Nükleer izomer - Nuclear isomer

Bir nükleer izomer , bir veya daha fazla nükleonun (protonlar veya nötronlar) aynı çekirdeğin temel durumundan daha yüksek enerji seviyelerini işgal ettiği bir atom çekirdeğinin yarı kararlı bir durumudur . "Metastabil", uyarılmış durumları, "hızlı" bir yarı ömürle bozunan (normalde 10 -12 saniye mertebesinde ) uyarılmış nükleer durumların yarı ömürlerinden 100 ila 1000 kat daha uzun yarılanma ömrüne sahip olan çekirdekleri tanımlar . "Yarı kararlı" terimi genellikle yarı ömürleri 10-9 saniye veya daha uzun olan izomerlerle sınırlıdır . Bazı referanslar , normal "acil" gama emisyonu yarı ömründen yarı kararlı yarı ömrü ayırt etmek için 5 × 10 -9 saniye önerir . Bazen yarı ömürler bundan çok daha uzundur ve dakikalar, saatler veya yıllar sürebilir. Örneğin,180m
73
Ta
nükleer izomer o kadar uzun süre hayatta kalır ki, bozunduğu asla gözlemlenmemiştir (en az 10 15 yıl). Bir nükleer izomerin yarı ömrü, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, aynı nüklidin temel durumununkini bile aşabilir.180m
73
Ta
birlikte 210m
83
Bi
, 242m
95
NS
ve çoklu holmiyum izomerleri .

Bazen, yarı kararlı bir durumdan gama bozunması izomerik geçiş olarak adlandırılır, ancak bu süreç tipik olarak, meta-kararlı ana nükleer izomerin uzun ömürlü doğası dışında, tüm dış yönlerde daha kısa ömürlü gama bozunmalarına benzer. Nükleer izomerlerin yarı kararlı durumlarının daha uzun ömürleri, genellikle, temel duruma ulaşmak için gama emisyonlarında yer alması gereken daha büyük derecede nükleer dönüş değişikliğinden kaynaklanır. Bu yüksek spin değişimi, bu bozunmaların geçişlerin yasak olmasına ve gecikmesine neden olur . Emisyondaki gecikmeler, düşük veya yüksek kullanılabilir bozunma enerjisinden kaynaklanır.

İlk nükleer izomer ve bozunma-kız sistemi (uranyum X 2 / uranyum Z, şimdi234m
91
baba
/234
91
baba
) 1921 yılında Otto Hahn tarafından keşfedilmiştir .

Nükleer izomerlerin çekirdekleri

Bir nükleer izomerin çekirdeği, temel durumda bulunan uyarılmamış çekirdeğe göre daha yüksek bir enerji durumunu işgal eder . Uyarılmış bir durumda, bir çekirdekteki bir veya daha fazla proton veya nötron, mevcut bir nükleer yörüngeden daha yüksek enerjili bir nükleer yörüngeyi işgal eder . Bu durumlar, atomlardaki elektronların uyarılmış durumlarına benzer.

Uyarılmış atomik haller bozulduğunda, floresan ile enerji açığa çıkar . Elektronik geçişlerde, bu süreç genellikle görünür aralığın yakınında ışık yayılımını içerir . Serbest bırakılan enerji miktarı, bağ ayrışma enerjisi veya iyonlaşma enerjisi ile ilgilidir ve genellikle bağ başına birkaç ila birkaç on eV aralığındadır.

Ancak, çok daha güçlü bir tip bağlanma enerjisi , nükleer bağlanma enerjisi , nükleer süreçlere katılır. Bu nedenle, çoğu nükleer uyarılmış durum gama ışını emisyonu ile bozunur . Örneğin, çeşitli tıbbi prosedürlerde kullanılan iyi bilinen bir nükleer izomer,99m
43
Tc
140 keV enerjili bir gama ışını yayarak yaklaşık 6 saatlik bir yarılanma ömrü ile bozunan; bu, tıbbi tanısal röntgenlerin enerjisine yakındır.

Nükleer izomerlerin yarı ömürleri uzundur, çünkü gama bozunmaları , bir gama ışını yaymak için gereken nükleer spindeki büyük değişiklikten "yasaktır" . Örneğin,180m
73
Ta
9'luk bir dönüşe sahiptir ve gama bozunması gerekir 180
73
Ta
1 spin ile. Benzer şekilde, 99m
43
Tc
1/2'lik bir dönüşe sahiptir ve 99
43
Tc
9/2 spin ile.

Yarı kararlı izomerlerin çoğu gama ışını emisyonu yoluyla bozunurken, dahili dönüşüm yoluyla da bozunabilir . Dahili dönüşüm sırasında, nükleer uyarımın enerjisi bir gama ışını olarak yayılmaz, bunun yerine atomun iç elektronlarından birini hızlandırmak için kullanılır. Bu uyarılmış elektronlar daha sonra yüksek bir hızda ayrılır. Bunun nedeni, iç atom elektronlarının, çekirdeğin protonları farklı bir şekilde yeniden düzenlendiğinde oluşan yoğun elektrik alanlarına maruz kaldıkları çekirdeğe nüfuz etmesidir.

Enerjide kararlılıktan uzak olan çekirdeklerde daha da fazla bozunma modu bilinmektedir.

Fisyondan sonra, üretilebilecek fisyon parçalarının birçoğu yarı kararlı bir izomerik duruma sahiptir. Bu parçalar genellikle enerji ve açısal momentum açısından oldukça uyarılmış bir durumda üretilir ve hızlı bir uyarımsızlaştırmadan geçer. Bu sürecin sonunda, çekirdekler hem zemini hem de izomerik durumları doldurabilir. İzomerlerin yarı ömrü yeterince uzunsa, üretim hızlarını ölçmek ve bunu temel durumdan biriyle karşılaştırmak, sözde izomerik verim oranını hesaplayarak mümkündür .

yarı kararlı izomerler

Yarı kararlı izomerler , nükleer füzyon veya diğer nükleer reaksiyonlar yoluyla üretilebilir . Bu şekilde üretilen bir çekirdek, genellikle, bir veya daha fazla gama ışını ya da dönüşüm elektronlarının emisyonu yoluyla gevşeyen uyarılmış bir durumda varlığını başlatır . Bazen eksitasyon tamamen hızlı bir şekilde nükleer temel duruma ilerlemez . Bu genellikle, bir ara uyarılmış durumun oluşumu , temel durumdan çok farklı bir dönüşe sahip olduğunda meydana gelir . Gama ışını emisyonu, emisyon sonrası durumun dönüşü, özellikle uyarma enerjisi düşükse, yayma durumundan büyük ölçüde farklıysa engellenir. Bu durumda uyarılmış durum, uyarılma enerjileri yarı kararlı durumdan daha düşük olan başka ara spin durumları yoksa, yarı kararlı olmak için iyi bir adaydır.

Belirli bir izotopun yarı kararlı izomerleri genellikle bir "m" ile gösterilir. Bu atama, atomun kütle numarasından sonra gelir; örneğin, kobalt-58m1 kısaltılmıştır58m1
27
ortak
27, kobaltın atom numarasıdır. Birden fazla yarı kararlı izomeri olan izotoplar için, "endeksler" gösterimden sonra yerleştirilir ve etiketleme m1, m2, m3 vb. olur. Artan indeksler, m1, m2, vb., izomerik durumların her birinde (örneğin, hafniyum-178m2 veya178m2
72
hf
).

Farklı bir tür yarı kararlı nükleer durum (izomer), fisyon izomeri veya şekil izomeridir . Temel durumlarındaki çoğu aktinit çekirdeği küresel değildir, daha ziyade bir Amerikan futbolu veya ragbi topuna benzer şekilde diğer eksenlerden daha uzun bir simetri ekseni ile prolate sferoidaldir . Bu geometri, protonların ve nötronların dağılımının küresel geometriden çok daha uzak olduğu ve nükleer temel duruma uyarımın kuvvetle engellendiği kuantum-mekanik durumlarla sonuçlanabilir. Genel olarak, bu devletler ya de tahrik etmek zemin durumuna çok daha yavaş daha "olağan" uyarılmış durumdan ya da geçmesi kendiliğinden fizyon ile yarı ömürleri düzenin nanosaniye veya mikrosaniye -a çok kısa zaman, ama birçok düzene daha olağan bir nükleer uyarılmış durumun yarı ömründen daha uzun bir büyüklük. Fisyon izomerleri, örneğin plütonyum -240 gibi bir fisyon izomerinin plütonyum-240f veya240f
94
Pu
.

Neredeyse kararlı izomerler

Nükleer uyarılmış durumların çoğu çok kararsızdır ve var olduktan sonra "hemen" ekstra enerjiyi 10-12  saniye mertebesinde yayar . Sonuç olarak, "nükleer izomer" karakterizasyonu genellikle sadece yarı ömürleri 10-9  saniye veya daha uzun olan konfigürasyonlara uygulanır . Kuantum mekaniği , bazı atomik türlerin, bu daha katı standartta bile alışılmadık derecede uzun ömürlü izomerlere sahip olması gerektiğini ve ilginç özelliklere sahip olması gerektiğini tahmin ediyor. Bazı nükleer izomerler o kadar uzun ömürlüdürler ki, nispeten kararlıdırlar ve miktar olarak üretilebilir ve gözlemlenebilirler.

Doğada bulunan en kararlı nükleer izomer, 180m
73
Ta
, tüm tantal örneklerinde 8.300'de yaklaşık 1 kısım bulunur. Yarı ömrü en az 10 15 yıldır, bu da evrenin yaşından belirgin şekilde daha uzundur . İzomerik durumun düşük uyarılma enerjisi, hem gama de-eksitasyonuna neden olur180
Ta
temel durum (ki kendisi beta bozunmasıyla radyoaktiftir, yarı ömrü yalnızca 8 saattir) ve doğrudan beta bozunması , spin uyumsuzlukları nedeniyle bastırılmak üzere hafniyum veya tungsten'e dönüşür . Bu izomerin kökeni gizemlidir, ancak süpernovalarda (diğer birçok ağır element gibi) oluştuğuna inanılmaktadır . Onun temel hale dönerken Were, bir serbest bırakacağından fotonu bir ile foton enerjisi 75  keV .

İlk olarak 1988 yılında CB Collins tarafından rapor edilmiştir. 180m
Ta
daha zayıf X-ışınları ile enerjisini salmaya zorlanabilir. Bu şekilde uyarılma hiç gözlemlenmemişti; bununla birlikte, uyarılmanın kaldırılması180m
Ta
Bu çekirdeğin orta yüksek seviyelerinin rezonans foto-uyarımı ile ( E  ~ 1 MeV) 1999 yılında Belic ve Stuttgart nükleer fizik grubundaki iş arkadaşları tarafından bulundu.

178m2
72
hf
başka bir makul derecede kararlı nükleer izomerdir. 31 yıllık bir yarı ömre ve benzer şekilde uzun ömürlü herhangi bir izomerin en yüksek uyarma enerjisine sahiptir. Bir gram saf178m2
hf
yaklaşık 1,33 gigajoule enerji içerir, bu da yaklaşık 315 kg (694 lb) TNT'nin patlamasına eşdeğerdir . Doğal çürümede178m2
hf
, enerji toplam 2.45 MeV enerjili gama ışınları olarak salınır. olduğu gibi180m
Ta
, tartışmalı raporlar var 178m2
hf
enerjisini serbest bırakması için uyarılabilir . Bu nedenle, madde gama ışını lazerleri için olası bir kaynak olarak araştırılmaktadır . Bu raporlar, enerjinin çok hızlı bir şekilde serbest bırakıldığını, böylece178m2
hf
son derece yüksek güçler üretebilir ( exawatt mertebesinde ). Gama ışını ile uyarılan emisyon için olası ortamlar olarak diğer izomerler de araştırılmıştır .

Holmium'un nükleer izomeri166m1
67
Ho
herhangi bir holmiyum radyonüklidin neredeyse en uzun yarı ömrü olan 1.200 yıllık bir yarı ömre sahiptir. Bir tek163
Ho
4,570 yıllık yarı ömrü ile daha kararlıdır.

229
90
NS
temel durumun sadece 8,28 ± 0,17 eV üzerinde olduğu tahmin edilen, dikkate değer ölçüde alçakta yatan yarı kararlı bir izomere sahiptir. Yıllarca süren başarısızlık ve dikkate değer bir yanlış alarmdan sonra, bu bozulma, dahili dönüşüm azalmasına dayalı olarak 2016'da doğrudan gözlemlendi . Bu doğrudan algılama, izomerin dahili dönüşüm çürümesi altında ömrünün ilk ölçümüne, izomerin manyetik dipolünün ve elektrik dört kutuplu momentinin elektronik kabuğun spektroskopisi yoluyla belirlenmesine ve uyarma enerjisinin gelişmiş bir ölçümüne izin verdi. Düşük enerjisi nedeniyle, izomerin doğrudan nükleer lazer spektroskopisine ve benzeri görülmemiş doğrulukta bir nükleer saatin geliştirilmesine izin vermesi bekleniyor .

Çürümenin yüksek dönüşlü bastırılması

Uyarılmış çekirdeklerin gama bozunmasını bastırmak için en yaygın mekanizma ve dolayısıyla yarı kararlı bir izomerin varlığı, herhangi bir yönde nükleer açısal momentumu en yaygın 1 kuantum miktarıyla değiştirecek olan uyarılmış durum için bir bozunma yolunun olmamasıdır. birim ħ içinde Spin açısal momentumu. Bu sistemde spini 1 birim olan bir gama fotonu yaymak için bu değişiklik gereklidir. Açısal momentumda 2 veya daha fazla birimin integral değişiklikleri mümkündür, ancak yayılan fotonlar ek açısal momentumu taşır. 1 birimden fazla olan değişiklikler yasak geçişler olarak bilinir . Yayılan gama ışınının taşıması gereken 1'den büyük olan her bir ek dönüş değişikliği, bozunma hızını yaklaşık 5 büyüklük mertebesi kadar engeller. 8 birimlik bilinen en yüksek dönüş değişimi, 1 birim ile ilişkili olandan 10 35 kat daha fazla bozulmayı bastıran 180m Ta'nın bozunmasında meydana gelir . 10 −12 saniyelik doğal bir gama bozunma yarı ömrü yerine, 10 23 saniyeden fazla veya en az 3 × 10 15 yıllık bir yarı ömre sahiptir ve dolayısıyla henüz bozunduğu gözlemlenmemiştir.

Çekirdek sıfır dönüş durumunda başladığında gama emisyonu imkansızdır, çünkü böyle bir emisyon açısal momentumu korumaz.

Uygulamalar

Hafniyum izomerleri (çoğunlukla 178m2 Hf), çok güçlü gama radyasyonu yaymaya yönlendirilebilecekleri iddia edildiğinden , Nükleer Yayılmayı Önleme Antlaşması'nı atlatmak için kullanılabilecek silahlar olarak kabul edilmiştir . Bu talep genellikle indirimlidir. DARPA , her iki nükleer izomerin bu kullanımını araştırmak için bir programa sahipti. Bu tür silahlarda kullanılmaları için bir ön koşul olan nükleer izotoplardan ani bir enerji salınımını tetikleme potansiyeli tartışmalıdır. Bununla birlikte, izotopun seri üretim araçlarını değerlendirmek için 2003 yılında 12 üyeli bir Hafniyum İzomer Üretim Paneli (HIPP) oluşturuldu.

Teknesyum izomerleri99m
43
Tc
(6.01 saat yarılanma ömrü ile) ve 95m
43
Tc
(yarılanma ömrü 61 gün) tıbbi ve endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır.

nükleer piller

Lutesyum-177 m'nin hafniyum-177'ye dönüştürülmesi için nükleer bozunma yolları

Nükleer piller , yüksek enerji yoğunluklarına sahip küçük miktarlarda (miligram ve mikroküri ) radyoizotop kullanır. Bir betavoltaik cihaz tasarımında, radyoaktif malzeme, bitişik P tipi ve N tipi silikon katmanlarına sahip bir cihazın üzerine oturur . İyonlaştırıcı radyasyon, bağlantı noktasına doğrudan nüfuz eder ve elektron-delik çiftleri oluşturur . Nükleer izomerler, diğer izotopların yerini alabilir ve daha fazla gelişmeyle, gerektiğinde bozunmayı tetikleyerek bunları açıp kapatmak mümkün olabilir. Bu tür kullanım için mevcut adaylar arasında 108 Ag , 166 Ho , 177 Lu ve 242 Am bulunmaktadır . 2004 itibariyle, başarılı bir şekilde tetiklenen tek izomer, tetiklemek için serbest bırakılandan daha fazla foton enerjisi gerektiren 180m Ta idi.

177 Lu gibi bir izotop , çekirdek içindeki bir dizi iç enerji seviyesinde bozunarak gama ışınları yayar ve tetikleyici kesitleri yeterli doğrulukla öğrenerek, 106 kat daha fazla enerji deposu oluşturmanın mümkün olabileceği düşünülmektedir. yüksek patlayıcı veya diğer geleneksel kimyasal enerji depolamadan daha konsantre .

çürüme süreçleri

Bir izomerik geçiş (IT), bir nükleer izomerin daha düşük enerjili bir nükleer duruma bozunmasıdır. Gerçek işlemin iki türü (mod) vardır:

  • γ (gama) emisyonu (yüksek enerjili bir fotonun emisyonu),
  • iç dönüşüm (enerji, atomun elektronlarından birini çıkarmak için kullanılır).

İzomerler, diğer elementlere bozunabilir, ancak bozunma hızı izomerler arasında farklılık gösterebilir. Örneğin, 177m Lu beta-bozunumu 177 Hf 160.4 gün yarı ömürle ya da izomerik geçiş geçirebilmektedir 177 160.4 gün yarı-ömür ile Lu daha sonra buna, p-bozunur 177 ile bir buçuk Hf - 6.68 d'lik ömür.

Uyarılmış bir nükleer durumdan bir gama ışını emisyonu, çekirdeğin enerji kaybetmesine ve daha düşük bir enerji durumuna, bazen de temel durumuna ulaşmasına izin verir . Bazı durumlarda, bir nükleer reaksiyonu veya diğer tip radyoaktif bozunmayı izleyen uyarılmış nükleer durum , yarı kararlı bir nükleer uyarılmış durum haline gelebilir . Bazı çekirdekler bu yarı kararlı uyarılmış durumda dakikalar, saatler, günler veya bazen çok daha uzun süre kalabilir.

İzomerik geçiş süreci, herhangi bir uyarılmış nükleer durumdan gama emisyonuna benzer, ancak daha uzun yarı ömürlü çekirdeklerin uyarılmış yarı kararlı durumlarını içermesiyle farklılık gösterir. Diğer uyarılmış hallerde olduğu gibi, çekirdek, bir alfa parçacığının , beta parçacığının veya başka bir tür parçacığın emisyonunu takiben izomerik bir durumda bırakılabilir .

Gama ışını, enerjisini doğrudan en sıkı bağlı elektronlardan birine aktarabilir ve bu elektronun atomdan atılmasına neden olabilir, bu süreç fotoelektrik etki olarak adlandırılır . Bu, ara parçacık olarak hiçbir gama ışını fotonun üretilmediği dahili dönüşüm süreci ile karıştırılmamalıdır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar