Isomeri nucleari. Isomeria nucleare

Gli isomeri sono nuclei atomici che hanno lo stesso numero di neutroni e protoni, ma diversi Proprietà fisiche, in particolare diverse emivite.

Riso. 6.1. Transizione γ isomerica nel nucleo 115 In.

La durata della vita dei nuclei γ-radioattivi è solitamente dell'ordine di 10 -12 –10 -17 s. In alcuni casi, quando un alto grado di proibizione è combinato con una bassa energia della transizione γ, si possono osservare nuclei γ-radioattivi con vite di ordine macroscopico (fino a diverse ore, e talvolta di più). Tali stati eccitati di lunga durata dei nuclei vengono chiamati isomeri . Un tipico esempio di isomero è l'isotopo dell'indio 115 In (Fig. 6.1). Lo stato fondamentale di 115 In ha J P = 9/2 + . Il primo livello eccitato ha energia pari a 335 keV e parità di spin JP = 1/2 - . Pertanto, la transizione tra questi stati avviene solo attraverso l'emissione di un quanto γ M4. Questa transizione è così severamente vietata che il tempo di dimezzamento dello stato eccitato risulta essere di 4,5 ore.
Il fenomeno dell'isomeria nucleare fu scoperto nel 1921 da O. Gann, il quale scoprì che esistono due sostanze radioattive che hanno gli stessi numeri di massa A e numero atomico Z, ma differiscono nel tempo di dimezzamento. Successivamente è stato dimostrato che si trattava di uno stato isomerico di 234 mPa. Secondo Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936), l'isomeria nucleare si verifica ogni volta che il momento angolare di un nucleo in uno stato eccitato con una bassa energia di eccitazione differisce dal momento angolare in qualsiasi stato avente un'energia di eccitazione inferiore di diverse unità ћ. Uno stato isomerico (metastabile) è stato definito come uno stato eccitato con una durata misurabile. Con il miglioramento dei metodi sperimentali per la spettroscopia gamma, le emivite misurabili sono scese a 10 -12 -10 -15 s.

Tabella 6.1

Stati eccitati 19 F

Energia di stato, keV	Parità di rotazione	Metà vita
0.0	1/2+	stabile
109.894	1/2–	0,591 ns
197.143	5/2+	89,3 ns
1345.67	5/2–	2,86 PS
1458.7	3/2–	62 f
1554.038	3/2+	3,5 f
2779.849	9/2+	194 f
3908.17	3/2+	6 f
3998.7	7/2–	13 segg
4032.5	9/2–	46 f
4377.700	7/2+	< 7.6 фс
4549.9	5/2+	< 35 фс
4556.1	3/2–	12 f
4648	13/2+	2,6 PS
4682.5	5/2–	10,7 f
5106.6	5/2+	< 21 фс
5337	1/2(+)	≤ 0,07 fs
5418	7/2–	2,6 eV
5463,5	7/2+	≤ 0,18 fs
5500.7	3/2+	4keV
5535	5/2+
5621	5/2–	< 0.9 фс
5938	1/2+
6070	7/2+	1,2 keV
6088	3/2–	4keV
6100	9/2–
6160.6	7/2–	3,7 eV
6255	1/2+	8keV
6282	5/2+	2,4 keV
6330	7/2+	2,4 keV
6429	1/2–	280keV
6496.7	3/2+

Dovrebbero essere previsti stati isomerici in cui i livelli dei gusci che sono vicini tra loro in termini di energia differiscono notevolmente nei valori di spin. È in queste aree che si trovano le cosiddette “isole di isomeria”. Pertanto, la presenza di un isomero nell'isotopo 115 In di cui sopra è dovuta al fatto che gli manca un protone per raggiungere il guscio chiuso Z = 50), cioè c'è un "buco" protonico. Nello stato fondamentale, questo buco si trova nel sottolivello 1g 9/2 e nello stato eccitato nel sottolivello 1p 1/2. Questa situazione è tipica. Le isole di isomeria si trovano immediatamente prima dei numeri magici 50, 82 e 126 sul lato di Z e N più piccoli. Pertanto, gli stati isomerici si osservano nei nuclei 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, che è vicino a 82), 199 Hg ( Z = 80, che è vicino a 82), ecc. Si noti che, oltre a quelle considerate, ci sono altre ragioni per la comparsa di stati isomerici. Attualmente è stato scoperto un gran numero di isomeri con un tempo di dimezzamento compreso tra diversi secondi e 3·10 6 anni (210 mBi). Molti isotopi hanno diversi stati isomerici. La tabella 6.2 mostra i parametri degli isomeri a vita lunga (T 1/2 > anno).

Tabella 6.2

Parametri degli stati isomerici nuclei atomici

Z-XX-A	N	Energia dello stato isomerico, MeV	JP	T 1/2, G, prevalenza	Modalità di decadimento
73-Ta-180	107	0.077	9 -	0.012% >1,2·10 15 anni
83-Bi-210	127	0.271	9 -	3.04·10 6 anni	α 100%
75-Re-186	111	0.149	8 +	2·10 5 anni	IT al 100%
67-Ho-166	99	0.006	7 -	1,2·10 3 anni	β-100%
47-Ag-108	61	0.109	6 +	418 anni	e 91,30%, IT 8,70%
77-Ir-192	115	0.168	11 -	241	IT al 100%
95-Am-242	147	0.049	5 -	141 anni	San Francisco<4.47·10 -9 %, IT 99,55%, α0,45%
50-Sn-121	71	0.006	11/2 -	43,9 anni	IT 77,60%, β - 22,40%
72-Hf-178	106	2.446	16 +	31 anni	IT al 100%
41-Nb-93	52	0.031	1/2 -	16,13 anni	IT al 100%
48-Cd-113	65	0.264	11/2 -	14,1 anni	β - 99,86%, IT 0,14%
45-Rh-102	57	0.141	6 +	≈2,9 anni	e 99,77%, IT 0,23%
99-Es-247	148			625 giorni	α

In tutti gli stati sottostanti sono fortemente repressi dalle regole del divieto di spin e parità. In particolare, vengono soppresse le transizioni con elevata multipolarità (ovvero, un grande cambiamento di spin richiesto per una transizione allo stato sottostante) e bassa energia di transizione. A volte la comparsa degli isomeri è associata ad una differenza significativa nella forma del nucleo nei diversi stati energetici (come nel 180 Hf).

Gli isomeri sono designati dalla lettera M(dall'inglese metastable) nell'indice del numero di massa (ad esempio, 80 M Br) o nell'indice in alto a destra (ad esempio, 80 Br M). Se un nuclide ha più di uno stato eccitato metastabile, questi vengono indicati con le lettere in ordine crescente di energia M, N, P, Q e poi in ordine alfabetico o per lettera M con il numero aggiunto: M 1, M 2, ecc.

Di grande interesse sono gli isomeri relativamente stabili con emivite da 10 −6 secondi a molti anni.

Storia

Il concetto di isomeria dei nuclei atomici nacque nel 1921, quando il fisico tedesco O. Hahn, studiando il decadimento beta del torio-234, noto a quel tempo come "uranio-X1" (UX 1), scoprì una nuova sostanza radioattiva "uranio -Z” (UZ ), che non differiva né per proprietà chimiche né per numero di massa dal già noto “uranio-X2” (UX 2), ma aveva un diverso tempo di dimezzamento. Nelle notazioni moderne, UZ e UX 2 corrispondono agli stati isomerico e fondamentale dell'isotopo 234 Pa. Nel 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Tre anni dopo, sotto la guida di I.V. Kurchatov, fu stabilito che la transizione isomerica del bromo-80 avviene principalmente attraverso la conversione interna e non attraverso l'emissione di quanti gamma. Tutto ciò ha gettato le basi per uno studio sistematico di questo fenomeno. Teoricamente, l'isomeria nucleare fu descritta da Karl Weizsäcker nel 1936.

Proprietà fisiche

La decomposizione degli stati isomerici può essere effettuata mediante:

• transizione isomerica allo stato fondamentale (per emissione di un quanto gamma o per conversione interna);
• decadimento beta e cattura elettronica;
• fissione spontanea (per nuclei pesanti);
• radiazione protonica (per isomeri altamente eccitati).

La probabilità di una particolare opzione di decadimento è determinata dalla struttura interna del nucleo e dai suoi livelli energetici (così come dai livelli dei nuclei - possibili prodotti di decadimento).

In alcune aree dei numeri di massa ci sono i cosiddetti. isole di isomeria (in queste aree gli isomeri sono particolarmente comuni). Questo fenomeno è spiegato dal modello del guscio nucleare, che prevede l'esistenza nei nuclei dispari di livelli nucleari energeticamente vicini con grandi differenze di spin quando il numero di protoni o neutroni è vicino ai numeri magici.

Qualche esempio

Guarda anche

Appunti

1. Otto Hahn.Über eine neue radioaktive Substanz im Uran (tedesco) // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (Inglese) russo: rivista. - 1921. - Bd. 54, n. 6. - S. 1131-1142. -DOI:10.1002/cber.19210540602.
2. D. E. Alburger. Isomeria nucleare// Manuale del fisico / S. Flügge. - Springer-Verlag, 1957. - T. 42: Kernreaktionen III / Reazioni nucleari III. - Pag. 1.
3. J. V. Kourtchatov, B. V. Kourtchatov, L. V. Misowski, L. I. Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron (francese) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l "Académie des sciences (Inglese) russo: rivista. - 1935. -Vol. 200. - P. 1201-1203.
4. , Con. 617.
5. C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne (inglese) // Naturwissenschaften (Inglese) russo: rivista. - 1936. -Vol. 24, n. 51. - P. 813-814.
6. Konstantin Mukhin. Fisica nucleare esotica per curiosi (russo) // Scienza e vita. - 2017. - N. 4. - pp. 96-100.
7. G.Audi et al. La valutazione NUBASE delle proprietà nucleari e di decadimento. Fisica nucleare A, 1997, vol. 624, pagina 1-124. Copia archiviata (non definito) (collegamento non disponibile). Estratto il 17 marzo 2008.

Informazioni storiche

Il concetto di isomeria dei nuclei atomici nacque nel 1921, quando il fisico tedesco O. Hahn scoprì una nuova sostanza radioattiva uranio-Z (UZ), che non differiva né nelle proprietà chimiche né nel numero di massa dal già noto uranio-X2 ( UX 2), tuttavia aveva un'emivita diversa. Nella notazione moderna, UZ e UX 2 corrispondono agli stati fondamentale e isomerico dell'isotopo. Nel 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Ciò ha gettato le basi per uno studio sistematico di questo fenomeno.

Informazioni teoriche

Gli stati isomerici differiscono dagli stati eccitati ordinari dei nuclei in quanto la probabilità di transizione a tutti gli stati sottostanti per loro è fortemente soppressa dalle regole di esclusione dello spin e della parità. In particolare, vengono soppresse le transizioni con elevata multipolarità (ovvero, un grande cambiamento di spin richiesto per una transizione allo stato sottostante) e bassa energia di transizione.

A volte la comparsa degli isomeri è associata ad una differenza significativa nella forma del nucleo nei diversi stati energetici (come nel 180 Hf).

Di grande interesse sono gli isomeri relativamente stabili con emivite da 10 −6 secondi a molti anni. Gli isomeri sono designati dalla lettera M(dall'inglese metastabile) nell'indice del numero di massa (ad esempio, 80 M Br) o nell'indice in alto a destra (ad esempio, 80 Br M). Se un nuclide ha più di uno stato eccitato metastabile, questi vengono indicati con le lettere in ordine crescente di energia M, N, P, Q e poi in ordine alfabetico o per lettera M con il numero aggiunto: M 1, M 2, ecc.

Qualche esempio

Appunti

Letteratura

1. L. I. Rusinov // Isomeria dei nuclei atomici. UFN. 1961. T. 73. N. 4. P. 615-630.
2. EV Tkalya. // Decadimento indotto dell'isomero nucleare 178m2 Hf e “bomba isomerica”. UFN. 2005. T. 175. N. 5. P. 555-561.

Guarda anche

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L'esistenza di stati metastabili di stati eccitati con vite relativamente lunghe in alcuni nuclei atomici (vedi Nucleo atomico). Alcuni nuclei atomici hanno diversi stati isomerici con vite diverse.... Grande Enciclopedia Sovietica

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Il fenomeno degli isotopi radioattivi artificiali, un'eccezionale scoperta mondiale (1935) dello scienziato russo I.V.

ISOMERIA DEI NUCLEI ATOMICI, esistenza di alcuni nuclei atomici, insieme allo stato fondamentale, di stati eccitati di lunga vita (metastabili), detti isomerici. Storicamente, gli stati con vite che possono essere misurate direttamente (più di 0,01 μs) sono considerati isomerici. Il fenomeno dell'isomeria nasce a causa di una netta differenza nella struttura degli stati vicini (eccitato e fondamentale), che porta ad una significativa diminuzione della probabilità di decadimento dello stato eccitato (a volte di molti ordini di grandezza).

La prima indicazione dell'esistenza degli isomeri nucleari fu ottenuta nel 1921 da O. Hahn, che scoprì tra i prodotti di decadimento dell'uranio una sostanza radioattiva che, avente lo stesso numero atomico Z e numero di massa A, aveva due percorsi di decadimento radioattivo completamente diversi. Tuttavia, la data della scoperta dell'isomeria dei nuclei atomici è considerata il 1935, quando un gruppo di scienziati sovietici guidati da I.V. Kurchatov scoprì la formazione di tre isotopi radioattivi con tempi di dimezzamento diversi quando si irradia il bromo con neutroni lenti.

Successivamente, si è scoperto che questo fenomeno è abbastanza diffuso; sono già note diverse centinaia di stati isomerici e alcuni nuclei possono avere diversi di questi stati; Ad esempio, il nucleo di afnio con A = 175 ha 5 stati con durate superiori a 0,1 μs.

Una condizione indispensabile per l'esistenza di uno stato isomerico del nucleo è la presenza di una sorta di divieto per le transizioni radiative dagli stati isomerici a stati con energia inferiore. Esistono numerose caratteristiche note della struttura nucleare che causano tale divieto: la differenza nei momenti angolari (spin) degli stati isomerico e fondamentale, che porta a transizioni radiative di elevata multipoleità, diversi orientamenti degli spin rispetto ad un asse preferito in il nucleo, diverse forme di nuclei in entrambi gli stati.

Il decadimento degli stati isomerici è solitamente accompagnato dall'emissione di elettroni Oγ quanti, di conseguenza si forma lo stesso nucleo, ma in uno stato con energia inferiore. A volte è più probabile il decadimento beta. Gli isomeri degli elementi pesanti possono decadere per fissione spontanea. Gli stati isomerici dei nuclei con un'alta probabilità di fissione spontanea sono chiamati isomeri fissili. Si conoscono circa 30 nuclei (isotopi U, Pu, Am, Cm, Bk), per i quali la probabilità di fissione spontanea nello stato isomerico è circa 10 26 volte maggiore che nello stato principale.

L'isomeria dei nuclei atomici è un'importante fonte di informazioni sulla struttura dei nuclei atomici; lo studio degli isomeri ha contribuito a stabilire l'ordine di riempimento dei gusci nucleari. Sulla base della durata degli isomeri si può giudicare il valore dei divieti per le transizioni radiative e la loro connessione con la struttura nucleare.

Nucleare isomeri trovano anche applicazione pratica. Ad esempio, nell'analisi di attivazione, la loro formazione in alcuni casi consente di ottenere una maggiore sensibilità del metodo. Gli isomeri nucleari a vita lunga sono considerati possibili dispositivi di stoccaggio dell'energia in futuro.

Lett.: Korsunsky M.I. Isomeria dei nuclei atomici. M., 1954; Polikanov S. M. Isomeria della forma dei nuclei atomici. M., 1977.