазвичай мають порядок 10 -12 -10 -17 с. У деяких випадках при поєднанні високого ступеня заборони з малою енергією γ-переходу можуть спостерігатися γ-радіоактивні ядра з часом життя макроскопічного порядку (до кількох годин, а іноді й більше). Такі довгоживучі збуджені стани ядер називаються ізомерами
.
Характерним прикладом ізомеру може бути ізотоп індія 115 In (рис. 6.1). Основний стан 115 In має J P = 9/2+. Перший збуджений рівень має енергію, що дорівнює 335 кеВ, і спін-парність J P = 1/2 - . Тому перехід між цими станами відбувається лише за допомогою випромінювання М4 -кванта. Цей перехід настільки заборонений, що період напіврозпаду збудженого стану виявляється рівним 4.5 години.
Явище ядерної ізомерії було відкрито в 1921 р. О. Ганном, який виявив, що існують дві радіоактивні речовини, що мають однакові масові числа A і порядковий номер Z, але різняться періодом напіврозпаду. Надалі було показано, що це був ізомерний стан 234m Pa. Згідно Вайцзеккеру (Naturwiss. 24, 813, 1936) ізомерія ядер зустрічається кожен раз, коли момент кількості руху ядра в збудженому стані з низькою енергією порушення відрізняється від моменту кількості руху в будь-якому стані, що має меншу енергію збудження на кілька одиниць ћ. Ізомерний (метастабільний) стан визначили як збуджений стан із вимірним часом життя. У міру вдосконалення експериментальних методів -спектроскопії вимірювані періоди напіврозпаду знизилися до 10 -12 -10 -15 с.
Таблиця 6.1
Збуджені стани 19 F
| Енергія стану, кеВ | Спін-парність | Період напіврозпаду |
|---|---|---|
| 0.0 | 1/2+ | стабільний |
| 109.894 | 1/2– | 0.591 нс |
| 197.143 | 5/2+ | 89.3 нс |
| 1345.67 | 5/2– | 2.86 пс |
| 1458.7 | 3/2– | 62 фс |
| 1554.038 | 3/2+ | 3.5 фс |
| 2779.849 | 9/2+ | 194 фс |
| 3908.17 | 3/2+ | 6 фс |
| 3998.7 | 7/2– | 13 фс |
| 4032.5 | 9/2– | 46 фс |
| 4377.700 | 7/2+ | < 7.6 фс |
| 4549.9 | 5/2+ | < 35 фс |
| 4556.1 | 3/2– | 12 фс |
| 4648 | 13/2+ | 2.6 пс |
| 4682.5 | 5/2– | 10.7 фс |
| 5106.6 | 5/2+ | < 21 фс |
| 5337 | 1/2(+) | ≤ 0.07 фс |
| 5418 | 7/2– | 2.6 еВ |
| 5463,5 | 7/2+ | ≤ 0.18 фс |
| 5500.7 | 3/2+ | 4 кеВ |
| 5535 | 5/2+ | |
| 5621 | 5/2– | < 0.9 фс |
| 5938 | 1/2+ | |
| 6070 | 7/2+ | 1.2 кеВ |
| 6088 | 3/2– | 4 кеВ |
| 6100 | 9/2– |
|
| 6160.6 | 7/2– | 3.7 еВ |
| 6255 | 1/2+ | 8 кеВ |
| 6282 | 5/2+ | 2.4 кеВ |
| 6330 | 7/2+ | 2.4 кеВ |
| 6429 | 1/2– | 280 кеВ |
| 6496.7 | 3/2+ |
Ізомерні стани слід очікувати там, де рівні оболонки, близькі один одному по енергії, сильно відрізняються значеннями спинів. Саме в цих сферах і знаходяться так звані «острова ізомерії». Так, наявність ізомеру у наведеного вище ізотопу 115 In обумовлено тим, що в ньому не вистачає одного протона до замкнутої оболонки (Z = 50), тобто є одна протонна «дірка». В основному стані ця дірка в підболюванні 1g 9/2, а в збудженому - в підболочці 1p 1/2. Така ситуація є типовою. Острови ізомерії розташовані безпосередньо перед магічними числами 50, 82 і 126 з боку менших Z і N. Так, ізомерні стани спостерігаються в ядрах 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, що близько до 82), 199 Hg ( Z = 80, що близько до 82) і т. д. Зазначимо, що поряд з розглянутими існують інші причини появи ізомерних станів. В даний час виявлено велику кількість ізомерів, що мають період напіврозпаду від декількох секунд до 3 · 106 років (210m Bi). Багато ізотопів мають кілька ізомерних станів. У таблиці 6.2 наведено параметри довготривалих ізомерів (T 1/2 > рік).
Таблиця 6.2
Параметри ізомерних станів атомних ядер
| Z-XX-A | N | Енергія ізомерного стану, МеВ | J P | T 1/2, Г, поширеність | Моди розпаду |
|---|---|---|---|---|---|
| 73-Ta-180 | 107 | 0.077 | 9 - |
0.012% >1.2·10 15 років |
|
| 83-Bi-210 | 127 | 0.271 | 9 - | 3.04·10 6 років | α 100% |
| 75-Re-186 | 111 | 0.149 | 8 + | 2·10 5 років | IT 100% |
| 67-Ho-166 | 99 | 0.006 | 7 - | 1.2·10 3 років | β - 100% |
| 47-Ag-108 | 61 | 0.109 | 6 + | 418 років | е 91.30%, IT 8.70% |
| 77-Ir-192 | 115 | 0.168 | 11 - | 241 рік | IT 100% |
| 95-Am-242 | 147 | 0.049 | 5 - | 141 рік | SF<4.47·10 -9 %, IT 99.55%, α 0.45% |
| 50-Sn-121 | 71 | 0.006 | 11/2 - | 43.9 років | IT 77.60%, β - 22.40% |
| 72-Hf-178 | 106 | 2.446 | 16 + | 31 рік | IT 100% |
| 41-Nb-93 | 52 | 0.031 | 1/2 - | 16.13 років | IT 100% |
| 48-Cd-113 | 65 | 0.264 | 11/2 - | 14.1 років | β - 99.86%, IT 0.14% |
| 45-Rh-102 | 57 | 0.141 | 6 + | ≈2.9 років | е 99.77%, IT 0.23% |
| 99-Es-247 | 148 | 625 днів | α |
ІЗОМЕРІЯ АТОМНИХ ЯДЕР, існування в деяких атомних ядер поряд з основним станом довгоживучих (метастабільних) збуджених станів, званих ізомерними. Історично до ізомерних відносять стани з часом життя, які можуть бути виміряні безпосередньо (більше 0,01 мкс). Явище ізомерії виникає через різку різницю структури сусідніх станів (збудженого та основного), що призводить до значного зменшення ймовірності розпаду збудженого стану (іноді на багато порядків).
Перша вказівка на існування ядерних ізомерів була отримана в 1921 О. Ганом, який виявив серед продуктів розпаду урану радіоактивну речовину, яка при тому самому атомному номері Z і масовому числі А мала два абсолютно різні шляхи радіоактивного розпаду. Однак датою відкриття ізомерії атомних ядер вважається 1935 рік, коли групою радянських вчених під керівництвом І. В. Курчатова було виявлено при опроміненні брому повільними нейтронами утворення трьох радіоактивних ізотопів із різними періодами напіврозпаду.
Згодом з'ясувалося, що це явище досить поширене, відомо вже кілька сотень ізомерних станів, причому в деяких ядер може бути по кілька таких станів. Наприклад, у ядра гафнію з А = 175 виявлено 5 станів із часом життя більше 0,1 мкс.
Неодмінною умовою існування ізомерного стану ядра є наявність будь-якої заборони для радіаційних переходів з ізомерного стану з нижчою енергією. Відомий цілий ряд особливостей ядерної структури, що викликають таку заборону: відмінність кутових моментів (спинів) ізомерного та основного станів, що призводить до радіаційних переходів високої мультипольності, різна орієнтація спинів щодо виділеної осі в ядрі, різна форма ядер в обох станах.
Розпад ізомерних станів зазвичай супроводжується випромінюванням електронів або -квантів, в результаті утворюється те ж ядро, але в стані з меншою енергією. Іноді вірогідніший бета-розпад. Ізомери важких елементів можуть розпадатися шляхом мимовільного поділу. Ізомерні стани ядер з високим ступенем ймовірності спонтанного поділу називають ізомерами, що діляться. Відомо близько 30 ядер (ізотопи U, Pu, Am, Cm, Bk), для яких ймовірність спонтанного поділу в ізомерному стані більша, ніж в основному, приблизно в 10 26 разів.
Ізомерія атомних ядер є важливим джерелом відомостей про структуру атомних ядер; Вивчення ізомерів допомогло встановити порядок заповнення ядерних оболонок. За часами життя ізомерів судять про величини заборон для радіаційних переходів та їх зв'язок із ядерною структурою.
Ядерні ізомери знаходять і практичне застосування. Наприклад, в активаційному аналізі їх освіта у ряді випадків дозволяє досягти більшої чутливості методу. Довгоживучі ядерні ізомери розглядаються як можливі в майбутньому акумулятори енергії.
Корсунський М. І. Ізомерія атомних ядер. М., 1954; Поліканов С. М. Ізомерія форми атомних ядер. М., 1977.
Історичні відомості
Поняття ізомерії атомних ядер виникло в 1921 році, коли німецький фізик О. Ган відкрив нову радіоактивну речовину уран-Z (UZ), яка ні за хімічними властивостями, ні за масовим числом не відрізнялася від відомого вже урану-X2 (UX 2), проте мало інший період напіврозпаду. У сучасних позначеннях, UZ та UX 2 відповідають основному та ізомерному станам ізотопу. У 1935 році Б. В. Курчатовим, І. В. Курчатовим, Л. В. Мисовським та Л. І. Русиновим було виявлено ізомер штучного ізотопу брому 80 Br, що утворюється поряд з основним станом ядра при захопленні нейтронів стабільним 79 Br. Це поклало основу систематичного вивчення цього явища.
Теоретичні відомості
Ізомерні стани відрізняються від звичайних збуджених станів ядер тим, що ймовірність переходу в усі нижчележачі стани для них сильно пригнічена правилами заборони спини та парності. Зокрема, пригнічені переходи з високою мультипольністю (тобто великою зміною спина, необхідною для переходу в стан нижче) і малою енергією переходу.
Іноді поява ізомерів пов'язане з істотною відмінністю форми ядра в різних енергетичних станах (як 180 Hf).
Найбільший інтерес становлять відносно стабільні ізомери з часом напіврозпаду від 10 -6 с до багатьох років. Ізоміри позначаються буквою m(Від англ. metastable) в індексі масового числа (наприклад, 80 m Br) або у правому верхньому індексі (наприклад, 80 Br m). Якщо нуклід має більше одного метастабільного збудженого стану, вони позначаються в порядку зростання енергії буквами m, n, p, qі далі за алфавітом, або буквою mз додаванням номера: m 1, m 2 і т.д.
Деякі приклади
Примітки
Література
- Л. І. Русінов // Ізомерія атомних ядер. УФН. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630.
- Е. В. Ткаля. // Індукований розпад ядерного ізомеру 178m2 Hf та «ізомерна бомба». УФН. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561.
також
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "Ізомерія атомних ядер" в інших словниках:
- (Від грец. Isos рівний, однаковий і meros частка, частина), існування у деяких ат. ядер метастабільних станів із відносно великими часами життя. Деякі ат. ядра мають дек. ізомерних станів із різними часами життя. Поняття «І. а.… … Фізична енциклопедія
Явище, що полягає у існуванні довгоживучих збуджених (метастабільних) станів атомних ядер. Перехід у збуджений стан відбувається за рахунок? випромінювання чи конверсії внутрішньої … Великий Енциклопедичний словник
Існування в деяких атомних ядер метастабільних станів збуджених станів із відносно великими часами життя (Ядро атомне). Деякі атомні ядра мають кілька ізомерних станів з різними часами життя. Велика радянська енциклопедія
Явище, що полягає у існуванні довгоживучих збуджених (метастабільних) станів атомних ядер. Перехід у незбуджений стан відбувається рахунок γ випромінювання чи конверсії внутрішньої. * * * ІЗОМЕРІЯ АТОМНИХ ЯДЕР ІЗОМІРІЯ АТОМНИХ ЯДЕР,… … Енциклопедичний словник
Явище, що полягає у існуванні довгоживучих збуджених (метастабільних) станів атомних ядер. Перехід у незбуджене стан відбувається рахунок у)гаииа) випромінювання чи конверсії внутрішньої … Природознавство. Енциклопедичний словник
Існування ядер деяких нуклідів у метастабільних збуджених енергетич. станах. Нукліди з метастабільними ядрами позначають латинською буквою тв верх. індекс зліва від масового числа. Так, метастабільний ізомер 236Np позначають 236mNp. І … Хімічна енциклопедія
Явище штучних радіоактивних ізотопів, визначне світове відкриття (1935) російського вченого І. В. Курчатова.
У всі стани для них сильно пригнічена правилами заборони по спину і парності . Зокрема, пригнічені переходи з високою мультипольністю (тобто великою зміною спина, необхідною для переходу в стан нижче) і малою енергією переходу. Іноді поява ізомерів пов'язане з істотною відмінністю форми ядра в різних енергетичних станах (як 180 Hf).
Ізоміри позначаються буквою m(Від англ. metastable ) в індексі масового числа (наприклад, 80 m Br) або у правому верхньому індексі (наприклад, 80 Br m). Якщо нуклід має більше одного метастабільного збудженого стану, вони позначаються в порядку зростання енергії буквами m, n, p, qі далі за алфавітом, або буквою mз додаванням номера: m 1, m 2 і т.д.
Найбільший інтерес становлять відносно стабільні ізомери з часом напіврозпаду від 10 -6 с до багатьох років.
Історія
Поняття ізомерії атомних ядер виникло в 1921 році, коли німецький фізик О. Ган, вивчаючи бета-розпад торію-234, відомого в той час як «Уран-X1» (UX 1), відкрив нову радіоактивну речовину «Уран-Z» (UZ ), яке ні за хімічними властивостями, ні за масовим числом не відрізнялося від відомого вже «урану-X2» (UX 2), проте мало інший період напіврозпаду. У сучасних позначеннях, UZ та UX 2 відповідають ізомерному та основному станам ізотопу 234 Pa . У 1935 році Б. В. Курчатовим, І. В. Курчатовим, Л. В. Мисовським та Л. І. Русиновим було виявлено ізомер штучного ізотопу брому 80 Br, що утворюється поряд з основним станом ядра при захопленні нейтронів стабільним 79 Br. Через три роки під керівництвом І. В. Курчатова було встановлено, що ізомерний перехід брому-80 відбувається в основному шляхом внутрішньої конверсії, а не випромінюванням гамма-квантів. Усе це поклало основу систематичного вивчення цього явища. Теоретично ядерна ізомерія була описана Карлом Вайцзеккером у 1936 році.
Фізичні властивості
Розпад ізомерних станів може здійснюватися шляхом:
- ізомерного переходу в основний стан (випусканням гамма-кванту або за допомогою внутрішньої конверсії);
- бета-розпаду та електронного захоплення;
- спонтанного поділу (для важких ядер);
- випромінювання протона (для високозбуджених ізомерів).
Імовірність конкретного варіанта розпаду визначається внутрішньою структурою ядра та його енергетичними рівнями (а також рівнями ядер – можливих продуктів розпаду).
У деяких галузях значень масових чисел існують т. зв. острови ізомерії (у цих областях ізомери зустрічаються особливо часто). Це пояснюється оболочечной моделлю ядра , яка передбачає існування у непарних ядрах енергетично близьких ядерних рівнів з великою різницею спинів, коли число протонів чи нейтронів близько до магічних числам .
Деякі приклади
також
Примітки
- Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (нім.) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (англ.)російська.: магазин. – 1921. – Bd. 54, Nr. 6 . - S. 1131-1142. - DOI: 10.1002/cber.19210540602.
- D. E. Alburger. Nuclear isomerism// Handbuch der physik/S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - Т. 42: Kernreaktionen III / Nuclear Reactions III. – P. 1.
- J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle викликає par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (фр.) // Comptes rendus (англ.)російська.: magazine. – 1935. – Vol. 200 . - P. 1201-1203.
- , с. 617.
- C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (англ.) // Naturwissenschaften (англ.)російська.: journal. – 1936. – Vol. 24, no. 51 . - P. 813-814.
- Костянтин Мухін.Екзотична ядерна фізика для допитливих // Наука і життя. - 2017. - №4. - С. 96-100.
- G. Audi та ін. NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 1997, vol. 624, page 1-124. Архівована копія (неопр.) (недоступне посилання). Дата звернення 17 березня 2008 року.
Інші ядерні стани. Взагалі термін "метастабільний" зазвичай застосовують до станів з часом життя від 10 -9 секунд і більше.
Зазвичай, час життя цих станів набагато більше, ніж зазначена межа, і може становити хвилини, години, і (в одному випадку 180m Ta) приблизно 10-15 років.
1. Ядра
Ядра ядерних ізомерів знаходяться у високому енергетичному стані, ніж незбуджені ядра, що знаходяться в так званому основному стані. У збудженому стані один із нуклонів ядра займає ядерну орбіталь з енергією вище, ніж вільна орбіталь з низькою енергією. Ці стани подібні до станів електронів в атомах.
Інший відомий дуже стабільний ядерний ізомер (з періодом напіврозпаду 31 рік) - це 178m2 Hf, що має найбільшу енергію конверсії з усіх відомих ізомерів із порівнянним часом життя. 1 г цього ізомеру містить 1,33 гігаджоуля енергії, що еквівалентно 315 кг тротилу. Він розкладається шляхом випромінювання гамма-променів з енергією 2,45 MeV. Цей матеріал вважався здатним до вимушеної емісії і розглядалася можливість створення на його основі гамма-лазера. Як кандидати на цю роль розглядалися також інші ізомери, але поки що, незважаючи на активні зусилля, про позитивний результат не повідомлялося.
4. Застосування
Розпад ізомеру, такого як 177m Lu відбувається через каскад енергетичних рівнів ядра, і вважається, що його можна застосувати для створення вибухових речовин та джерел енергії, які були б на кілька порядків потужнішими, ніж традиційні хімічні.
5. Процеси розпаду
Ізомери переходять у стан з нижчою енергією двома основними типами ізомерних переходів
Ізомери також можуть перетворюватися на інші елементи. Наприклад, 177m Lu може понести бета-розпаду з періодом 160,4 діб, перетворюючись на 177 або піддатися внутрішньої конверсії на 177 Lu, який, у свою чергу, відчуває бета-розпаду на 177 Hf з періодом напіврозпаду 6,68 діб.
також.
6. References
- CB Collins et al. Depopulation of isomeric state 180 Ta m by reaction 180 Ta m (γ, γ ") 180 Ta // Phys. Rev. C.– Т. 37. – (1988) С. 2267-2269. DOI: 10.1103/PhysRevC.37.2267 .
- D. Belic et al. Photoactivation of 180 Ta m and Its Implications for Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope // Phys. Rev. Lett.. - Т. 83. - (1999) (25) С. 5242. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
- "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission" . UNH Nuclear Physics Group. 1997. Архів