Изомерия атомных ядер

Ядерный изомер - метастабильное состояние атомного ядра, обусловленный возбужденным состоянием одного или нескольких его нуклонов ( протонов или нейтронов). Метастабильными принято называть ядра, период полураспада которых на 2-3 порядка больше, чем время жизни других ядерных состояний. Вообще, термин "метастабильное" обычно применяют к состояниям с временем жизни от 10 -9 секунд и более.

Обычно, время жизни этих состояний гораздо больше, чем указанная граница, и может составлять минуты, часы, и (в одном случае 180m Ta) примерно 10 15 лет.


1. Ядра

Ядра ядерных изомеров находятся в высоком энергетическом состоянии, чем невозбужденных ядра, находящихся в так называемом основном состоянии. В возбужденном состоянии один из нуклонов ядра занимает ядерное орбиталь с энергией выше, чем свободная орбиталь с низкой энергией. Эти состояния подобные состояний электронов в атомах.

Возбужденные атомные состояния лишаются энергии путем флуоресценции обычно излучая волны в диапазоне видимого света или близком к нему. Переход нуклонов с уровня на уровень более энергетический, и сопровождается гамма-излучением. Например, хорошо известный и широко используемый в медицине изомер Tc-99m, имеющий период полураспада около 6 часов, излучает γ-лучи с энергии 140 кэВ.


2. Внутренняя конверсия

Метастабильные изомеры могут также распадаться путем внутренней конверсии - процесса, при котором избыток энергии не излучается γ-лучами, а передается одному из электронов атома. Этот процесс возможен, если атомные электроны способны проникать в ядро. В таком случае, энергия ядра передается этому электрону, в результате чего он приобретает большой скорости и энергии. Для возбужденных ядер известны также другие пути распада.

Есть только один достаточно стабильный естественный ядерный изомер, что существует со времен первичного нуклеосинтеза - изотоп тантала 180m Ta. Этот нуклид имеет очень долгий период полураспада: 10 15 лет.


3. Метастабильные изомеры

Метастабильные изомеры могут быть получены путем ядерного синтеза или иной ядерной реакцией. Ядра, продуцируемых в основном находятся в возбужденном состоянии, и излучают гамма-кванты или конверсионные электроны. Однако иногда случается, что переход к основного состояния происходит не так быстро. Это происходит потому, что спин ядра в возбуждении состоянии, конверсионном интермедиатов и основном состоянии несколько отличаются. Излучение гамма-лучей тормозится, если разница в Спина является существенным, а энергия конверсии мала. В таком случае возбужденное состояние - хорошее кандидат на метастабильнисть.

Метастабильные изомеры - это редкий вид изотопов, обычно обозначают дополнительным индексом "m" (а если изомеров несколько, то m2, m3 и т.д.). Например, Co-58m. Вырастая индексы, m, m2, коррелируют с возрастающим уровнем энергии возбуждения изомерного состояния (например, Hf-177m2).

Отдельным видом метастабильных состояний (изомеров) является изомеры, делящихся или shape isomer. Большинство ядер актиноидов в основном состоянии не являются сферическими, скорее эллипсоидальной, с осью симметрии, является длиннее других, подобно мяч в регби, хотя и менее вытянуты. В некоторых из них квантово-механические состояния могут состоять из такого распределения протонов и нейтронов, что переход к основного состояния затруднено. Система может релаксировать или путем перехода в основное состояние, или путем деления ядра. Иногда вероятность разделения намного выше, чем вероятность перехода к основного состояния. Изомеры, делящихся обычно обозначают буквой "f" вместо "m" например, плутоний -240f или 240f Pu.

Большинство ядер в возбужденном состоянии очень нестабильными и излучают энергию почти мгновенно (за время примерно 10 -12 сек). Термин "метастабильное" применяют для обозначения изомеров с временем жизни более 10 -9 сек. Квантовая механика предполагает, что некоторые ядерные изомеры будут иметь достаточно долгое время жизнь и интересные свойства. Не существует вполне стабильных изомеров, но могут существовать столь стабильные состояния, что ядерные изомеры можно наработать в достаточных количествах.

Наиболее стабильный и распространенный ядерный изомер, встречающийся в природе, это изомер 180m Ta, присутствующий во всех образцах природного тантала в соотношении 1 к 8300. Период его полураспада составляет менее 10 15 лет. Это значительно больше, чем возраст Вселенной. Эта удивительная стабильность обусловлена ​​тем, что энергия конверсии в основного состояния мала, и переход затруднен большой разницей в спину. Интересно, что основное состояние, изотоп 180 Ta неустойчивый, и имеет период полураспада всего 8 часов. Бета-распад изомера в гафния или вольфрама также энергетически ускладенено за счет спиновых особенностей перехода. Происхождение этого изомера является загадкой, но вероятно, он образовался во время вспышек сверхновых, как и большинство тяжелых элементов. Переход этого изомера к основному состоянию сопровождается излучением фотона с энергией 75 keV. 1988 года было впервые сообщено, [1] что Ta-180m можно заставить высвобождать энергию путем облучения рентгеновскими лучами. После 11-летнего дискуссии заявление ученых было подтверждено 1999 Белик и др.. сотрудниками Штутгартской группы ядерной физики (Stuttgart nuclear physics group) [2].

Другой известный очень стабильный ядерный изомер (с периодом полураспада 31 год) - это 178m2 Hf, имеющий наибольшую энергию конверсии из всех известных изомеров с сопоставим временем жизни. 1 г этого изомера содержит 1,33 гигаджоуля энергии, что эквивалентно 315 кг тротила. Он разлагается путем излучения гамма-лучей с енергиею 2,45 MeV. Этот материал считался способным к вынужденной эмиссии, и рассматривалась возможность создания на его основе гамма-лазера. Как кандидаты на эту роль рассматривались также другие изомеры, но пока, несмотря на активные усилия, о положительном результате не сообщалось [3] [4].

Гольмий также интересный изомер, 166m1 Ho, с периодом полураспада 1200 лет, что является самым периодом существования для всех известных радиоизотопов гольмия (более стабильный только Ho-163, имеющий период полураспада 4570).

Торий -229 имеет удивительно низкую энергию перехода к основного состояния - лишь 7,6 ? 0,5 эВ, предусмотренную на основе спектрометрических расчетов. Этот изомер распадается, излучая фотоны из ядра в ультрафиолетовом диапазоне. Эти "ультрафиолетовые гамма-лучи" было зарегистрировано лишь однажды [5], однако, как выяснилось в дальнейшем, ошибочно. Они принадлежали азота в нестандартном состоянии возбуждения [6].


4. Применение

Изомеры гафния [7] [8] и тантала [ ] Рассматривались как кандидаты на материалы для создания мощного оружия, которая могла бы обойти Договор о нераспространении ядерного оружия. DARPA имеет (по крайней мере, мало) программу по исследованию обоих этих ядерных изомеров [9]. Создание материалов, способных к вынужденной эмиссии, сомнительное, но DARPA создало группу из 12 человек для исследования возможности производства этих материалов [10].

Изомер технеция Tc-99m (с периодом полураспада 6,01 часов) и Tc-95m (с периодом полураспада 61 сутки) находят применение в медицине и технике.


4.1. Ядерные электрические батареи

Энергетические уровни ядерного изомера лютеция-177m

Очень перспективным является применение ядерных изомеров для создания ядерных электрических батарей. Ядерные изомеры могут заменить другие изотопы, с перспективой создания батарей, которые будут производить энергию только тогда, когда это необходимо. На эту роль рассматриваются кандидаты 108 Ag, 166 Ho, 177 Lu, and 241 Am. Единственным изомером, где удалось вызвать эффект переключения был 180 Ta, который, к сожалению, нуждался больше энергии для вынужденной эмиссии, чем производил [11].

Распад изомера, такого как 177m Lu происходит через каскад энергетических уровней ядра, и считается, что его можно применить для создания взрывчатых веществ и источников энергии, которые были бы на несколько порядков мощнее, чем традиционные химические [11].


5. Процессы распада

Изомеры переходят в состояние с более низкой энергией двумя основными типами изомерных переходов

  1. γ гамма-излучением высокоэнергетических фотонов;
  2. внутренней конверсии (с ионизацией атома)

Изомеры также могут превращаться в другие элементы. Например, 177m Lu может понести бета-распада с периодом 160,4 суток, превращаясь на 177 Hf, либо подвергнуться внутренней конверсии на 177 Lu, который, в свою очередь, испытывает бета-распада на 177 Hf с периодом полураспада 6,68 суток [11].


См.. также

6. References

  1. CB Collins et al. Depopulation of the isomeric state 180 Ta m by the reaction 180 Ta m (γ, γ ') 180 Ta / / Phys. Rev. C. - Т. 37. - (1988) С. 2267-2269. DOI : 10.1103/PhysRevC.37.2267.
  2. D. Belic et al. Photoactivation of 180 Ta m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope / / Phys. Rev. Lett.. - Т. 83. - (1999) (25) С. 5242. DOI : 10.1103/PhysRevLett.83.5242.
  3. "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission". UNH Nuclear Physics Group. 1997. Архив оригинала за 5 September 2006 . http://web.archive.org/web/20060905160103/http://einstein.unh.edu/nuclear/NucNews/graser_news.html . Проверено 1 June 2006 .
  4. PM Walker AND JJ Carroll Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future / / Nuclear Physics News. - Т. 17. - (2007) (2) С. 11. DOI : 10.1080/10506890701404206.
  5. RW Shaw, JP Young, SP Cooper, OF Webb Spontaneous Ultraviolet Emission from 233Uranium/229Thorium Samples / / Physical Review Letters. - Т. 82. - (1999-02-08) (6) С. 1109-1111. DOI : 10.1103/PhysRevLett.82.1109.
  6. SB Utter et al. Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in 229 Th / / Phys. Rev. Lett.. - Т. 82. - (1999) (3) С. 505-508. DOI : 10.1103/PhysRevLett.82.505.
  7. David Hambling (16 August 2003). "Gamma-ray weapons". Reuters EurekAlert. New Scientist . http://www.eurekalert.org/pub_releases/2003-08/ns-gw081303.php . Проверено 12 December 2010 .
  8. Jeff Hecht (19 June 2006). "A perverse military strategy". New Scientist . http://www.newscientist.com/article/mg19025562.200-a-perverse-military-strategy.html . Проверено 12 December 2010 .
  9. S. Weinberger (28 March 2004). "Scary things come in small packages". Sunday Supplement Magazine. Washington Post . http://www.washingtonpost.com/ac2/wp-dyn?pagename=article&contentId=A22099-2004Mar24¬Found=true . Проверено 2009-05-03 .
  10. "Superbomb ignites science dispute". San Francisco Chronicle. 2003-09-28 . http://www.commondreams.org/headlines03/0928-07.htm .
  11. а б в MS Litz and G. Merkel (2004-12-00 [sic]). "Controlled extraction of energy from nuclear isomers" . http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf&AD=ADA433348 .