Изомерия на атомните ядра. Ядрена изомерия "ядрена изомерия" в книгите

Историческа информация

Концепцията за изомерията на атомните ядра възниква през 1921 г., когато немският физик О. Хан открива ново радиоактивно вещество уран-Z (UZ), което не се различава нито по химични свойства, нито по масово число от вече известния уран-X2 ( UX 2), обаче имаше различен полуживот. В съвременните обозначения UZ и UX 2 съответстват на основното и изомерното състояние на изотопа. През 1935 г. Б. В. Курчатов, Л. В. Мисовски и Л. И. Русинов откриват изомер на изкуствен бром 80 Br, образуван заедно с основното състояние на ядрото при улавяне на неутрони от стабилен 79 Br. Това постави основата за систематично изследване на това явление.

Теоретична информация

Изомерните състояния се различават от обикновените възбудени състояния на ядрата по това, че вероятността за преход към всички основни състояния за тях е силно потисната от правилата за изключване на спина и паритета. По-специално, преходи с висока мултиполярност (тоест голяма промяна на въртенето, необходима за преход към основното състояние) и ниска енергия на прехода се потискат.

Понякога появата на изомери е свързана със значителна разлика във формата на ядрото в различни енергийни състояния (както при 180 Hf).

Най-голям интерес представляват относително стабилни изомери с полуживот от 10 -6 секунди до много години. Изомерите се обозначават с буквата м(от английски метастабилен) в индекса на масовото число (например 80 м Br) или в горния десен индекс (например 80 Br м). Ако даден нуклид има повече от едно метастабилно възбудено състояние, те се обозначават по ред на увеличаване на енергията с буквите м, н, стр, ри по-нататък по азбучен ред или по букви мс добавен номер: м 1, м 2 и т.н.

Няколко примера

Бележки

Литература

Л. И. Русинов // Изомерия на атомните ядра. UFN. 1961. Т. 73. № 4. С. 615-630.
Е. В. Ткаля. // Индуциран разпад на ядрения изомер 178m2 Hf и „изомерната бомба“. UFN. 2005. Т. 175. № 5. С. 555-561.

Вижте също

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е „Изомерия на атомните ядра“ в други речници:

- (от гръцки isos равен, идентичен и meros дял, част), съществуването на определен при. ядра на метастабилни състояния с относително дълъг живот. Някои при. ядрата имат няколко изомерни състояния с различен живот. Концепцията за „Аз. А.…… Физическа енциклопедия

Явление, състоящо се в съществуването на дълготрайни възбудени (метастабилни) състояния на атомните ядра. Преходът към невъзбудено състояние се дължи на? радиация или вътрешно преобразуване... Голям енциклопедичен речник

Съществуването на метастабилни състояния на възбудени състояния с относително дълъг живот в някои атомни ядра (виж Атомно ядро). Някои атомни ядра имат няколко изомерни състояния с различен живот.... ... Велика съветска енциклопедия

Явление, състоящо се в съществуването на дълготрайни възбудени (метастабилни) състояния на атомните ядра. Преходът към невъзбудено състояние възниква поради γ радиация или вътрешно преобразуване. * * * ИЗОМЕРИЯ НА АТОМНИ ЯДРА ИЗОМЕРИЯ НА АТОМНИ ЯДРА,... ... енциклопедичен речник

Явление, състоящо се в съществуването на дълготрайни възбудени (метастабилни) състояния на атомните ядра. Преходът към невъзбудено състояние се дължи на y)gaia) излъчване или преобразуване на вътрешни ... Естествени науки. енциклопедичен речник

Съществуването на ядра на определени нуклиди в метастабилна възбудена енергия. държави. Нуклидите с метастабилни ядра се обозначават с латинската буква tv top. индекс вляво от масовото число. Така метастабилният изомер 236Np е означен като 236mNp. И … Химическа енциклопедия

Феноменът на изкуствените радиоактивни изотопи, изключително световно откритие (1935 г.) на руския учен И. В. Курчатов.

ИЗОМЕРИЯ ЯДРЕНА- съществуването на определени ядра, заедно с основното състояние, на доста дълготрайни (метастабилни) възбудени състояния, т.нар. изомерен. Феномен I. I. е открит през 1921 г. от О. Хан, който открива радиоакт. вещество, което той нарече уран Z (UZ), което имаше същото атомно число Z и масово число А, като друг радиоактив, веществото UX 2, но се различаваше от него по своя полуживот. И двете вещества са продукти на p-разпадането на един и същ елемент UX 1 (234 90 Th). По-късно се оказа, че UZ и UX 2 са основното и изомерното състояние на ядрото 234 91 Pa (изомерното състояние се обозначава с индекса T, напр. 234m 91 Ra). През 1935 г. И.В.Курчатов, Л.В.Мисовски и Л.И.Русинов откриват, че при облъчване с неутрони се образува радиоакт. изотоп 80 35 Br, имащ две, които съответстват на разпадане от основно и изомерно състояние. По-нататъшни изследвания разкриват голям брой изомерни състояния на ядра с разлагане. полуживот от 3. 10 6 години (210m Bi) до няколко. mks и дори не. Мн. ядрата имат 2 и примерно 160 Но има 4 изомерни състояния. Причината аз. е отслабване на вероятността за излъчване на гама лъчи от възбудено състояние (вж. Гама радиацияТова обикновено се случва, когато малка преходна енергия се комбинира с голяма разлика в стойностите на моментите на броя на движенията I (ъглови моменти) от началото. и крайни състояния. Колкото по-висока е мултиполярността и колкото по-ниска е енергията на hw прехода, толкова по-малка е вероятността за y-преход. В някои случаи отслабването на вероятността за излъчване на g-кванти се обяснява с по-сложни структурни характеристики на състоянията на ядрото, между които се извършва преход (различни структури на ядрото в изомерни и подлежащи състояния). На фиг. Фигури 1 и 2 показват фрагменти от схемите на разлагане за изомерите 234m 91 Pa и 80m 35 Br. В случая на протактиния, причината за I. i. е ниска енергия и висока мултиполярност EZ ж-преход. Толкова е трудно, че в преобладаващото мнозинство от случаите изомерът претърпява b-разпадане (вж. Бета разпадядра). За определени изомери изомерният преход често става напълно ненаблюдаем. В случай на 80m 35 Vr I. I. се дължи на g-прехода на многополярността на МС. Ядрото от изомерното състояние (I p = 5 -) преминава в по-ниско енергийно състояние (2 -), което за кратко време преминава в основното състояние. ядрена държава 80 35 Br. В случая на ядрото 242 Am (фиг. 3) I. i. свързан с g-прехода на мултиполярността E4.

Ориз. 1. Схема на разпадане на изомера 234m 91 Ra. Основното (0) и изомерното състояние са подчертани с дебели линии; отляво са стойностите на спиновете и паритетите (I p), отдясно са многополярността, енергиите на нивото (в keV) и полуживотите; Вероятностите за различни канали на ядрен разпад от изомерното състояние са дадени в %.

Изомерното състояние се разпада главно чрез g-прехода, но в 5 от 1000 случая се наблюдава алфа разпадВ дадените примери изомерните преходи са придружени в повечето случаи от емисия на конверсионни електрони, а не от g кванти (виж Фиг. Вътрешно преобразуване).

Ориз. 2. Схема на разлагането на 80m 35 Br изомера; E.Z - електронно улавяне.

Ориз. 3. Схема на разпадане на 242m 95 Am.

Голям брой изомерни преходи на мултиполярност M4 се наблюдават по време на „разреждането“ на възбудени състояния на нечетни ядра, когато броят на протоните или неутроните се доближава до магическото число. числа (острови на изомерията). Това е обяснено черупков модел на ядрото, като следствие от запълването на съседни състояния g 9/2 и p 1/2, както и h 11/2 и d 3/2 (g, p, h, d- обозначения на орбиталните моменти на нуклоните, индексите за тях са спиновите стойности).

Ориз. 4. Схема на разпадане на 180m 72 Hf.

За разлика от дадените примери, изомерното състояние 180m 72 Hf (фиг. 4) принадлежи към стабилно ядро и има относително висока енергия на възбуждане. Причината за изомерията е силно отслабеният g-преход E1 с енергия 57,6 keV, който се инхибира 10 16 пъти поради структурните разлики между 8 - и 8 + състоянията. През 1962 г. в ОИЯИ е открит нов тип т.е. изомерия на делене. Оказа се, че някои изотопи на трансуранови елементи U, Pu, Am, Cm и Bk имат възбудени състояния с енергия ~2-3 MeV, които се разпадат с

Открито е, че има ядра с еднакви стойности на броя, но с различни периоди на полуразпад. Такива ядра се наричат изомери.

Изследване на явлението ядрена изомерия в изкуствено радиоактивни ядра е извършено от група съветски физици, ръководени от Курчатов и Русинов. Изкуствени

радиоактивност в резултат на облъчване на естествена смес от стабилни изотопи с бавни неутрони. В този случай се образуват два радиоактивни изотопа на брома, химически неотделими един от друг:

Изненадващият резултат от тези експерименти беше откритието не на два, а на три различни периода на полуразпад:

Очевидно е, че един от изотопите се разпада по два начина. Експериментът е модифициран и е облъчен не с неутрони, а с -лъчи, което предизвиква т.нар. ядрен фотоелектричен ефект

Получените бромни изотопи също са -активни и се разпадат по следната схема:

Изследванията показват, че в този случай също се наблюдават не два, а три полуживота:

От сравнение на процесите стана ясно, че именно с изотопа Brzb, образуван и в двата случая, са свързани два полуживота: min и час, които се срещат и в двете серии от експерименти. Беше необходимо да се обясни съществуването на два различни периода на полуразпад за един и същи изотоп.

Допълнителни експерименти показаха, че изомерията се обяснява с наличието на метастабилно състояние в това ядро, т.е. възбудено състояние, от което вероятността за преход към основното състояние е ниска. За да разберете това, помислете

по-подробно диаграмата на ядрения разпад. В резултат на предшестващата ядрена реакция ядрото се появява в силно възбудено състояние.

Ориз. 45. Схема на разпад

Премахването на възбуждането става по два начина: ядрото се прехвърля в основно състояние в рамките на една секунда чрез преход, от който вече възниква емисия на c частици, или ядрото се премества на метастабилно ниво, по-нататъшен преход от който към основата състояние е забранено от правилата за подбор. В резултат на това ядрото е „заседнало“ на метастабилно ниво с продължителност на живота 4,4 часа; Преходът от метастабилно към основно състояние е придружен както от -излъчване, така и от вътрешно електронно преобразуване. Впоследствие преходът от нивото на земята отново става с помощта на -разпад с образуването на .

По този начин наблюдаваме всъщност същия спектър от частици, образувани по време на прехода от основното ниво към основното ниво с един полуживот на мини, но поради забавянето на преходите вътре в бромното ядро възниква ефект което води до два полуживота.

Ядрената изомерия не е рядко явление сред ядрените трансформации. Понастоящем са известни повече от 100 изомера.

Във връзка с описания по-горе феномен на изомерията възниква въпросът: колко време е необходимо на ядрото да премине от възбудено състояние в основно състояние? От какво зависи времето на излъчване? За да го оценим, използваме факта, че енергийната ширина на ниво е мярка за неопределеността на енергията на системата, разположена на това ниво. Времето, през което системата остава в това състояние, може да се оцени от съотношението на неопределеността:

В разглеждания случай стойността и ще бъде средното време на живот на ядрото във възбудено състояние и енергийната ширина на това възбудено ниво. От опит е известно, че ширината на спектралната линия обикновено е от порядъка на , следователно,

(невъзможно е да се измери това време със съществуващите инструменти, докато стойността може да бъде измерена доста точно).

По този начин, обикновено Нека сега разгледаме как можем да обясним наличието на изомери и съществуването на забранени преходи за -лъчение.

На различни нива ядрото, както вече беше споменато, има различни ъглови моменти. Тъй като законът за запазване на ъгловия импулс трябва да бъде изпълнен, по време на прехода разликата между моментите на началното и крайното ниво отнася -кванта. Това определя правилата за избор.

Излъчването, свързано с преструктурирането на системата, се нарича диполно излъчване; -квадруполно излъчване; на октуполно излъчване; като цяло чрез излъчване на многополюс от ред.

Според теорията за такива преходи, разработена от Weidsäcker, -кванти с различна мултиполярност възникват в резултат на различни трептения вътре в ядрото. Някои от тези процеси са свързани с преразпределението на електрическите заряди вътре в ядрото (електрическо диполно, квадруполно и др. лъчение), други с преразпределение на токове или магнитни моменти на нуклоните (магнитно диполно, квадруполно и др. лъчение). моменти на началното състояние на ядрото и крайното състояние на ядрото и момента, отнесен от -кванта, трябва да има връзка

От класическата електродинамика обаче е известно, че ако размерите на системата са малки в сравнение с X, тогава интензитетите на излъчване на различни мултиполярности се различават до степента на фактора (по този начин радиусът на ядрото, K е дължината на вълната на радиация).

ИЗОМЕРИЯ НА АТОМНИ ЯДРА, съществуването на някои атомни ядра, заедно с основното състояние, на дълготрайни (метастабилни) възбудени състояния, наречени изомерни. Исторически, състояния с времена на живот, които могат да бъдат измерени директно (повече от 0,01 μs), се считат за изомерни. Феноменът на изомерията възниква поради рязка разлика в структурата на съседните състояния (възбудени и основни), което води до значително намаляване на вероятността от разпадане на възбуденото състояние (понякога с много порядъци).

Първото указание за съществуването на ядрени изомери е получено през 1921 г. от О. Хан, който открива сред продуктите на разпадане на урана радиоактивно вещество, което с еднакъв атомен номер Z и масово число А има два напълно различни пътя на радиоактивен разпад. За дата на откриване на изомерията на атомните ядра се счита 1935 г., когато група съветски учени, ръководени от И. В. Курчатов, откриват образуването на три радиоактивни изотопа с различен период на полуразпад при облъчване на бром с бавни неутрони.

Впоследствие се оказа, че това явление е доста широко разпространено; вече са известни няколкостотин изомерни състояния и някои ядра могат да имат няколко такива състояния. Например хафниевото ядро с A = 175 има 5 състояния с време на живот по-голямо от 0,1 μs.

Незаменимо условие за съществуването на изомерно състояние на ядрото е наличието на някаква забрана за радиационни преходи от изомерни към състояния с по-ниска енергия. Има редица известни характеристики на ядрената структура, които причиняват такава забрана: разликата в ъгловите моменти (завъртания) на изомерните и основните състояния, водещи до радиационни преходи с висока мултиполюсност, различни ориентации на завъртанията спрямо предпочитана ос в ядрото, различни форми на ядрата в двете състояния.

Разпадането на изомерните състояния обикновено се придружава от излъчване на електрони или γ кванти, което води до образуването на същото ядро, но в състояние с по-ниска енергия. Понякога бета разпадането е по-вероятно. Изомерите на тежките елементи могат да се разпаднат чрез спонтанно делене. Изомерните състояния на ядра с висока вероятност за спонтанно делене се наричат делящи се изомери. Известни са около 30 ядра (изотопи U, Pu, Am, Cm, Bk), за които вероятността от спонтанно делене в изомерно състояние е приблизително 10 26 пъти по-голяма, отколкото в основното състояние.

Изомерията на атомните ядра е важен източник на информация за структурата на атомните ядра; изследването на изомерите помогна да се установи редът на запълване на ядрените черупки. Въз основа на живота на изомерите може да се съди за стойностите на забраните за радиационни преходи и тяхната връзка с ядрената структура.

Ядрените изомери също намират практическо приложение. Например при активационния анализ тяхното формиране в някои случаи позволява да се постигне по-голяма чувствителност на метода. Дългоживеещите ядрени изомери се считат за възможни устройства за съхранение на енергия в бъдеще.

Лит.: Корсунски М.И. Изомерия на атомните ядра. М., 1954; Поликанов С. М. Изомеризъм на формата на атомните ядра. М., 1977.

Във всички основни състояния те са силно потиснати от правилата за забрана на спин и паритет. По-специално, преходи с висока мултиполярност (тоест голяма промяна на въртене, необходима за преход към основното състояние) и ниска енергия на прехода се потискат. Понякога появата на изомери е свързана със значителна разлика във формата на ядрото в различни енергийни състояния (както при 180 Hf).

Изомерите се обозначават с буквата м(от английски metastable) в индекса на масовото число (например 80 м Br) или в горния десен индекс (например 80 Br м). Ако даден нуклид има повече от едно метастабилно възбудено състояние, те се обозначават по ред на увеличаване на енергията с буквите м, н, стр, ри по-нататък по азбучен ред или по букви мс добавен номер: м 1, м 2 и т.н.

Най-голям интерес представляват относително стабилни изомери с полуживот от 10 -6 секунди до много години.

История

Концепцията за изомерията на атомните ядра възниква през 1921 г., когато немският физик О. Хан, изучавайки бета-разпадането на торий-234, известен по това време като "уран-X1" (UX 1), открива ново радиоактивно вещество "уран -Z” (UZ ), който не се различаваше нито по химични свойства, нито по масово число от познатия вече „уран-Х2” (UX 2), но имаше различен период на полуразпад. В съвременните обозначения UZ и UX 2 съответстват на изомерното и основното състояние на изотопа 234 Pa. През 1935 г. Б. В. Курчатов, Л. В. Мисовски и Л. И. Русинов откриват изомер на изкуствен бром 80 Br, образуван заедно с основното състояние на ядрото при улавяне на неутрони от стабилен 79 Br. Три години по-късно под ръководството на И. В. Курчатов е установено, че изомерният преход на бром-80 се осъществява главно чрез вътрешно преобразуване, а не чрез излъчване на гама-кванти. Всичко това постави основата за систематично изследване на това явление. Теоретично ядрената изомерия е описана от Карл Вайцзекер през 1936 г.

Физични свойства

Разлагането на изомерните състояния може да се извърши чрез:

изомерен преход в основно състояние (чрез излъчване на гама квант или чрез вътрешно преобразуване);
бета разпад и улавяне на електрони;
спонтанно делене (за тежки ядра);
протонно лъчение (за силно възбудени изомери).

Вероятността за конкретен вариант на разпадане се определя от вътрешната структура на ядрото и неговите енергийни нива (както и нивата на ядрата - възможни продукти на разпадане).

В някои райони на масова численост има т.нар. острови на изомерията (в тези райони изомерите са особено разпространени). Това явление се обяснява с модела на ядрената обвивка, който предсказва съществуването в нечетните ядра на енергийно близки ядрени нива с големи спинови разлики, когато броят на протоните или неутроните е близо до магически числа.

Няколко примера

Вижте също

Бележки

Ото Хан.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (немски) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Английски)Руски:магазин. - 1921. - Бд. 54, Nr. 6. - С. 1131-1142. - DOI:10.1002/cber.19210540602.
Д. Е. Албургер. Ядрена изомерия// Handbuch der physik / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Ядрени реакции III. - С. 1.
Й. В. Курчатов, Б. В. Курчатов, Л. В. Мисовски, Л. И. Русинов. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (френски) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des sciences" (Английски)Руски: сп. - 1935. - кн. 200. - С. 1201-1203.
, С. 617.
К. фон Вайцзекер. Metastabile Zustände der Atomkerne (английски) // Naturwissenschaften (Английски)Руски: дневник. - 1936. - кн. 24, бр. 51. - С. 813-814.
Константин Мухин.Екзотична ядрена физика за любопитните (руски) // Наука и живот. - 2017. - № 4. - стр. 96-100.
G.Audi и др.Оценката на NUBASE за ядрени и разпадни свойства. Ядрена физика A, 1997, том. 624, стр. 1-124. Архивирано копие (недефиниран) (недостъпна връзка). Посетен на 17 март 2008.