Ядерный изомер
Ядерная физика |
---|
— Ядерный изомер это метастабильное состояние атомного ядра , в котором один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают уровни возбужденного состояния (более высокой энергии). «Метастабильные» описывают ядра, период полураспада которых в возбужденных состояниях в 100–1000 раз превышает период полураспада возбужденных ядерных состояний, которые распадаются с «мгновенным» периодом полураспада (обычно порядка 10 −12 секунды). 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» гамма-излучения . периода полураспада [1] Иногда период полураспада намного дольше и может длиться минуты, часы или годы. Например, 180 м
73 Та
ядерный изомер сохраняется так долго (не менее 10 15 лет), что никогда не наблюдалось его самопроизвольного распада. Период полураспада ядерного изомера может даже превышать период полураспада основного состояния того же нуклида, как показано 180 м
73 Та
а также 186 м
75 Ре
, 192м2
77 ИК
, 210 м
83 Би
, 212 м
84 По
, 242 м
95 утра
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 как 234 м
91 Па
/ 234
91 Па
) был открыт Отто Ханом в 1921 году. [2]
Ядра ядерных изомеров
[ редактировать ]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. гораздо более сильный тип энергии связи — ядерная энергия связи Однако в ядерных процессах участвует . Из-за этого большинство ядерных возбужденных состояний распадаются за счет излучения гамма-лучей . Например, хорошо известный ядерный изомер, используемый в различных медицинских процедурах, — это 99 м
43 Тк
, 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
73 Та
имеет спин 9 и должен подвергнуться гамма-распаду до 180
73 Та
со спином 1. Аналогично, 99 м
43 Тк
имеет спин 1/2 и должен подвергнуться гамма-распаду до 99
43 Тк
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 снятия возбуждения 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 со скоростью полураспада в основном состоянии, рассчитав так называемый коэффициент выхода изомеров . [3]
Метастабильные изомеры
[ редактировать ]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 в виде спинового изомера , 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 обозначается 58м1
27 Ко
, 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. Возрастающие индексы m1, m2 и т. д. коррелируют с увеличением уровня энергии возбуждения, запасенной в каждом из изомерных состояний (например, гафний-178m2 или 178м2
72 гф
).
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 или 240ф
94 Пу
.
Почти стабильные изомеры
[ редактировать ]Большинство ядерных возбужденных состояний очень нестабильны и «сразу» излучают лишнюю энергию после существования порядка 10 −12 секунды. В результате характеристика «ядерный изомер» обычно применяется только к конфигурациям с периодом полураспада 10 −9 секунд или дольше. Квантовая механика предсказывает, что некоторые виды атомов должны обладать изомерами с необычайно долгим 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, является 180 м
73 Та
, 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 в 180
Облицовка
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 году CB Collins. [4] что теоретически 180 м
Облицовка
может быть вынужден высвободить свою энергию более слабыми рентгеновскими лучами, хотя в то время этот механизм снятия возбуждения никогда не наблюдался. Однако девозбуждение 180 м
Облицовка
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
72 гф
- еще один достаточно стабильный ядерный изомер. Он обладает периодом полураспада 31 год и самой высокой энергией возбуждения среди всех сравнительно долгоживущих изомеров. Один грамм чистого 178м2
хф
содержит примерно 1,33 гигаджоуля энергии, что эквивалентно взрыву около 315 кг (700 фунтов) тротила . При естественном распаде 178м2
хф
, энергия выделяется в виде гамма-лучей с общей энергией 2,45 МэВ. Как и в случае с 180 м
Облицовка
, имеются спорные сообщения о том, что 178м2
хф
можно стимулировать к высвобождению его энергии. Благодаря этому вещество изучается как возможный источник для лазеров гамма-излучения . Эти отчеты показывают, что энергия высвобождается очень быстро, так что 178м2
хф
может производить чрезвычайно большую мощность (порядка эксаватт ). Другие изомеры также исследовались как возможные среды для стимулированного гамма-излучением излучения . [1] [6]
гольмия Ядерный изомер 166м1
67 Хо
имеет период полураспада 1200 лет, что является почти самым продолжительным периодом полураспада среди всех радионуклидов гольмия. Только 163
К
, с периодом полураспада 4570 лет, более стабилен.
229
90 тыс.
имеет удивительно низколежащий метастабильный изомер, расположенный всего на 8,355 74 (3) эВ выше основного состояния. [7] Низкая энергия изомера производит «гамма-лучи» с длиной волны 148,3821(5) нм в дальнем ультрафиолете , что позволяет проводить прямую ядерную лазерную спектроскопию . Однако такая сверхточная спектроскопия не может начаться без достаточно точной первоначальной оценки длины волны, что было достигнуто только в 2024 году после двух десятилетий усилий. [8] [9] [10] [11] [12] В сочетании с удобным периодом полураспада 1740 ± 50 с , [7] это позволяет разработать ядерные часы беспрецедентной точности. [13] [14]
Высокоспиновое подавление распада
[ редактировать ]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 на наиболее распространенную величину, составляющую 1 квант. единица ħ спина углового момента . 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. [15] Наибольшее известное изменение спина на 8 единиц происходит при распаде 180 м Ta, что подавляет его распад в 10 раз. 35 от связанного с 1 ед. Вместо естественного периода полураспада при гамма-распаде, равного 10 −12 секунд, период полураспада более 10 23 секунд или хотя бы 3 × 10 15 лет, и, таким образом, до сих пор не наблюдалось распада.
Гамма-излучение невозможно, когда ядро начинается в состоянии с нулевым спином, поскольку такое излучение не сохраняет угловой момент. [ нужна ссылка ]
Приложения
[ редактировать ]Гафний [16] [17] изомеры (в основном 178м2 Hf) рассматривались как оружие, которое можно использовать для обхода Договора о нераспространении ядерного оружия , поскольку утверждается, что их можно заставить излучать очень сильное гамма-излучение . Это утверждение обычно не принимается во внимание. [18] У DARPA была программа по исследованию использования обоих ядерных изомеров. [19] 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. [20]
технеция Изомеры 99 м
43 Тк
(с периодом полураспада 6,01 часа) и 95 м
43 Тк
(с периодом полураспада 61 день) используются в медицине и промышленности .
Ядерные батареи
[ редактировать ]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 P-типа и N-типа кремния . 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. Текущие кандидаты для такого использования включают 108 В , 166 В , 177 Лу и 242 Являюсь . По состоянию на 2004 год единственным успешно запущенным изомером был 180 м Ta , для срабатывания которого требовалось больше энергии фотонов, чем было высвобождено. [21]
Такой изотоп, как 177 Лу испускает гамма-лучи в результате распада через ряд внутренних энергетических уровней внутри ядра, и считается, что, изучив сечения запуска с достаточной точностью, можно будет создать запасы энергии, равные 10 6 раз более концентрированный, чем фугасный или другой традиционный химический накопитель энергии. [21]
Процессы распада
[ редактировать ]Изомерный переход или внутренний переход (IT) — это распад ядерного изомера в ядерное состояние с более низкой энергией. Реальный процесс имеет два типа (режима): [22] [23]
- γ (гамма-излучение) (испускание фотона высокой энергии),
- внутренняя конверсия (энергия используется для выброса одного из электронов атома).
Изомеры могут распадаться на другие элементы, хотя скорость распада у разных изомеров может различаться. Например, 177 м Лу может бета-распасться до 177 Hf с периодом полураспада 160,4 дня или может подвергаться изомерному переходу в 177 Lu с периодом полураспада 160,4 дня, который затем бета-распадает до 177 Hf с периодом полураспада 6,68 дней. [21]
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 подобен 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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ Хан, Отто (1921). «О новом продукте радиоактивного распада урана» . Естественные науки . 9 (5): 84. Бибкод : 1921NW......9...84H . дои : 10.1007/BF01491321 . S2CID 28599831 .
- ^ 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 .
- ^ CB Коллинз; и др. (1988). «Депопуляция изомерного состояния 180 Облицовка м по реакции 180 Облицовка м (с, с') 180 Ta» (PDF) . Physical Review C. 37 ( 5): 2267–2269. Bibcode : 1988PhRvC..37.2267C . doi : 10.1103/PhysRevC.37.2267 . PMID 9954706. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2019 г.
- ^ Д. Белич; и др. (1999). «Фотоактивация 180 Облицовка м и его значение для нуклеосинтеза самого редкого встречающегося в природе изотопа». Physical Review Letters . 83 (25): 5242–5245. Бибкод : 1999PhRvL..83.5242B . doi : 10.1103/PhysRevLett.83.5242 .
- ^ «Исследователи UNH ищут стимулированное гамма-излучение» . Группа ядерной физики UNH . 1997. Архивировано из оригинала 5 сентября 2006 года . Проверено 1 июня 2006 г.
- ^ Jump up to: а б Тидау, Дж.; Охапкин М.В.; Чжан, К.; Тилкинг, Дж.; Зитцер, Г.; Пейк, Э.; Шаден, Ф.; Пронебнер, Т.; Моравец, И.; Де Кол, Л. Тоскани; Шнайдер, Ф.; Лейтнер, А.; Пресслер, М.; Казаков Г.А.; Бикс, К. (29 апреля 2024 г.). «Лазерное возбуждение ядра Th-229» . Письма о физических отзывах . 132 (18) 182501. doi : 10.1103/PhysRevLett.132.182501 .
- ^ фон дер Венсе, Ларс; Зайферле, Бенедикт; Лаатиауи, Мустафа; Ноймайр, Юрген Б.; Майер, Ханс-Йорг; Вирт, Ганс Фридрих; Мокри, Кристофер; Рунке, Йорг; Эберхардт, Клаус; Дюльманн, Кристоф Э.; Траутманн, Норберт Г.; Тирольф, Питер Г. (5 мая 2016 г.). «Прямое обнаружение 229 Переход ядерных часов» . Nature . 533 (7601): 47–51. arXiv : 1710.11398 . Bibcode : ...47V . doi : 10.1038/nature17669 . PMID 27147026. 2016Natur.533 S2CID 205248786 .
- ^ «Результаты по 229 м Торий опубликован в журнале «Nature » (Пресс-релиз). Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана . 6 мая 2016. Архивировано из оригинала 27 августа 2016. Проверено 1 августа 2016 .
- ^ Зайферле, Б.; фон дер Венсе, Л.; Тирольф, PG (26 января 2017 г.). «Измерение продолжительности жизни 229 Th ядерный изомер». Phys. Rev. Lett . 118 (4) 042501. arXiv : 1801.05205 . doi : /PhysRevLett.118.042501 . PMID 28186791. 10.1103 S2CID 37518294 .
- ^ 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 229 м Th". Nature . 556 (7701): 321–325. : 1709.05325 . doi : 10.1038 /s41586-018-0011-8 . PMID 29670266. . S2CID 4990345 arXiv
- ^ 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 Переход ядерных часов». Nature . 573 (7773): 243–246. : 1905.06308 . doi : 10.1038 /s41586-019-1533-4 . PMID 31511684. . S2CID 155090121 arXiv
- ^ Пейк, Эккехард; Тамм, Кристиан (15 января 2003 г.). «Ядерная лазерная спектроскопия перехода 3,5 эВ в 229 Th" (PDF) . Europhysical Letters . 61 (2): 181–186. Бибкод : 2003EL.....61..181P . doi : 10.1209/epl/i2003-00210-x . S2CID 250818523. Архивировано из оригинала . (PDF) 16 декабря 2013 г. Проверено 12 сентября 2019 г. .
- ^ Кэмпбелл, К.; Раднаев А.Г.; Кузьмич А.; Дзуба, В.А.; Фламбаум, В.В.; Деревянко А. (22 марта 2012 г.). «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 . ПМИД 22540568 . S2CID 40863227 .
- ^ Леон ван Доммелен, Квантовая механика для инженеров. Архивировано 5 апреля 2014 года в Wayback Machine (глава 14).
- ^ Дэвид Хэмблинг (16 августа 2003 г.). «Гамма-оружие» . Рейтер ЭврекАлерт . Новый учёный . Проверено 12 декабря 2010 г.
- ^ Джефф Хехт (19 июня 2006 г.). «Извращенная военная стратегия» . Новый учёный . Проверено 12 декабря 2010 г.
- ^ Дэвидсон, Сэй. «Супербомба разжигает научный спор» . Архивировано из оригинала 10 мая 2005 года.
{{cite web}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ) - ^ С. Вайнбергер (28 марта 2004 г.). «Страшные вещи приходят в маленьких упаковках» . Вашингтон Пост . Архивировано из оригинала 23 августа 2011 года.
- ^ «Супербомба разжигает научный спор» . Хроники Сан-Франциско . 28 сентября 2003 г. Архивировано из оригинала 15 июня 2012 г.
- ^ Jump up to: а б с М. С. Литц и Г. Меркель (декабрь 2004 г.). «Контролируемое извлечение энергии из ядерных изомеров» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г.
- ^ Дорогой, Дэвид. «изомерный переход» . Энциклопедия науки . Проверено 16 августа 2019 г.
- ^ 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
[ редактировать ]- Исследовательская группа, представившая первоначальные заявления о контроле девозбуждения ядерного изомера гафния. Архивировано 25 февраля 2009 года в Wayback Machine — Центре квантовой электроники Техасского университета в Далласе.
- Отчет JASON Defense Advisory Group о высокоэнергетических ядерных материалах, упомянутых в статье Washington Post выше.
- Бертрам Шварцшильд (май 2004 г.). «Противоречивые результаты по долгоживущему ядерному изомеру гафния имеют более широкие последствия» . Физика сегодня . Том. 57, нет. 5. С. 21–24. Бибкод : 2004PhT....57e..21S . дои : 10.1063/1.1768663 . требуется вход в систему?
- Уверенность в срабатывании изомера гафния в 2006 году. – Центр квантовой электроники, Техасский университет в Далласе.
- Перепечатки статей о ядерных изомерах в рецензируемых журналах. – Центр квантовой электроники Техасского университета в Далласе.