Nuklearni izomer

Nuklearni izomer predstavlja metastabilno stanje atomskog jezgra izazvano pobuđivanjem jednog ili više njegovih nukleona. Nuklearni izomer se nalazi u stanju više energije u odnosu na odgovarajući, nepobuđeni nukleus koji se naziva osnovno stanje. Prelazak nuklearnog izomera u osnovno stanje, tzv. relaksacija dovodi do oslobađanja energije. Ovaj proces nije registrovan za nuklearni izomer Ta-180m jer se dešava jako sporo.

Metastabilni izomeri

Metastabilni izomeri se mogu dobiti nuklearnom fuzijom ili drugim nuklearnim reakcijama. Atomska jezgra dobivena nuklearnim reakcijama se, u većini slučajeva, nalaze u pobuđenom stanju iz kojeg prelaze u osnovno stanje emisijom gama zračenja. U većini slučajeva, relaksacija do osnovnog stanja se dešava u vremenskom intervalu kraćem od jedne pikosekunde. S druge strane postoje slučajevi kod kojih proces relaksacije do osnovnog stanja ne protiče brzo. Ovo se najčešće dešava zbog formiranja intermedijernog pobuđenog stanja sa spinom koji se jako razlikuje od spina osnovnog stanja. Emisija gama-zraka je prilično usporena ako se spin stanja koje je nastalo nakon emisije znatno razlikuje od spina početnog stanja, naročito ako je ekscitacijska energija mala.

Metastabilni izomeri određenog izotopa se najčešće označavaju slovom "m" (ili, u slučaju postojanja više od jednog izomera, m2, m3, itd.). Oznaka se stavlja nakon masenog broja atoma, npr. Co-58m. Povećanje broja u oznaci (m, m2, itd.) je povezano sa povećanjem ekscitacione energije svakog od izomernih stanja (npr. Hf-177m2).

Druga vrsta metastabilnog nuklearnog stanja (izomera) je tzv. fisioni izomer. Ovo stanje se javlja kod jezgara koja imaju sferoidni oblik, odnosno koja su "izdužena" po jednoj osi simetrije. Sferoidna distribucija kvanto-mehaničkih stanja dovodi do otežane relaksacije izomera do osnovnog stanja. Ovakvi izomeri prelaze u osnovno stanje znatno sporije od "klasičnih" metastabilnih stanja ili podliježu spontanoj fisiji sa vremenom poluraspada od nekoliko nanosekundi do nekoliko milisekundi, što predstavlja znatno duže vrijeme u odnosu na "klasična" metastabilna stanja. Fisioni izomeri se najčešće označavaju slovom "f", npr. Pu-240f. Ovi izomeri su karakteristični za jezgra aktinoida.

Relativno stabilni izomeri

Većina nuklearnih izomera je jako nestabilna i raspada se u veoma kratkom vremenu (oko 10⁻¹² sekundi). Relativno stabilnim izomerima se smatraju izomeri čije je vrijeme poluraspada 10⁻⁹ sekundi ili veće. Iako ne postoji "stabilan" izomer, kvantna mehanika predviđa postojanje izomera sa neobično dugim vremenom postojanja. Neki relativno stabilni izomeri se mogu proizvesti u mjerljivim količinama.

Jedini relativno stabilan nuklearni izomer koji se pojavljuje u prirodi je Ta-180m. Njegov udio u prirodnom tantalu je 1/8300, a procjenjeno vrijeme poluraspada 10¹⁵ godina, što je znatno duže vrijeme od starosti svemira. Stabilnost ovog izomera je posljedica činjenice da je ekscitaciona energija izomernog stanja niska, zbog čega su jako usporeni procesi relaksacije do Ta-180 osnovnog stanja putem emisije gama-zračenja. Također je, zbog velike razlike u spinovima, onemogućen beta raspad do hafnija ili volframa. Porijeklo ovog izomera nije razjašnjeno, iako se vjeruje da nastaje eksplozijom supernove (kao i većina drugih teških metala). Prilikom relaksacije u osnovno stanje, Ta-180m emituje foton energije 75 keV. Collins^[1] je 1988. godine postavio hipotezu da je moguće izazvati relaksaciju Ta-180m pri čemu se emituju x-zraci. Eksperimentalnu potvrdu za ovo su dali Belic i saradnici 1999. godine.^[2]

Još jedan prilično stabilan nuklearni izomer (sa vremenom poluraspada od 31 godinu) je hafnijum-178m2. Hf-178m2 ima najveću ekscitacionu energiju od svih dugoživućih izomera. Jedan gram čistog Hf-178-m2 sadrži oko 1330 MJ energije, što je ekvivalentno eksploziji 317 kilograma TNT-a. Prirodni raspad Hf-178-m2 se dešava uz emisiju gama-zračenja ukupne energije 2,45 MeV. Kao i u slučaju Ta-180m, postoje izvještaji o stimulisanoj relaksaciji Hf-178-m2, zbog čega se ovaj izomer izučava kao potencijalni gama-laser. Oslobađanje energije prilikom relaksacije Hf-178-m2 se dešava jako brzo, pri čemu se može dobiti ekstremno velika snaga (reda veličine jednog eksawata). Osim navedenih, postoje i drugi izomeri koji se ispituju kao potencijalni mediji za indukovanu emisiju gama zraka.^[3]

Torij-229 ima niskoenergetski nuklearni izomer čija je energija nekoliko elektronvolti iznad osnovnog stanja.

Primjene

Izomeri hafnija i tantala se u nekim krugovima smatraju oružjem koje može biti iskorišteno za zaobilaženje Ugovora o neširenju nuklearnog oružja, jer je u ovim izomerima moguće indukovati vrlo jako gama zračenje.^[4]

Tehnecijumovi izomeri Tc-99m (sa vremenom poluraspada 6,01 sat) i Tc-95m (61 dan) imaju primjenu u medicini i industriji.

Procesi raspada

Izomeri se raspadaju do nižih energetskih stanja kroz dva izomerna prelaza:

γ (gama) zračenje (emisija visokoenergetskog fotona)
unutrašnja konverzija (energija se troši na ionizaciju atoma)

Također pogledajte

Indukovana gama-emisija

Reference

^ "C.B. Collins et al., Phys. Rev. C, 37, p 2267-2269 (1988)" (PDF). Arhivirano s originala (PDF), 21. 1. 2019. Pristupljeno 16. 3. 2009.
^ D. Belic et al., Phys. Rev. Lett., 83, p 5242 (1999).
^ "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission". UNH Nuclear Physics Group. 1. 4. 1997. Arhivirano s originala, 5. 9. 2006. Pristupljeno 1. 6. 2006.
^ Sunday Supplement Magazine Washington Post article, March 28, 2004

Vanjskilinkovi

Research group which presented initial claims of hafnium nuclear isomer de-excitation control.Arhivirano 25. 2. 2009. na Wayback Machine - The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
JASON Defense Advisory Group report on high energy nuclear materials mentioned in the Washington Post story above
May 2004 article in Physics Today which reviews the Hf controversy in a balanced manner. login required?
Confidence for Hafnium Isomer Triggering in 2006.Arhivirano 16. 3. 2007. na Wayback Machine - The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
Reprints of articles about nuclear isomers in peer reviewed journals.Arhivirano 28. 9. 2007. na Wayback Machine - The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.

[1] "C.B. Collins et al., Phys. Rev. C, 37, p 2267-2269 (1988)" (PDF). Arhivirano s originala (PDF), 21. 1. 2019. Pristupljeno 16. 3. 2009.

[2] D. Belic et al., Phys. Rev. Lett., 83, p 5242 (1999).

[3] "UNH researchers search for stimulated gamma ray emission". UNH Nuclear Physics Group. 1. 4. 1997. Arhivirano s originala, 5. 9. 2006. Pristupljeno 1. 6. 2006.

[4] Sunday Supplement Magazine Washington Post article, March 28, 2004

[1]

[2]

[3]

[4]