Izomerie atomových jader

Izomerie atomových jader  je jev existence metastabilních (izomerních) excitovaných stavů v jádrech atomů s dostatečně dlouhou životností .

Izomerní stavy se liší od běžných excitovaných stavů jader v tom, že pravděpodobnost přechodu do všech základních stavů u nich je silně potlačena pravidly rotace a parity . Zejména jsou potlačeny přechody s vysokou multipolaritou (tj. velká změna spinu nutná pro přechod do základního stavu) a nízkou energií přechodu. Někdy je výskyt izomerů spojen s významným rozdílem ve tvaru jádra v různých energetických stavech (jako u 180 Hf).

Izomery jsou označeny písmenem m (z anglického  metastable ) v indexu hmotnostního čísla (například 80 m Br). Pokud má nuklid více než jeden metastabilní excitovaný stav, označují se v pořadí rostoucí energie písmeny m , n , p , q a dále abecedně nebo písmenem m s přidáním čísla: m 1, m 2 , atd.

Největší zájem je o metastabilní izomery s poločasy od 10–6 s do mnoha let.

Historie

Koncept izomerie atomových jader vznikl v roce 1921 [1] , kdy německý fyzik O. Hahn , zkoumající beta rozpad thoria-234 , v té době známého jako "uran-X1" (UX 1 ), objevil nový radioaktivní látka „uran-Z “ (UZ), která se chemickými vlastnostmi ani hmotnostním číslem nelišila od již známého „uranu-X2“ (UX 2 ), ale měla jiný poločas rozpadu. V moderní notaci UZ a UX 2 odpovídají izomerním a základním stavům izotopu 234 Pa [2] . V roce 1935 [3] B. V. Kurčatov , I. V. Kurčatov , L. V. Myšovský a L. I. Rusinov objevili izomer umělého izotopu bromu 80 Br, který vzniká spolu se základním stavem jádra, když jsou neutrony zachyceny stájí 79 Br . O tři roky později bylo pod vedením I. V. Kurčatova zjištěno, že k izomernímu přechodu bromu-80 dochází především vnitřní přeměnou , a nikoli emisí gama kvant [4] . To vše položilo základ pro systematické studium tohoto fenoménu. Teoreticky jadernou izomerii popsal Karl Weizsäcker v roce 1936 [5] [6] .

Fyzikální vlastnosti

Životnost izomerních stavů přesahuje zlomky mikrosekundy (a lze ji měřit v letech), zatímco typická životnost neizomerních excitovaných stavů je v řádu pikosekund nebo méně. Není mezi nimi žádný přirozený rozdíl, kromě doby života: hranice mezi izomerními a neizomerními excitovanými stavy jádra je věcí dohody. V referenční knize o vlastnostech izotopů Nubase1997 [7] jsou tedy excitované stavy s poločasem delším než 1 ms přiřazeny k izomerům, zatímco v novějších verzích této referenční knihy Nubase2003 [8] a Nubase2016 [9 ] se k nim přidávají stavy s poločasem asi 100 ns.a další. V roce 2016 je známo pouze 3437 nuklidů, z toho 1318 nuklidů má jeden nebo více izomerních stavů s poločasem překračujícím 100 ns [9] .

Rozpad izomerních stavů lze provést:

• izomerní přechod do základního stavu (emisí gama kvanta nebo vnitřní konverzí );
• rozpad alfa ;
• beta rozpad a záchyt elektronů ;
• spontánní štěpení (pro těžká jádra);
• protonové záření (u vysoce excitovaných izomerů).

Pravděpodobnost konkrétní varianty rozpadu je dána vnitřní strukturou jádra a jeho energetickými hladinami (a také hladinami jader - možných produktů rozpadu).

V některých oblastech hodnot hmotnostních čísel existují tzv. ostrovy izomerie (izomery jsou v těchto oblastech zvláště běžné). Tento jev je vysvětlen modelem jaderného obalu , který předpovídá existenci v lichých jádrech energeticky blízkých jaderných hladin s velkým rozdílem ve spinech, kdy se počet protonů nebo neutronů blíží magickým číslům .

Některé příklady

• Izomer tantalu-180 ( 180m Ta) je jediný stabilní (v rámci citlivosti moderních technik) izomer. Na rozdíl od radioaktivních nebo kosmogenních radionuklidů s krátkou životností existuje v zemské kůře od svého vzniku, v přírodním tantalu se vyskytuje v poměru 1 ku 8300. I když 180 m Ta se může teoreticky rozkládat nejméně třemi způsoby ( izomerní přechod , beta- mínus rozpad , záchyt elektronů ), žádný z nich nebyl experimentálně detekován; dolní hranice jeho poločasu  je 7,1⋅10 15 let [9] . Zároveň je základní stav 180 Ta beta-aktivní s poločasem rozpadu 8,154(6) hodin [9] . Spin a parita základního stavu jsou 1 + , izomer je 9 − [8] . Vzhledem k velkému rozdílu mezi spiny stavů a ​​blízkostí jejich energií (hladina izomerů leží nad základním stavem o 75,3(14) keV [9] ) je izomerní přechod extrémně silně potlačen. Očekává se, že 180 m Ta, stejně jako jakýkoli jiný jaderný izomer, může být uměle převedeno do základního stavu stimulovanou emisí , když je ozářeno gama paprsky s energií přesně rovnou rozdílu energií excitovaného a základního stavu.

• V přirozené radioaktivní řadě uranu-238 se nachází izomer protaktinia-234 234 m Pa (poločas rozpadu 1,159(11) minut [9] ).

• Velmi nízko položená metastabilní hladina 235 m U (poločas rozpadu 25,7(1) minut [9] ) byla nalezena v jádře uranu-235 , pouze 76,0(4) elektronvoltů od hlavní hladiny [9] .

• Izomer hafnia-178 178m2 Hf má poločas rozpadu 31(1) let [9] (dolní index 2 znamená, že existuje také níže položený izomer 178m1 Hf). Má nejvyšší excitační energii mezi izomery s poločasem rozpadu delším než rok. Tři kilogramy čistého 178m2 Hf obsahují přibližně 4 TJ energie, což odpovídá kilotuně TNT . Veškerá tato energie se uvolňuje ve formě kaskádových paprsků gama a konverzních elektronů s energií 2446 keV na jádro. Stejně jako u 180m Ta se diskutuje o možnosti umělého převedení 178m2 Hf do základního stavu. Získané výsledky (ale nepotvrzené v jiných experimentech) naznačují velmi rychlé uvolňování energie (výkon v řádu exawattů). Teoreticky mohou být izomery hafnia použity jak k vytvoření gama laserů , zařízení pro ukládání energie, tak k vývoji poměrně silných jaderných zbraní , které nevytvářejí radioaktivní kontaminaci oblasti. Vyhlídky zde však zůstávají obecně spíše vágní, neboť experimentální ani teoretické práce na tuto problematiku nedávají jednoznačnou odpověď a výroba makroskopických množství 178 m2 Hf je při moderním rozvoji technologií prakticky nedostupná [10] .

• Izomer iridia-192 192m2 Ir má poločas rozpadu 241(9) let a excitační energii 168,14(12) keV [9] . Někdy se navrhuje jeho použití pro stejné účely jako izomer hafnia-178 178m2 Hf.

• Největší počet izomerů (každý šest, nepočítaje základní stav) byl nalezen v izotopech tantal -179 ( 179 Ta) a radium -214 ( 214 Ra) [9] .

Viz také

• Chemický prvek
• Nuklid
• Izotop

Poznámky

1. ↑ Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran  (německy)  // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : prodejna. - 1921. - Bd. 54 , č. 6 . - S. 1131-1142 . - doi : 10.1002/cber.19210540602 .
2. ↑ D.E. Alburger. Jaderná izomerie // Handbuch der physik / S. Flugge. - Springer-Verlag, 1957. - S. 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  (francouzsky)  // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences :časopis. - 1935. - Sv. 200 _ - S. 1201-1203 .
4. ↑ Rusínov, 1961 , str. 617.
5. ↑ C. von Weizsacker. Metastabile Zustände der Atomkerne  (anglicky)  // Naturwissenschaften : deník. - 1936. - Sv. 24 , č. 51 . - S. 813-814 .
6. ↑ Konstantin Mukhin. Exotická jaderná fyzika pro zvědavce  // Věda a život . - 2017. - č. 4 . - S. 96-100 . (Ruština)
7. ↑ G. Audi a kol. Hodnocení jaderných a rozpadových vlastností NUBASE. Nuclear Physics A, 1997, roč. 624, strana 1–124. Archivovaná kopie (nedostupný odkaz) . Získáno 17. března 2008. Archivováno z originálu 4. května 2006. (neurčitý) 
8. ↑ 1 2 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH Hodnocení jaderných a rozpadových vlastností NUBASE  // Nukleární fyzika A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Hodnocení jaderných vlastností Nubase2016  // Chinese Physics  C. - 2017. - Sv. 41 , iss. 3 . - S. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .
10. ↑ Tkalya E. V. Indukovaný rozpad 178m2 Hf jaderného izomeru a „izomerní bomba“ // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 2005. - T. 175, č. 5. - S. 555-561.

Literatura

• Rusinov L. I. Izomerismus atomových jader // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 1961. - T. 73, č. 4. - S. 615-630.

Odkazy

• Hranice protonové stability jader se může ukázat jako poněkud nejasná Archivní kopie z 11. března 2014 na Wayback Machine
• Teoretické selhání hafniové bomby je prokázáno Archivní kopie z 10. března 2014 na Wayback Machine

Slovníky a encyklopedie	Velký Rus Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 4163609-0