Izomeria nucleelor ​​atomice

Izomeria nucleelor ​​atomice  este fenomenul de existență a stărilor excitate metastabile (izomerice) în nucleele atomilor cu o durată de viață suficient de lungă .

Stările izomerice diferă de stările excitate obișnuite ale nucleelor ​​prin aceea că probabilitatea de tranziție la toate stările subiacente pentru ele este puternic suprimată de regulile de excludere de spin și paritate . În special, tranzițiile cu o multipolaritate ridicată (adică o schimbare mare de spin necesară pentru o tranziție la starea de bază) și o energie de tranziție scăzută sunt suprimate. Uneori, apariția izomerilor este asociată cu o diferență semnificativă în forma nucleului în diferite stări de energie (ca în 180 Hf).

Izomerii sunt desemnați prin litera m (din engleză  metastable ) în indicele numărului de masă (de exemplu, 80 m Br). Dacă nuclidul are mai mult de o stare excitată metastabilă, acestea sunt notate în ordinea creșterii energiei cu literele m , n , p , q și în continuare alfabetic, sau cu litera m cu adăugarea unui număr: m 1, m 2 , etc.

De cel mai mare interes sunt izomerii metastabili cu timpi de înjumătățire de la 10-6 s la mulți ani.

Istorie

Conceptul de izomerie a nucleelor ​​atomice a apărut în 1921 [1] , când fizicianul german O. Hahn , studiind dezintegrarea beta a toriului-234 , cunoscut la acea vreme sub numele de „uranium-X1” (UX 1 ), a descoperit un nou radioactiv substanța „uraniu-Z” (UZ), care nici ca proprietăți chimice și nici ca număr de masă nu diferă de deja cunoscutul „uraniu-X2” (UX 2 ), dar a avut un timp de înjumătățire diferit. În notația modernă, UZ și UX 2 corespund stărilor izomerice și fundamentale ale izotopului de 234 Pa [2] . În 1935 [3] B. V. Kurchatov , I. V. Kurchatov , L. V. Mysovsky și L. I. Rusinov au descoperit un izomer al izotopului artificial de brom 80 Br, care se formează împreună cu starea fundamentală a nucleului atunci când neutronii sunt capturați de stabilul 79 Br . Trei ani mai târziu, sub conducerea lui I. V. Kurchatov, s-a constatat că tranziția izomeră a bromului-80 are loc în principal prin conversie internă și nu prin emisia de cuante gamma [4] . Toate acestea au pus bazele unui studiu sistematic al acestui fenomen. Teoretic, izomeria nucleară a fost descrisă de Karl Weizsäcker în 1936 [5] [6] .

Proprietăți fizice

Durata de viață a stărilor izomerice depășește fracțiuni de microsecundă (și poate fi măsurată în ani), în timp ce durata de viață tipică a stărilor excitate nonizomerice este de ordinul picosecundelor sau mai puțin. Nu există nicio diferență naturală, cu excepția duratei de viață, între cele două: granița dintre stările excitate izomerice și nonizomerice ale nucleului este o chestiune de acord. Astfel, în cartea de referință privind proprietățile izotopilor Nubase1997 [7] , stărilor excitate cu un timp de înjumătățire mai mare de 1 ms sunt atribuite izomerilor, în timp ce în versiunile mai noi ale acestei cărți de referință Nubase2003 [8] și Nubase2016 [9] ] li se adaugă stări cu un timp de înjumătățire de aproximativ 100 ns . și mai mult. În 2016, sunt cunoscuți doar 3437 de nuclizi, dintre care 1318 nuclizi au una sau mai multe stări izomerice cu un timp de înjumătățire care depășește 100 ns [9] .

Dezintegrarea stărilor izomerice poate fi realizată prin:

• tranziția izomeră la starea fundamentală (prin emisia unui cuantic gamma sau prin conversie internă );
• dezintegrare alfa ;
• dezintegrarea beta și captarea electronilor ;
• fisiune spontană (pentru nuclee grele);
• radiația de protoni (pentru izomerii foarte excitați).

Probabilitatea unei anumite opțiuni de dezintegrare este determinată de structura internă a nucleului și de nivelurile sale de energie (precum și de nivelurile nucleelor ​​- posibili produși de dezintegrare).

În unele zone ale valorilor numerelor de masă, există așa-numitele. insule de izomerie (izomerii sunt deosebit de frecventi în aceste zone). Acest fenomen este explicat prin modelul învelișului nuclear , care prezice existența în nuclee impare a unor niveluri nucleare apropiate energetic, cu o diferență mare de spini, atunci când numărul de protoni sau neutroni este aproape de numerele magice .

Câteva exemple

• Izomerul tantal-180 ( 180m Ta) este singurul izomer stabil (în limita sensibilității tehnicilor moderne). Spre deosebire de radionuclizii radio- sau cosmogenici de scurtă durată , ea a existat în scoarța terestră de la formarea sa, prezentând în tantal natural într-un raport de 1 la 8300. Deși 180 m Ta se poate degrada teoretic în cel puțin trei moduri ( tranziția izomerului , beta- minus dezintegrare , captură de electroni ), dintre care niciuna nu a fost detectată experimental; limita inferioară a timpului său de înjumătățire  este de 7,1⋅10 15 ani [9] . În același timp, starea fundamentală a 180 Ta este beta-activă cu un timp de înjumătățire de 8,154(6) ore [9] . Spinul și paritatea stării fundamentale sunt 1 + , izomerul este 9 − [8] . Datorită diferenței mari dintre spinurile stărilor și apropierea energiilor lor (nivelul izomer se află deasupra stării fundamentale cu 75,3(14) keV [9] ), tranziția izomeră este extrem de puternic suprimată. Este de așteptat ca 180 m Ta, ca orice alt izomer nuclear, să poată fi transferați artificial în starea fundamentală prin emisie stimulată , atunci când sunt iradiați cu raze gamma cu o energie exact egală cu diferența dintre energiile stării excitate și ale stării fundamentale.

• În seria radioactivă naturală a uraniului-238 , există un izomer al protactiniului-234 234m Pa (timp de înjumătățire 1,159(11) minute [9] ).

• Un nivel metastabil foarte jos de 235 m U (timp de înjumătățire 25,7(1) minute [9] ) a fost găsit în nucleul de uraniu-235 , la doar 76,0(4) electronvolți distanță de nivelul principal [9] .

• Izomerul de hafniu-178 178m2 Hf are un timp de înjumătățire de 31(1) ani [9] (subindicele 2 înseamnă că există și un izomer inferior de 178m1 Hf). Are cea mai mare energie de excitație dintre izomerii cu un timp de înjumătățire mai mare de un an. Trei kilograme de 178 m2 Hf pur conțin aproximativ 4 TJ de energie, ceea ce este echivalent cu o kilotonă de TNT . Toată această energie este eliberată sub formă de raze gamma în cascadă și electroni de conversie cu o energie de 2446 keV pe nucleu. Ca și în cazul 180m Ta, se discută posibilitatea de a transfera artificial 178m2 Hf la starea fundamentală. Rezultatele obținute (dar neconfirmate în alte experimente) indică o eliberare foarte rapidă de energie (putere de ordinul exwaților). Teoretic , izomerii de hafniu pot fi folosiți atât pentru a crea lasere gamma , dispozitive de stocare a energiei, cât și pentru a dezvolta arme nucleare destul de puternice care să nu creeze contaminare radioactivă a zonei. Cu toate acestea, perspectivele aici rămân în general destul de vagi, deoarece nici lucrările experimentale, nici teoretice pe această problemă nu oferă răspunsuri fără ambiguitate, iar producția de cantități macroscopice de 178 m2 Hf, odată cu dezvoltarea modernă a tehnologiei, este practic inaccesibilă [10] .

• Izomerul iridiu-192 192m2 Ir are un timp de înjumătățire de 241(9) ani și o energie de excitație de 168,14(12) keV [9] . Uneori se propune utilizarea acestuia în aceleași scopuri ca izomerul hafniu-178 178m2 Hf.

• Cel mai mare număr de izomeri (șase fiecare, fără a număra starea fundamentală) a fost găsit în izotopii tantal -179 ( 179 Ta) și radiu -214 ( 214 Ra) [9] .

Vezi și

• Element chimic
• Nuclid
• Izotop

Note

1. ↑ Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran  (germană)  // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : magazin. - 1921. - Bd. 54 , nr. 6 . - S. 1131-1142 . - doi : 10.1002/cber.19210540602 .
2. ↑ D.E. Alburger. Izomerie nucleară // Handbuch der physik / S. Flugge. - Springer-Verlag, 1957. - P. 1.
3. ↑ JV Kourtchatov, BV Kourtchatov, LV Misowski, LI Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron  (franceză)  // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences :revistă. - 1935. - Vol. 200 . - P. 1201-1203 .
4. ↑ Rusinov, 1961 , p. 617.
5. ↑ C. von Weizsacker. Metastabile Zustände der Atomkerne  (engleză)  // Naturwissenschaften : jurnal. - 1936. - Vol. 24 , nr. 51 . - P. 813-814 .
6. ↑ Konstantin Mukhin. Fizică nucleară exotică pentru curioși  // Știință și viață . - 2017. - Nr 4 . - S. 96-100 . (Rusă)
7. ↑ G. Audi și colab. Evaluarea NUBASE a proprietăților nucleare și de dezintegrare. Fizica nucleară A, 1997, voi. 624, pag. 1–124. Copie arhivată (link indisponibil) . Consultat la 17 martie 2008. Arhivat din original pe 4 mai 2006. (nedefinit) 
8. ↑ 1 2 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties  // Nuclear Physics A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - Cod biblic .
9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Evaluarea Nubase2016 a proprietăților nucleare  // Chinese Physics C  . - 2017. - Vol. 41 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - Cod .
10. ↑ Tkalya E. V. Induced decay of the 178m2 Hf nuclear izomer and the “izomer bomb” // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 2005. - T. 175, nr. 5. - S. 555-561.

Literatură

• Rusinov L. I. Izomerismul nucleelor ​​atomice // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 1961. - T. 73, nr. 4. - S. 615-630.

Link -uri

• Limita stabilității protonilor a nucleelor ​​se poate dovedi a fi destul de neclară Copie de arhivă din 11 martie 2014 pe Wayback Machine
• Eșecul teoretic al bombei cu hafniu este dovedit. Copie de arhivă din 10 martie 2014 pe Wayback Machine

Dicționare și enciclopedii	Rusă mare Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	GND : 4163609-0