Nükleer izomer

Nükleer izomer, bir veya daha fazla nükleonun (protonlar veya nötronlar) aynı çekirdeğin taban durumundan daha yüksek enerji seviyelerine sahip olduğu atomik bir çekirdeğin parçalanabilir bir halidir. "Metastabl", uyarılmış durumları, "hızlı" yarı ömürle (normalde 10⁻¹² saniye civarında) bozunan uyarılmış nükleer taban durumu yarı ömürlerinden 100 ila 1000 kat daha uzun yarı ömürlere sahip çekirdekleri tarif eder. "Metastabl" terimi genellikle yarılanma ömrü 10⁻⁹ saniye veya daha uzun olan izomerler ile sınırlıdır. Bazı referanslar, yarı kararlı yarı ömrü normal "hızlı" gama emisyon yarılanma ömründen ayırmak için 5 × 10⁻⁹ saniye önerir. Bazen yarı ömürler bundan daha uzundur ve dakikalar, saatler veya yıllar sürebilir. Örneğin, 180m
73Ta
nükleer izomeri o kadar uzun süre hayatta kalır ki hiç bozulmadığı (en az 10¹⁵ yıl) gözlemlenmemiştir.

Bazen, metastabil durumdaki gama bozunması izomerik geçiş olarak adlandırılır, ancak bu süreç meta-kararlı ana nükleer izomerin uzun ömürlü doğası hariç olmak üzere tipik olarak tüm dış yönlerde daha kısa ömürlü gama bozulmalarına benzer. Nükleer izomerlerin metastabil durumlarının daha uzun ömürleri, çoğunlukla, taban durumuna ulaşmak için gama emisyonlarına dahil edilmesi gereken daha büyük nükleer spin değişiminden kaynaklanmaktadır. Bu yüksek dönüş değişikliği, bu bozulmaların geçişlerin yasaklanmasına ve gecikmesine neden olur. Emisyondaki gecikmeler düşük veya yüksek mevcut bozunma enerjisinden kaynaklanır.

İlk nükleer izomer ve bozunma-bağı sistemi (şimdi 234m
91Pa
/234
91Pa
olarak bilinen uranyum X₂/ uranyum Z) 1921'de Otto Hahn tarafından keşfedildi.

Nükleer izomerlerin çekirdekleri

Bir nükleer izomerin çekirdeği, taban durumunda bulunan uyarılmamış çekirdeğe göre daha yüksek bir enerji durumuna sahiptir. Uyarılmış bir durumda, bir çekirdekteki protonların veya nötronların biri veya daha fazlası, mevcut bir nükleer yörüngeden daha yüksek bir nükleer enerji yörüngesine sahiptir. Bu durumlar, atomlardaki uyarılmış elektron durumlarına benzer.

Uyarılmış atom durumları bozulduğunda, enerji flüoresans tarafından serbest bırakılır. Elektronik geçişlerde, bu işlem genellikle görünür aralığa yakın bir ışık emisyonunu içerir. Serbest bırakılan enerji miktarı, bağ ayrılma enerjisi veya iyonizasyon enerjisi ile ilişkilidir ve genellikle bağ başına birkaç ila birkaç on eV aralığındadır.

Bununla birlikte, çok daha güçlü bir bağlanma enerjisi türü olan nükleer bağlanma enerjisi, nükleer süreçlerde yer alır. Bu nedenle, nükleer uyarılmış durumların çoğu gama ışını emisyonu ile bozulur. Örneğin, çeşitli tıbbi prosedürlerde kullanılan iyi bilinen bir nükleer izomer 99m
43Tc
'dir; bu, 140 keV enerjiye sahip bir gama ışını yayarak yaklaşık 6 saatlik bir yarılanma ömrü ile çürür; bu, tıbbi teşhis röntgenlerinin enerjisine yakındır.

Nükleer izomerlerin uzun yarı ömürleri vardır, çünkü gama bozunmaları, bir gama ışını yaymak için gereken nükleer spinteki büyük değişiklikten "yasaklanmıştır". Örneğin, 180m
73Ta
'nın 9 dönüşü vardır ve 1 dönüşüyle 180
73Ta
'ya gama bozunması gerekir. Benzer şekilde, 99m
43Tc
'nin 1/2 dönüşü vardır ve 9/2'lik bir dönüşle gama-çürümeyi 99
43Tc
'ye düşürmelidir.

Metastabil izomerlerin çoğu gama ışını emisyonu ile bozunurken iç dönüşüm yoluyla bozunabilirler. Dahili dönüşüm sırasında nükleer eksitasyon enerjisi enerjiyi bir gama ışını olarak yaymaz, bunun yerine atomun iç elektronlarından birini hızlandırmak için kullanılır. Bu uyarılmış elektronlar daha sonra yüksek hızda ayrılır. Bunun nedeni, iç atom elektronlarının çekirdeğe nüfuz etmesi ve çekirdeğin protonlarının farklı bir şekilde yeniden düzenlenmesi durumunda oluşan yoğun elektrik alanlarına maruz kalmalarıdır.

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

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 veya dönüşüm elektronu emisyonu ile gevşeyen uyarılmış durum varlığında başlar. Bazen eksitasyon, nükleer temel durumuna hızla tam olarak ilerlemez. Bu genellikle bir ara uyarılmış durumun oluşumu, taban durumundan çok farklı bir dönüşe sahip olduğunda ortaya çıkar. Emisyon sonrası durumun dönüşü, özellikle uyarma enerjisi düşükse, emisyon durumunun dönüşünden büyük ölçüde farklıysa, gama ışını emisyonu engellenir. Bu durumda uyarılmış durum, uyarılabilir enerjilerden daha az uyarılabilir enerjiye sahip başka bir ara spin durumu yoksa metastabil olmak için iyi bir adaydır.

Belirli bir izotopun yarı kararlı izomerleri genellikle bir "m" ile belirtilir. Bu atama atomun kütle sayısından sonra yerleştirilir; örneğin, kobalt-58m, 58m
27Co
olarak kısaltılır; burada 27, kobaltın atom numarasıdır. Birden fazla metastabil izomere sahip izotoplar için, "indeksler" ifadeden sonra yerleştirilir ve etiketleme m1, m2, m3, vb. Olur. Artan endeksler, m1, m2, vb., İzomerik durumların her birinde depolanan artan uyarım enerjisi seviyeleri ile ilişkilidir (örn. Hafniyum-178m2 veya 178m2
72Hf
).

Farklı bir tür metastabil nükleer durum (izomer), fisyon izomeri veya şekil izomeridir. Taban durumlarındaki çoğu aktinit çekirdeği küresel değildir, aksine Amerikan futbolu veya rugby topuna benzer şekilde, diğer eksenlerden daha uzun bir simetri ekseni ile sferoidaldir. Bu geometri, protonların ve nötronların dağılımının, küresel geometriden çok daha fazla olduğu kuantum-mekanik durumlarla sonuçlanabilir, bu da nükleer yer durumuna uyarmanın kuvvetle engellenmesini sağlar.

Genel olarak, bu durumlar ya taban durumuna "olağan" uyarılmış bir durumdan çok daha yavaş bir şekilde uyarırlar ya da nanosaniye ya da mikrosaniye sırasının yarı ömürleri ile kendiliğinden fisyona uğrarlar - çok kısa bir süre, ama birçok daha olağan nükleer uyarılmış bir durumu yarı ömründen daha uzun bir büyüklük. Fisyon izomerleri genellikle "m" yerine bir postscript veya üst simge "f" ile gösterilir, böylece bir fisyon izomeri örn. plütonyum-240, plütonyum-240f veya 240f
94Pu
olarak belirtilir.

Neredeyse kararlı izomerler

.Çoğu nükleer uyarılmış durum çok dengesizdir ve 10⁻¹² saniye arasında var olan ekstra enerjiyi "hemen" yayar. Sonuç olarak, "nükleer izomer" karakterizasyonu genellikle sadece 10⁻⁹ saniye veya daha uzun yarılanma ömrüne sahip konfigürasyonlara uygulanır. Kuantum mekaniği, bazı atomik türlerin, bu daha katı standartta bile olağandışı uzun ömürlü izomerlere sahip olması ve ilginç özelliklere sahip olması gerektiğini öngörmektedir. Bazı nükleer izomerler o kadar uzun ömürlüdür ki nispeten kararlıdırlar ve miktar olarak üretilebilirler ve gözlemlenebilirler.

Doğada meydana gelen en kararlı nükleer izomer, 180m
73Ta
'dır ve bu, 8.300'de yaklaşık 1 kısımda tüm tantal numunelerinde bulunur. Yarı ömrü en az 10¹⁵ yıldır, evrenin yaşından belirgin şekilde daha uzundur. İzomerik durumun düşük uyarma enerjisi, 180
Ta
her iki gama uyarımına neden olur taban durumu (kendisi beta bozunması ile radyoaktiftir, sadece 8 saatlik bir yarılanma ömrüne sahiptir) ve spin uyumsuzluklarından dolayı bastırılacak hafniyum veya tungsten'e doğrudan beta bozunmasıdır. Bu izomerin kökeni gizemlidir, ancak süpernovada (diğer çoğu ağır element gibi) oluştuğuna inanılmaktadır. taban haline gelmek isteseydi, 75 keV foton enerjisine sahip bir foton salardı.

İlk olarak 1988 yılında C. B. Collins tarafından 180m
Ta
'nın enerjisini daha zayıf X-ışınları ile serbest bırakmak zorunda kalabileceği bildirildi. Bu tür uyarılma yöntemi hiç gözlemlenmemiştir; bununla birlikte ¹⁸⁰Ta^m'nın eksitasyonu Bu çekirdeğin (E ~ 1 MeV) orta seviyelerinin rezonansla foto-uyarılması ile 1999 yılında Belic ve Stuttgart nükleer fizik grubundaki iş arkadaşları tarafından bulunmuştur.

178m2
72Hf
bir diğer makul derecede kararlı nükleer izomerdir. 31 yıllık bir yarı ömre ve nispeten uzun ömürlü herhangi bir izomerin en yüksek uyarma enerjisine sahiptir. Bir gram saf 178m2
Hf
, yaklaşık 1.33 gigajoule enerji içerir, bu da yaklaşık 315 kg (694 lb) TNT patlamaya eşdeğerdir. 178m2
Hf
'lik doğal boznma, enerjisi toplam enerjisi 2.45 MeV olan gama ışınları olarak salınır. 180m
Ta
'da olduğu gibi, 178m2
Hf
'nin enerjisini serbest bırakmaya teşvik edilebileceği tartışmalı raporlar vardır. Bu nedenle, madde gama ışını lazerleri için olası bir kaynak olarak incelenmektedir. Bu raporlar, enerjinin çok hızlı bir şekilde serbest bırakıldığını gösterir, böylece 178m2
Hf
(exawatt sırasına göre) son derece yüksek güçler üretebilir. Diğer izomerler de gama ışını ile uyarılan emisyon için olası ortam olarak araştırılmıştır.

Holmiyum nükleer izomeri 166m1
67Ho
, 1200 yıllık bir yarı ömre sahiptir, bu da herhangi bir holmiyum radyonüklidinin neredeyse en uzun yarı ömrüdür. Sadece 163
Ho
, yarı ömrü 4.570 yıl, daha kararlı.

229
90Th
Bu, taban durumunun sadece 8.28 ± 0.17 eV üzerinde olduğu dikkate değer derecede düşük yalancı metastabil bir izomere sahiptir. Yıllarca süren başarısızlık ve önemli bir yanlış alarmdan sonra, bu bozulma, iç dönüşüm bozulmasına bağlı olarak 2016 yılında doğrudan gözlemlenmiştir. Bu doğrudan tespit, dahili dönüşüm bozunması altında izomerin ömrünün bir ilk ölçümüne, elektronik kabuğun spektroskopisi yoluyla izomerin manyetik dipolünün ve elektrik dörtlü momentinin belirlenmesine ve uyarma enerjisinin daha iyi bir şekilde ölçülmesine izin verdi. Düşük enerjisinden dolayı, izomerin doğrudan nükleer lazer spektroskopisine ve benzeri görülmemiş doğrulukta bir nükleer saatin geliştirilmesine izin vermesi beklenir.

Bozunmanın yüksek spin baskılanması

Uyarılmış çekirdeklerin gama bozulmasının baskılanması için en yaygın mekanizma, ve böylece metastabil bir izomerin varlığı, uyarılmış durum için herhangi bir doğrultuda nükleer açısal momentumu, spin açısal momentumunda en yaygın 1 kuantum birimi değişiliği değiştirecek bir bozunma yolunun olmamasıdır. Bu değişiklik, bu sistemde 1 birim dönüşlü bir gama foton yaymak için gereklidir. Açısal momentumda 2 ve daha fazla birimin integrali değişmesi mümkündür, ancak yayılan fotonlar ek açısal momentumu gerçekleştirir. 1'den fazla birimdeki değişiklikler yasak geçişler olarak bilinir. Yayılan gama ışınının taşıması gereken 1'den büyük her ek spin değişimi, bozulma oranını yaklaşık 5 büyüklükte engeller. Bilinen en yüksek 8 birim spin değişimi, 1 birim ile ilişkili olandan 10³⁵ faktörünü azaltan 180mTa bozunmasında meydana gelir. 10⁻¹² saniyelik doğal bir gama-bozunma yarılanma ömrü yerine, 10²³ saniyeden daha uzun bir yarılanma ömrüne veya en az 3 × 10¹⁵ yıllık bir yarı ömre sahiptir ve bu nedenle henüz bozulmadığı gözlemlenmemiştir.

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

Uygulamalar

Hafniyum izomerleri (esas olarak ^178m2Hf), Nükleer Silahların Yayılmasını Önleme Antlaşması'nı atlatmak için kullanılabilecek silahlar olarak düşünülmüştür, çünkü çok güçlü gama radyasyonu yaymaya teşvik edilebilecekleri iddia edilmektedir. Bu iddia genellikle iskonto edilir. DARPA'nın her iki nükleer izomerin bu kullanımını araştırmak için bir programı vardı. Bu tür silahlarda kullanılmaları için bir ön koşul olan nükleer izotoplardan ani bir enerji salınımı tetikleme potansiyeli tartışmalıdır. Bununla birlikte, 2003 yılında izotopun seri üretim araçlarını değerlendirmek için 12 üyeli Hafniyum İzomer Üretim Paneli (HIPP) oluşturuldu.

Tıbbi ve endüstriyel uygulamalarda 99m
43Tc
(yarılanma ömrü 6.01 saat olan) ve 95m
43Tc
(61 günlük yarılanma ömrü olan) Technetium izomerleri kullanılır.

Nükleer piller

Nükleer piller yüksek enerji yoğunluklu az miktarda (miligram ve mlkroküri) radyoizotop kullanır. Bir betavoltaik cihaz tasarımında, radyoaktif malzeme, bitişik P-tipi ve N-tipi silikon tabakalarına sahip bir cihazın üzerine oturur. İyonlaştırıcı radyasyon doğrudan bağlantı noktasına nüfuz eder ve elektron deliği çiftleri oluşturur. Nükleer izomerler diğer izotopların yerini alabilir ve daha fazla gelişmeyle, gerektiğinde çürümeyi tetikleyerek bunları açıp kapatmak mümkün olabilir. Bu tür kullanım için mevcut adaylar arasında ¹⁰⁸Ag, ¹⁶⁶Ho, ¹⁷⁷Lu ve ²⁴²Am bulunmaktadır. 2004 itibariyle, başarılı bir şekilde tetiklenen tek izomer ^180mTa idi;

¹⁷⁷Lu gibi bir izotop, çekirdeğin içindeki bir dizi iç enerji seviyesiyle bozunma gama ışınlarını serbest bırakır ve tetikleme kesitlerini yeterli doğrulukla öğrenerek, yüksek patlayıcı veya diğer geleneksel kimyasal enerji depolarından 106 kat daha yoğun enerji depoları oluşturmak mümkün olabilir.

Bozunma süreçleri

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

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

İzomerler diğer elementlere bozunabilir, ancak bozunma hızı izomerler arasında farklılık gösterebilir. Örneğin, ^177mLu, 160.4 gün yarılanma ömrü ile ¹⁷⁷Hf'ye beta bozunabilir veya 160.4 gün yarılanma ömrü ile ¹⁷⁷Lu'ya izomerik geçişe uğrayabilir ve daha sonra beta, 6.68 gün yarılanma ömrü ile ¹⁷⁷Hf'ye bozunabilir.

Uyarılmış bir nükleer durumdan bir gama ışınının yayılması, çekirdeğin enerji kaybetmesine ve daha düşük enerjili bir duruma, bazen de taban durumuna ulaşmasına izin verir. Bazı durumlarda, bir nükleer reaksiyonu veya başka bir tür radyoaktif bozunmayı takiben uyarılan nükleer durum, yarı iletken bir nükleer uyarılmış durum haline gelebilir. Bazı çekirdekler dakikalar, saatler, günler veya bazen çok daha uzun süre bu metastabil uyarılmış durumda kalabilirler.

İzomerik geçiş süreci, herhangi bir uyarılmış nükleer durumdan gelen herhangi bir gama emisyonuna benzer, ancak daha uzun yarı ömürleri olan uyarılmış metastabil nükleus durumlarını dahil ederek farklılık gösterir. Bu durumlar, bir alfa parçacığı, beta parçacığı veya bazen çekirdeği uyarılmış bir durumda bırakan diğer parçacık türlerinin emisyonunun ardından gama radyoaktif bozunmaya uğrayan tüm çekirdekler olarak oluşturulur.

Gama ışını enerjisini doğrudan en sıkı bağlı elektronlardan birine aktarabilir, bu da elektronun atomdan atılmasına neden olur, bu da fotoelektrik etki olarak adlandırılır. Bu, ara partikül olarak hiçbir gama ışını fotonunun üretilmediği dahili dönüştürme işlemi ile karıştırılmamalıdır.