Ізомерія атомних ядер

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Я́дерний ізоме́рметастабільний стан атомного ядра, зумовлений збудженим станом одного чи більше його нуклонів (протонів чи нейтронів). Метастабільними заведено називати ядра, період напіврозпаду яких на 2-3 порядки більший, ніж час життя інших ядерних станів. Взагалі, термін «метастабільний» зазвичай застосовують до станів із часом життя від 10−9 секунд і більше.

Зазвичай, час життя цих станів набагато більший, ніж зазначена межа, і може складати хвилини, години, та (в одному випадку 180mTa) приблизно 1015 років.

Ядра[ред.ред. код]

Ядра ядерних ізомерів перебувають у вищому енергетичному стані, ніж незбуджені ядра, що перебувають у так званому основному стані. У збудженому стані один з нуклонів ядра посідає ядерну орбіталь з енергією вищою, ніж вільна орбіталь з найнижчою енергією. Ці стани подібні до станів електронів в атомах.

Збуджені атомні стани позбавляються енергії шляхом флуоресценції зазвичай випромінюючи хвилі в діапазоні видимого світла або близькому до нього. Перехід нуклонів з рівня на рівень більш енергетичний, та супроводжується гамма-випроміненням. Наприклад, добре відомий та широко вживаний у медицині ізомер Tc-99m, що має період напіврозпаду близько 6 годин, випромінює γ-промені з енергією 140 кЕВ.

Внутрішня конверсія[ред.ред. код]

Метастабільні ізомери можуть також розпадатися шляхом внутрішньої конверсії - процесу, за якого надлишок енергії не випромінюється γ-променями, а передається одному з електронів атома. Цей процес можливий, якщо атомні електрони здатні проникати у ядро. В такому випадку, енергія ядра передається цьому електрону, внаслідок чого він набуває великої швидкості та енергіі. Для збуджених ядер відомі також інші шляхи розпаду.

Є лише один досить стабільний природний ядерний ізомер, що існує з часів первинного нуклеосинтезу - ізотоп танталу 180mTa. Цей нуклід має дуже довгий період напіврозпаду: 1015 років.

Метастабільні ізомери[ред.ред. код]

Метастабільні ізомери можуть бути отримані шляхом ядерного синтезу або іншою ядерною реакцією. Ядра, що продукуються, здебільшого перебувають у збудженому стані, та випромінюють гамма-кванти або конверсійні електрони. Однак іноді трапляється, що перехід до основного стану відбувається не так швидко. Це трапляється тому, що спін ядра у збудженному стані, конверсійному інтермедіаті та основному стані дещо відрізняються. Випромінення гамма-променів гальмується, якщо різниця у спінах є суттєвою, а енергія конверсії мала. В такому випадку збуджений стан - добрий кандидат на метастабільність.

Метастабільні ізомери — це рідкісний вид ізотопів, що зазвичай позначають додатковим індексом "m" (а якщо ізомерів декілька, то m2, m3 і т.д.). Наприклад, Co-58m. Зростаючи індекси, m, m2, корелюють із зростаючим рівнем енергії збудження ізомерного стану (наприклад, Hf-177m2).

Окремим видом метастабільних станів (ізомерів) є ізомери, що діляться, або shape isomer. Більшість ядер актиноїдів в основному стані не є сферичними, скоріше еліпсоїдальними, із віссю симетрії, що є довшою за інші, подібно до м'яча у регбі, хоча й менш витягнуті. В деяких з них квантово-механічні стани можуть складатися з такого розподілу протонів та нейтронів, що перехід до основного стану ускладнено. Система може релаксувати або шляхом переходу в основний стан, або шляхом поділу ядра. Іноді ймовірність поділу набагато вища, ніж імовірність переходу до основного стану. Ізомери, що діляться, зазвичай позначають літерою "f" замість "m" наприклад, плутоній-240f або 240fPu.

Більшість ядер у збудженому стані є дуже нестабільними та випромінюють енергію майже миттєво (за час приблизно 10−12 сек). Термін «метастабільний» застосовують для позначення ізомерів з часом життя понад 10−9 сек. Квантова механіка передбачає, що деякі ядерні ізомери будуть мати досить довгий час життя та цікаві властивості. Не існує цілком стабільних ізомерів, але можуть існувати настільки стабільні стани, що ядерні ізомери можна напрацювати у достатніх кількостях.

Найбільш стабільний та поширений ядерний ізомер, що зустрічається у природі, це ізомер 180mTa, що присутній у всіх зразках природнього танталу у співвідношенні 1 до 8300. Період його напіврозпаду становить щонайменше 1015 років. Це значно більше, ніж вік Всесвіту. Ця дивовижна стабільність зумовлена тим, що енергія конверсії до основного стану мала, і перехід ускладнено великою різницею у спінах. Цікаво, що основний стан, ізотоп 180Ta нестійкий, та має період напіврозпаду всього 8 годин. Бета-розпад ізомеру до гафнію або вольфраму також енергетично ускладенено за рахунок спінових особливостей переходу. Походження цього ізомеру є загадкою, але імовірно, він утворився під час спалахів наднових, як і більшість важких елементів. Перехід цього ізомеру до основного стану супроводжується випроміненням фотону з енергією 75 keV. 1988 року було вперше повідомлено, [1] що Ta-180m можна змусити вивільняти енергію шляхом опромінення рентгенівськими променями. Після 11-річної дискусії заяву вчених було підтверджено 1999 року Беликом та ін. співробітниками Штутгартської групи ядерної фізики (Stuttgart nuclear physics group)[2].

Інший відомий дуже стабільний ядерний ізомер (з періодом напіврозпаду 31 рік) — це 178m2Hf, що має найбільшу енергію конверсії з усіх відомих ізомерів з порівняним часом життя. 1 г цього ізомеру містить 1,33 гігаджоуля енергії, що еквівалентно 315 кг тротилу. Він розкладається шляхом випромінювання гамма-променів з єнергією 2,45 MeV. Цей матеріал вважався здатним до вимушеної емісії, та розглядалася можливість створення на його основі гамма-лазеру. Як кандидати на цю роль розглядалися також інші ізомери, але поки що, незважаючи на активні зусилля, про позитивний результат не повідомлялося[3][4].

Гольмій також має цікавий ізомер, 166m1Ho, з періодом напіврозпаду 1200 років, що є найбільшим періодом існування для всіх відомих радіоізотопів гольмію (більш стабільний лише Ho-163, що має період напіврозпаду 4570 років).

Торій-229 має дивовижно низьку енергію переходу до основного стану - лише 7,6 ± 0,5 еВ, передбачену на основі спектрометричних розрахунків. Цей ізомер розпадається, випромінюючи фотони з ядра в ультрафіолетовому діапазоні. Ці "ультрафіолетові гамма-промені" було зареєстровано лише одного разу[5], однак, як з'ясувалося в подальшому, помилково. Вони належали азоту у нестандартному стані збудження[6].

Застосування[ред.ред. код]

Ізомери гафнію[7][8] та танталу [Джерело?] розглядалися як кандидати на матеріали для створення потужної зброї, яка могла б обійти Договір про непоширення ядерної зброї. DARPA має (принаймні, мало) програму з дослідження обох цих ядерних ізомерів[9]. Створення матеріалів, здатних до вимушеної емісії, сумнівне, але DARPA створило групу з 12 осіб для дослідження можливості виробництва цих матеріалів[10].

Ізомер технецію Tc-99m (з періодом напіврозпаду 6,01 годин) та Tc-95m (з періодом напіврозпаду 61 доба) знаходять використання у медицині та техниці.

Ядерні електричні батареї[ред.ред. код]

Енергетичні рівні ядерного ізомеру лютецію-177m

Дуже перспективним є застосування ядерних ізомерів для створення ядерних електричних батарей. Ядерні ізомери можуть замінити інші ізотопи, з перспективою створення батарей, що вироблятимуть енергію лише тоді, коли це необхідно. На цю роль розглядаються кандидати 108Ag, 166Ho, 177Lu, and 241Am. Єдиним ізомером, де вдалося викликати ефект переключення був 180Ta, який, на жаль, потребував більше енергії для вимушеної емісії, ніж виробляв[11].

Розпад ізомеру, такого як 177mLu відбувається через каскад енергетичних рівнів ядра, та вважається, що його можна застосувати для створення вибухових речовин та джерел енергії, які були б на декілька порядків потужнішими, ніж традиційні хімічні[11].

Процеси розпаду[ред.ред. код]

Ізомери переходять до стану з нижчою енергією двома основними типами ізомерних переходів:

  1. γ гамма-випроміненням високоенергетичних фотонів;
  2. внутрішньою конверсією (з іонізацією атому)

Ізомери також можуть перетворюватися на інші елементи. Наприклад, 177mLu може зазнати бета-розпаду з періодом 160,4 доби, перетворюючись на 177Hf, або зазнати внутрішньої конверсії на 177Lu, який, у свою чергу, зазнає бета-розпаду на 177Hf з періодом напіврозпаду 6,68 діб[11].

Див. також[ред.ред. код]

References[ред.ред. код]

  1. C.B. Collins et al. (1988). «Depopulation of the isomeric state 180Tam by the reaction 180Tam(γ,γ′)180Ta». Phys. Rev. C 37. с. 2267–2269. doi:10.1103/PhysRevC.37.2267. 
  2. D. Belic et al. (1999). «Photoactivation of 180Tam and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope». Phys. Rev. Lett. 83 (25). с. 5242. doi:10.1103/PhysRevLett.83.5242. 
  3. «UNH researchers search for stimulated gamma ray emission». UNH Nuclear Physics Group. 1997. Архів оригіналу за 5 September 2006. Процитовано 1 June 2006. 
  4. P. M. Walker and J. J. Carroll (2007). «Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future». Nuclear Physics News 17 (2). с. 11. doi:10.1080/10506890701404206. 
  5. R.W. Shaw, J.P. Young, S.P. Cooper, O.F. Webb (1999-02-08). «Spontaneous Ultraviolet Emission from 233Uranium/229Thorium Samples». Physical Review Letters 82 (6). с. 1109–1111. doi:10.1103/PhysRevLett.82.1109. 
  6. S.B. Utter et al. (1999). «Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in 229Th». Phys. Rev. Lett. 82 (3). с. 505–508. doi:10.1103/PhysRevLett.82.505. 
  7. David Hambling (2003-08-16). «Gamma-ray weapons». Reuters EurekAlert. New Scientist. Архів оригіналу за 2013-07-12. Процитовано 2010-12-12. 
  8. Jeff Hecht (2006-06-19). «A perverse military strategy». New Scientist. Архів оригіналу за 2013-07-12. Процитовано 2010-12-12. 
  9. S. Weinberger (2004-03-28). «Scary things come in small packages». Sunday Supplement Magazine. Washington Post. Архів оригіналу за 2013-07-12. Процитовано 2009-05-03. 
  10. «Superbomb ignites science dispute». San Francisco Chronicle. 2003-09-28. Архів оригіналу за 2013-07-12. 
  11. а б в M.S. Litz and G. Merkel (2004-12-00 [sic]). «Controlled extraction of energy from nuclear isomers». Архів оригіналу за 2013-07-12. 

Посилання[ред.ред. код]