Isomérie nucléaire. Isomérie nucléaire Isomérie nucléaire

ISOMÉRIE DES NOYAUX ATOMIQUES, existence de certains noyaux atomiques, ainsi que de l'état fondamental, d'états excités à longue durée de vie (métastables), appelés isomères. Historiquement, les états dont la durée de vie peut être mesurée directement (supérieure à 0,01 μs) sont considérés comme isomères. Le phénomène d'isomérie est dû à une forte différence dans la structure des états voisins (excité et sol), ce qui entraîne une diminution significative de la probabilité de désintégration de l'état excité (parfois de plusieurs ordres de grandeur).

La première indication de l'existence d'isomères nucléaires a été obtenue en 1921 par O. Hahn, qui a découvert parmi les produits de désintégration de l'uranium une substance radioactive qui, avec le même numéro atomique Z et le même numéro de masse A, avait deux chemins de désintégration radioactive complètement différents. Cependant, la date de découverte de l'isomérie des noyaux atomiques est considérée comme 1935, lorsqu'un groupe de scientifiques soviétiques dirigé par I.V. Kurchatov a découvert la formation de trois isotopes radioactifs avec des demi-vies différentes lors de l'irradiation du brome avec des neutrons lents.

Par la suite, il s'est avéré que ce phénomène est assez répandu : plusieurs centaines d'états isomères sont déjà connus, et certains noyaux peuvent en avoir plusieurs. Par exemple, le noyau hafnium avec A = 175 possède 5 états avec des durées de vie supérieures à 0,1 μs.

Une condition indispensable à l'existence d'un état isomère du noyau est la présence d'une sorte d'interdiction des transitions radiatives de l'isomère vers des états de plus faible énergie. Il existe un certain nombre de caractéristiques connues de la structure nucléaire qui provoquent une telle interdiction : la différence de moment cinétique (spins) des états isomère et fondamental, conduisant à des transitions radiatives de multipolité élevée, des orientations différentes des spins par rapport à un axe préféré dans le noyau, différentes formes de noyaux dans les deux états.

La désintégration des états isomères s'accompagne généralement de l'émission d'électrons ou de quanta γ, entraînant la formation du même noyau, mais dans un état d'énergie plus faible. Parfois, la désintégration bêta est plus probable. Les isomères des éléments lourds peuvent se désintégrer par fission spontanée. Les états isomères des noyaux présentant une forte probabilité de fission spontanée sont appelés isomères fissiles. On connaît environ 30 noyaux (isotopes U, Pu, Am, Cm, Bk), pour lesquels la probabilité de fission spontanée à l'état isomère est environ 10 à 26 fois supérieure à celle à l'état principal.

L'isomérie des noyaux atomiques est une source importante d'informations sur la structure des noyaux atomiques ; l'étude des isomères a permis d'établir l'ordre de remplissage des obus nucléaires. Sur la base des durées de vie des isomères, on peut juger des valeurs des interdictions de transitions radiatives et de leur lien avec la structure nucléaire.

Les isomères nucléaires trouvent également des applications pratiques. Par exemple, en analyse d'activation, leur formation permet dans certains cas d'atteindre une plus grande sensibilité de la méthode. Les isomères nucléaires à longue durée de vie sont considérés comme de possibles dispositifs de stockage d’énergie à l’avenir.

Lit. : Korsunsky M.I. Isomérie des noyaux atomiques. M., 1954 ; Polikanov S. M. Isomérie de la forme des noyaux atomiques. M., 1977.

Information historique

Le concept d'isomérie des noyaux atomiques est apparu en 1921, lorsque le physicien allemand O. Hahn a découvert une nouvelle substance radioactive uranium-Z (UZ), qui ne différait ni par ses propriétés chimiques ni par son nombre de masse de l'uranium-X2 déjà connu ( UX 2), avait cependant une demi-vie différente. En notation moderne, UZ et UX 2 correspondent aux états fondamentaux et isomères de l'isotope. En 1935, B.V. Kurchatov, I.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky et L.I. Rusinov ont découvert un isomère de l'isotope artificiel du brome 80 Br, formé avec l'état fondamental du noyau lors de la capture de neutrons par le 79 Br stable. Cela a jeté les bases d’une étude systématique de ce phénomène.

Informations théoriques

Les états isomères diffèrent des états excités ordinaires des noyaux en ce que la probabilité de transition vers tous les états sous-jacents pour eux est fortement supprimée par les règles d'exclusion de spin et de parité. En particulier, les transitions présentant une multipolarité élevée (c'est-à-dire un changement de spin important requis pour une transition vers l'état sous-jacent) et une faible énergie de transition sont supprimées.

Parfois, l’apparition d’isomères est associée à une différence significative dans la forme du noyau selon les différents états énergétiques (comme dans le cas du 180 Hf).

Les isomères relativement stables avec des demi-vies allant de 10 −6 secondes à plusieurs années sont les plus intéressants. Les isomères sont désignés par la lettre m(de l'anglais métastable) dans l'indice du nombre de masse (par exemple, 80 m Br) ou dans l'index supérieur droit (par exemple, 80 Br m). Si un nucléide a plus d'un état excité métastable, ils sont désignés par ordre croissant d'énergie par les lettres m, n, p, q et plus loin par ordre alphabétique, ou par lettre m avec le numéro ajouté : m 1, m 2, etc

Quelques exemples

Remarques

Littérature

1. L. I. Rusinov // Isomérie des noyaux atomiques. UFN. 1961. T. 73. N° 4. P. 615-630.
2. E.V. Tkalya. // Désintégration induite de l'isomère nucléaire 178m2 Hf et de la « bombe isomère ». UFN. 2005. T. 175. N° 5. P. 555-561.

voir également

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L'existence de noyaux de certains nucléides en énergie excitée métastable. États. Les nucléides à noyau métastable sont désignés par la lettre latine tv top. index à gauche du numéro de masse. Ainsi, l'isomère métastable 236Np est désigné 236mNp. ET … Encyclopédie chimique

Le phénomène des isotopes radioactifs artificiels, une découverte mondiale exceptionnelle (1935) du scientifique russe I.V. Kurchatov.

ISOMÉRIE NUCLÉAIRE- l'existence de certains noyaux, ainsi que de l'état fondamental, d'états excités (métastables) à durée de vie assez longue, appelés. isomère. Phénomène I. I. a été découvert en 1921 par O. Hahn, qui a découvert un acte radioactif. une substance qu'il a appelée uranium Z (UZ), qui avait le même numéro atomique Z et le même numéro de masse UN, comme un autre acte radioactif, la substance UX 2, mais en différait par sa demi-vie. Les deux substances étaient des produits de la désintégration p du même élément UX 1 (234 90 Th). Plus tard, il s'est avéré que UZ et UX 2 sont les états fondamentaux et isomères du noyau 234 91 Pa (l'état isomère est désigné par l'indice T, par exemple. 234m 91 Ra). En 1935, I.V. Kurchatov, B.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky et L.I. Rusinov ont découvert que lorsque l'isotope stable 79 35 Br est irradié avec des neutrons, un acte radioactif se forme. l'isotope 80 35 Br, en ayant deux, qui correspondaient aux désintégrations du sol et aux états isomères. Des études plus approfondies ont révélé un grand nombre d'états isomères des noyaux avec décomposition. demi-vies à partir de 3. 10 6 ans (210m Bi) à plusieurs. mks et même pas. Mn. les noyaux en ont 2 et, par exemple, 160. Mais il a 4 états isomères. La raison pour laquelle je. est un affaiblissement de la probabilité d'émission de rayons gamma à partir d'un état excité (voir. Rayonnement gamma Cela se produit généralement lorsqu'une petite énergie de transition est combinée avec une grande différence dans les valeurs des moments du nombre de mouvements I (moments angulaires) du début. et états finaux. Plus la multipolarité est élevée et plus l’énergie de transition hw est faible, plus la probabilité d’une transition y est faible. Dans certains cas, l'affaiblissement de la probabilité d'émission de g-quanta s'explique par des caractéristiques structurelles plus complexes des états du noyau, entre lesquels une transition se produit (différentes structures du noyau dans les états isomère et sous-jacent). En figue. Les figures 1 et 2 montrent des fragments des schémas de décomposition pour les isomères 234m 91 Pa et 80m 35 Br. Dans le cas du protactinium, la raison de I. i. est une faible énergie et une multipolarité élevée. EZ g-transition. C'est si difficile que dans l'écrasante majorité des cas, l'isomère subit une désintégration B (voir. Désintégration bêta noyaux). Pour certains isomères, la transition isomérique devient souvent totalement inobservable. Dans le cas de 80m 35 Vr I. I. est obligé à la transition g de la multipolarité du MS. Le noyau de l'état isomère (I p = 5 -) passe à un état d'énergie inférieure (2 -), qui passe en peu de temps à l'état principal. État nucléaire 80 35 Br. Dans le cas du noyau 242 Am (Fig. 3) I. i. associé à la transition g de multipolarité E4.

Riz. 1. Schéma de désintégration de l'isomère 234m 91 Ra. Les états fondamentaux (0) et isomères sont mis en évidence par des traits épais ; à gauche se trouvent les valeurs des spins et des parités (I p), à droite se trouvent la multipolarité, les énergies de niveau (en keV) et les demi-vies ; Les probabilités de divers canaux de désintégration nucléaire à partir de l'état isomère sont données en %.

L'état isomérique se désintègre principalement par la transition g, mais dans 5 cas sur 1000, on l'observe désintégration alpha Dans les exemples donnés, les transitions isomères s'accompagnent dans la plupart des cas de l'émission d'électrons de conversion plutôt que de g quanta (voir Fig. Conversion interne).

Riz. 2. Schéma de décomposition de l'isomère 80m 35 Br ; E.Z - capture électronique.

Riz. 3. Schéma de désintégration de 242m 95 Am.

Un grand nombre de transitions isomères de multipolarité M4 sont observées lors de la « décharge » d'états excités de noyaux impairs, lorsque le nombre de protons ou de neutrons se rapproche du nombre magique. nombres (îlots d'isomérie). Ceci est expliqué modèle de coque du noyau, conséquence du remplissage des états voisins g 9/2 et p 1/2, ainsi que h 11/2 et d 3/2 (g, p, h, d- désignations des moments orbitaux des nucléons, leurs indices sont les valeurs de spin).

Riz. 4. Schéma de désintégration de 180m 72 Hf.

Contrairement aux exemples donnés, l'état isomère 180m 72 Hf (Fig. 4) appartient à un noyau stable et possède une énergie d'excitation relativement élevée. La raison de l'isomérie est la transition g E1 fortement affaiblie avec une énergie de 57,6 keV, qui est inhibée 10 à 16 fois en raison des différences structurelles entre les états 8 - et 8 +. En 1962, un nouveau type d'isomérie de fission a été découvert au JINR. Il s'est avéré que certains isotopes des éléments transuraniens U, Pu, Am, Cm et Bk ont ​​des états excités avec une énergie de ~2-3 MeV, qui se désintègrent en

Les isomères sont des noyaux atomiques qui possèdent le même nombre de neutrons et de protons, mais des propriétés physiques différentes, notamment des demi-vies différentes.

Riz. 6.1. Transition γ isomérique dans le noyau 115 In.

La durée de vie des noyaux radioactifs γ est généralement de l'ordre de 10 -12 –10 -17 s. Dans certains cas, lorsqu'un degré élevé d'interdiction est combiné avec une faible énergie de la transition γ, des noyaux γ-radioactifs avec des durées de vie d'ordre macroscopique (jusqu'à plusieurs heures, et parfois plus) peuvent être observés. De tels états excités de noyaux à longue durée de vie sont appelés isomères . Un exemple typique d'isomère est l'isotope de l'indium 115 In (Fig. 6.1). L'état fondamental de 115 In a J P = 9/2 + . Le premier niveau excité a une énergie égale à 335 keV et une parité de spin de J P = 1/2 - . Par conséquent, la transition entre ces états se produit uniquement par l’émission d’un quantum γ M4. Cette transition est si fortement interdite que la demi-vie de l'état excité s'avère être de 4,5 heures.
Le phénomène d'isomérie nucléaire a été découvert en 1921 par O. Gann, qui a découvert qu'il existe deux substances radioactives qui ont les mêmes nombres de masse A et numéro atomique Z, mais diffèrent par leur demi-vie. Il a été démontré plus tard qu’il s’agissait d’un état isomérique de 234 mPa. Selon Weizsäcker (Naturwiss. 24, 813, 1936), l'isomérie nucléaire se produit chaque fois que le moment cinétique d'un noyau dans un état excité avec une faible énergie d'excitation diffère du moment cinétique dans tout état ayant une énergie d'excitation inférieure de plusieurs unités ћ. Un état isomère (métastable) a été défini comme un état excité ayant une durée de vie mesurable. À mesure que les méthodes expérimentales de spectroscopie gamma se sont améliorées, les demi-vies mesurables sont tombées à 10 -12 -10 -15 s.

Tableau 6.1

États excités 19 F

Il faut s'attendre à des états isomères où les niveaux de coque proches les uns des autres en énergie diffèrent considérablement en valeurs de spin. C’est dans ces zones que se trouvent ce que l’on appelle les « îles d’isomérie ». Ainsi, la présence d’un isomère dans l’isotope 115 In ci-dessus est due au fait qu’il lui manque un proton pour atteindre la coque fermée Z = 50), c’est-à-dire qu’il y a un « trou » de proton. A l'état fondamental, ce trou se trouve dans la sous-couche 1g 9/2, et à l'état excité, dans la sous-couche 1p 1/2. Cette situation est typique. Les îlots d'isomérie sont situés juste avant les nombres magiques 50, 82 et 126 du côté des plus petits Z et N. Ainsi, des états isomères sont observés dans les noyaux 86 Rb (N = 49), 131 Te (N = 79, ce qui est proche de 82), 199 Hg ( Z = 80, ce qui est proche de 82), etc. A noter qu'à côté de celles considérées, il existe d'autres raisons à l'apparition d'états isomères. Actuellement, un grand nombre d'isomères ont été découverts avec une demi-vie de quelques secondes à 3·10 6 ans (210m Bi). De nombreux isotopes ont plusieurs états isomères. Le tableau 6.2 montre les paramètres des isomères à vie longue (T 1/2 > an).

Tableau 6.2

Paramètres des états isomères des noyaux atomiques

ISOMÉRIE NUCLÉAIRE

L'existence de certains noyaux, ainsi que de l'état fondamental, d'états excités (métastables) à durée de vie assez longue, est appelée. isomère. Phénomène I. I. a été découvert en 1921 par O. Hahn, qui a découvert un acte radioactif. une substance qu'il a appelée uranium Z (UZ), qui avait le même numéro atomique Z et le même numéro de masse UN, comme un autre acte radioactif, la substance UX 2, mais en diffère par sa demi-vie. Les deux substances étaient des produits de la désintégration p du même élément UX 1 (234 90 Th). Plus tard, il s'est avéré que UZ et UX 2 sont les états fondamentaux et isomères du noyau de 234 91 Pa (l'état isomère est désigné par l'indice T, par exemple 234m 91 Ra). En 1935, I.V. Kurchatov, B.V. Kurchatov, L.V. Mysovsky et L.I. Rusinov ont découvert que lorsque l'isotope stable 79 35 Br est irradié avec des neutrons, un acte radioactif se forme. l'isotope 80 35 Br, qui a deux demi-vies, qui correspondent aux désintégrations du sol et aux états isomères. Des études plus approfondies ont révélé un grand nombre d'états isomères des noyaux avec décomposition. demi-vies à partir de 3. 10 6 ans (210m Bi) à plusieurs. mks et même pas. Mn. les noyaux ont 2 isomères et, par exemple, 160 Mais a 4 états isomères. Rayonnement gamma). Cela se produit généralement lorsqu'une petite énergie de transition est combinée avec une grande différence dans les valeurs des moments du nombre de mouvements I (moments angulaires) du début. et états finaux. Plus la multipolarité est élevée et plus l’énergie de transition hw est faible, plus la probabilité d’une transition y est faible. Dans certains cas, l'affaiblissement de la probabilité d'émission des g-quanta s'explique par des caractéristiques structurelles plus complexes des états du noyau, entre lesquels une transition se produit (différentes structures du noyau dans les états isomère et sous-jacent). . Les figures 1 et 2 montrent des fragments des schémas de décomposition pour les isomères 234m 91 Pa et 80m 35 Br. Dans le cas du protactinium, la raison de I. i. est une faible énergie et une multipolarité élevée. EZg-transition. C'est si difficile que dans l'écrasante majorité des cas, l'isomère subit une désintégration B (voir. Désintégration bêta noyaux). Pour certains isomères, la transition isomérique devient souvent totalement inobservable. Dans le cas de 80m 35 Vr I. I. est obligé à la transition g de la multipolarité du MS.
Riz. 1. Schéma de désintégration de l'isomère 234m 91 Ra. Les états fondamentaux (0) et isomères sont mis en évidence par des traits épais ; à gauche se trouvent les valeurs des spins et des parités (I p), à droite se trouvent la multipolarité, les énergies de niveau (en keV) et les demi-vies ; Les probabilités de divers canaux de désintégration nucléaire à partir de l'état isomère sont données en %.

L'état isomérique se désintègre principalement par la transition g, mais dans 5 cas sur 1000, on l'observe désintégration alpha. Dans les exemples donnés, les transitions isomères s'accompagnent dans la plupart des cas de l'émission d'électrons de conversion plutôt que de g-quanta (voir Fig. Conversion interne).

Riz. 2. Schéma de décomposition de l'isomère 80m 35 Br ; E.
Riz. 3. Schéma de désintégration de 242m 95 Am.

Un grand nombre de transitions isomères de multipolarité M4 sont observées lors de la « décharge » d'états excités de noyaux impairs, lorsque le nombre de protons ou de neutrons se rapproche du nombre magique. nombres (îlots d'isomérie). Ceci est expliqué modèle de coque du noyau, en conséquence du remplissage par des nucléons d'états voisins, similaires en énergie, mais très différents en spin, des états g 9/2 et p 1/2, ainsi que h 11/2 et d 3/2 (g, p, h, d - désignations des moments orbitaux des nucléons, leurs indices sont les valeurs de spin).

Riz. 4. Schéma de désintégration de 180m 72 Hf.

Contrairement aux exemples donnés, l'état isomère 180m 72 Hf (Fig. 4) appartient à un noyau stable et possède une énergie d'excitation relativement élevée. La raison de l'isomérie est la transition g E1 fortement affaiblie avec une énergie de 57,6 keV, qui est inhibée 10 à 16 fois en raison des différences structurelles entre les états 8 - et 8 +. En 1962, un nouveau type d'isomérie de fission a été découvert au JINR. Il s'est avéré que certains isotopes des éléments transuraniens U, Pu, Am, Cm et Bk ont ​​des états excités avec une énergie de ~2-3 MeV, qui se désintègrent en fission nucléaire spontanée. On suppose que cette espèce I. i. s'explique par la différence de forme des noyaux dans les états isomère et fondamental (voir. Fission nucléaire). Les états isomères très excités peuvent subir une désintégration des protons (voir Radioactivité des protons).Lit. : Mukhin K.N., Physique nucléaire expérimentale, 4e édition, vol. 1, M, 1983 ; Spectroscopie alpha, bêta et gamma, trans. de l'anglais dans 3. M., 1969 ; voir aussi allumé. et tableau à l'art. Nucléide. A. I. Feoktistov.

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