핵이성체

Nuclear isomer

핵 이성질체원자핵준안정 상태로, 하나 이상의 핵자(단자 또는 중성자)가 동일한 핵의 지면 상태보다 더 높은 에너지 수준을 차지한다."메타블(Metastable)"은 들뜬 상태의 반감기가 "촉진" 반감기와 함께 붕괴되는 들뜬 핵 상태의 반감기보다 100배에서 1000배 긴 핵을 의미한다(일반적으로 10초−12 정도)."메타스터블"이라는 용어는 일반적으로 반감기가−9 10초 이상인 이성질체로 제한됩니다.일부 참고문헌에서는 준안정 반감기를 정상적인 "촉진" 감마 방출 [1]반감기와 구별하기 위해 5 × 10초를−9 권장한다.경우에 따라서는 반감기가 이보다 훨씬 길어 몇 분, 몇 시간 또는 몇 년 동안 지속될 수 있습니다.예를 들어, Ta 핵 이성질체
붕괴가 관찰되지 않을 정도로 오래 생존한다(최소15 10년).
핵이성체의 반감기는 Ta, Ir, Bi
, Am
, 다중 홀뮴 이성질체마찬가지

동일한 핵종의 지반 상태를 초과할 수도 있다.

때로는 준안정 상태의 감마 붕괴를 이성질 전이라고 부르기도 하지만, 이 과정은 메타 안정 모핵 이성질체의 장수명 특성을 제외하고 일반적으로 모든 외부 측면에서 단수명 감마 붕괴와 유사하다.핵 이성체의 준안정 상태가 긴 것은 종종 지면 상태에 도달하기 위해 감마 방출에 관여해야 하는 핵 스핀 변화의 정도가 크기 때문이다.이 높은 스핀 변화로 인해 이러한 소멸이 금지되고 지연됩니다.방출 지연은 낮은 또는 높은 가용 붕괴 에너지로 인해 발생합니다.

최초의 핵 이성체와 부패 딸 시스템(현재 Pa/234
91
Pa로 알려진 우라늄2 X/우라늄
Z)은
[2]1921년 오토 한에 의해 발견되었다.

핵이성체의 핵

핵 이성질체의 핵은 지면 상태에 존재하는 비여자 핵보다 높은 에너지 상태를 차지한다.들뜬 상태에서 핵에 있는 하나 이상의 양성자 또는 중성자는 사용 가능한 핵 궤도보다 높은 에너지의 핵 궤도를 차지한다.이러한 상태는 원자 내 전자의 들뜬 상태와 유사하다.

들뜬 원자 상태가 붕괴되면, 에너지는 형광에 의해 방출된다.전자 천이에서 이 과정은 일반적으로 가시 범위 근처의 빛을 방출하는 것을 포함합니다.방출되는 에너지의 양은 결합 분리 에너지 또는 이온화 에너지와 관련이 있으며, 일반적으로 결합당 수 ~ 수 십 eV의 범위에 있습니다.그러나 훨씬 더 강력한 형태의 결합 에너지인 핵 결합 에너지는 핵 과정에 관여한다.이로 인해 대부분의 핵 들뜸 상태는 감마선 방출에 의해 붕괴된다.예를 들어, 다양한 의료 절차에 사용되는 잘 알려진 핵 이성질체는 Tc로, 140
keV의 에너지를 방출하여 약 6시간의 반감기로 붕괴한다. 이는 의료 진단 X선의 에너지에 가깝다.

핵 이성질체는 감마선을 방출하는 데 필요한 핵 스핀의 큰 변화로 인해 감마 붕괴가 "금지"되기 때문에 긴 반감기를 갖는다.
들어, Ta의 스핀은 9이며 스핀 1로 Ta까지 감마
감쇠해야 한다.
마찬가지
Tc의 스핀은 1/2이며 9/2 스핀으로 Tc까지
감마 감쇠해야 한다.

대부분의 준안정 이성질체는 감마선 방출을 통해 붕괴하지만 내부 변환을 통해 붕괴될 수도 있다.내부 변환 중에 핵탈여자의 에너지는 감마선으로 방출되지 않고 원자의 내부 전자 중 하나를 가속하는 데 사용됩니다.이 들뜬 전자들은 빠른 속도로 떠난다.이것은 내부 원자 전자가 핵의 양성자가 다른 방식으로 다시 배열될 때 생성되는 강한 전기장의 영향을 받는 핵에 침투하기 때문입니다.

에너지의 안정성과 거리가 먼 원자핵에서는 더 많은 붕괴 모드가 알려져 있다.

핵분열 후 생성될 수 있는 핵분열 조각 중 몇 개는 준안정 이성질체 상태를 가진다.이 조각들은 보통 에너지와 각운동량 측면에서 매우 들뜬 상태에서 생성되며, 즉각적인 들뜸 제거 과정을 거칩니다.이 과정의 마지막에, 핵은 지면과 이성체 상태 모두를 채울 수 있다.이성질체의 반감기가 충분히 길면 그 생산속도를 측정하여 지반상태와 비교하여 이른바 이성질 [3]수율비를 산출할 수 있다.

준안정 이성질체

준안정 이성질체핵융합이나 다른 핵반응통해 생성될 수 있다.이렇게 생성된 핵은 일반적으로 하나 이상의 감마선 또는 변환 전자의 방출을 통해 이완되는 들뜬 상태에서 존재하기 시작합니다.탈여자 상태가 원자력 지반 상태로 빠르게 진행되지 않을 수 있다.이것은 보통 중간 들뜸 상태의 형성이 지면 상태의 스핀과 크게 다른 스핀을 가질 때 발생한다.방출 후 상태의 스핀이 방출 상태의 스핀과 크게 다르면, 특히 들뜸 에너지가 낮은 경우에는 감마선 방출이 방해된다.이 상황에서의 들뜸 상태는 전이 가능한 상태보다 작은 들뜸 에너지를 가진 중간 스핀의 다른 상태가 없는 경우 전이 가능한 좋은 후보이다.

특정 동위원소의 준안정 이성질체는 보통 "m"로 지정된다.이 명칭은 원자의 질량 번호 뒤에 붙습니다. 예를 들어, 코발트-58m1Co
약칭됩니다. 여기서 27은 코발트의 원자 번호입니다.
2개 이상의 준안정 이성질체를 가진 동위원소는 명칭 뒤에 "인덱스"가 배치되며, 라벨은 m1, m2, m3 등이 된다.지수 증가 m1, m2 등은 각 이성질체 상태(예를 들어 하프늄-178m2, 또는
Hf)에 저장된 들뜸 에너지의 증가 수준과 관련이 있다.

다른 종류의 준안정 핵상태(이성체)는 핵분열 이성질체 또는 형상 이성질체이다.그라운드 상태에 있는 대부분의 악티니드 핵은 구형이 아니라 다른 축보다 긴 대칭 축을 가진 구상체이다. 미식축구나 럭비공과 비슷하다.이 기하학은 양성자와 중성자의 분포가 구형 기하학에서 너무 멀어서 핵 지반 상태에 대한 들뜸 제거가 강하게 방해되는 양자역학 상태를 초래할 수 있다.일반적으로 이러한 상태는 "통상적인" 들뜬 상태보다 훨씬 더 느리게 지반 상태로 탈진하거나 나노초 또는 마이크로초반감기자발적인 핵분열을 겪는다. 이는 매우 짧은 시간이지만 일반적인 핵 들뜬 상태의 반감기보다 훨씬 긴 수치다.핵분열 이성질체는 "m"이 아닌 "f"로 표기할 수 있으므로 플루토늄-240의 핵분열 이성질체는 플루토늄-240f 또는
Pu로 표기할 수 있다.

거의 안정된 이성질체

대부분의 핵 들뜸 상태는 매우 불안정하며 약 10초 후에 여분의−12 에너지를 "즉시" 방출한다.따라서 핵 이성질체라는 명칭은 보통 반감기가−9 10초 이상인 구성에만 적용된다.양자역학은 특정 원자종이 이처럼 엄격한 기준에서도 비정상적으로 긴 수명을 가진 이성체를 갖고 흥미로운 성질을 가져야 한다고 예측한다.일부 핵 이성질체는 수명이 너무 길어서 비교적 안정적이고 대량으로 생산되고 관찰될 수 있다.

자연에서 발생하는 핵 이성질체 중 가장 안정적인 것은 Ta
, 모든 탄탈 시료에 8,300분의 1 정도로 존재한다.
그것의 반감기는 적어도15 10년이며, 우주의 나이보다 훨씬 길다.이성질체 상태의 낮은 들뜸 에너지는 Ta 지면
상태에 대한 감마 디 들뜸(그 자체가 베타 붕괴에 의해 방사성이며 반감기는 8시간에 불과하다)과 하프늄 또는 텅스텐에 대한 직접적인 베타 붕괴를 스핀 불일치로 억제한다.
이 이성체의 기원은 신비롭지만, 초신성(대부분의 다른 무거운 원소들처럼)에서 형성되었다고 여겨진다.만약 그것이 지면 상태로 완화된다면, 그것은 75 keV광자 에너지를 가진 광자를 방출할 것이다.

1988년 C. B. 콜린스에[4] 의해 Ta가 약한 X선에 의해 에너지를 방출할 수 있다는
처음 보고되었다.
이러한 탈여자 방법은 관찰된 적이 없지만, 1999년 벨릭과 슈투트가르트 핵물리학 [5]그룹의 동료들에 의해 이 핵의 중간 고준위(E ~ 1 MeV)의 공명 광자극에 의한 Ta
탈여자 현상이 발견되었다.

178m2
72
Hf

합리적으로 안정된 또 다른 핵 이성질체이다.
그것은 31년의 반감기와 비교적 장수명 이성질체 중 가장 높은 들뜸 에너지를 가지고 있다.순수
Hf 1g은 약 1.33기가 줄의 에너지를 포함하고 있으며 이는 약 315kg(694파운드)의 TNT를 폭발시키는 것과 맞먹습니다.
Hf
자연 붕괴에서 에너지는 총 에너지 2.45 MeV의 감마선으로 방출된다.
Ta와 마찬가지
Hf
에너지를 방출하도록 자극할 수 있다는 논란적인 보고가 있다.
이 때문에 이 물질은 감마선 레이저의 가능한 공급원으로 연구되고 있다.이러한 보고서는 에너지가 매우 빠르게 방출되므로 Hf
매우 높은 전력을 생산할 수 있음을 나타냅니다(엑스와트 정도).
다른 이성질체들도 감마선 자극 [1][6]방출의 가능한 매체로 조사되었다.

홀뮴의 핵 이성질체
Ho는 1,200년의 반감기를 가지고 있는데, 이것은 어떤 홀뮴 방사성핵종보다도 거의 긴 반감기이다.
반감기가 4570년인 호만이
더 안정적이다.

229
90
Th

지반 상태에서 [7]8.28 ± 0.17 eV로 추정되는 현저하게 낮은 준안정 이성질체를 가지고 있다.
수년간의 실패와 하나의 주목할 만한 허위 [8][9]경보 이후, 이 붕괴는 내부 변환 [10][11]붕괴를 바탕으로 2016년에 직접 관찰되었다.이 직접 검출을 통해 내부 [12]변환 붕괴 시 이성체의 수명을 최초로 측정하고 전자 쉘의[13] 분광법을 통해 이성체의 자기 쌍극자 및 전기 4극 모멘트를 측정하며 들뜸 에너지를 개선할 수 [7]있었다.낮은 에너지로 인해, 이 이성질체는 직접 핵 레이저 스펙트럼 분석과 전례 없는 정확도[14][15]핵 시계 개발을 가능하게 할 것으로 기대된다.

고회전 부식 억제

들뜬 핵의 감마 붕괴를 억제하고 따라서 준안정 이성체의 존재에 대한 가장 일반적인 메커니즘은 스핀 각 운동량에서 주어진 방향에 따라 핵 각 운동량을 가장 많이 바꾸는 들뜬 상태의 붕괴 경로가 없다는 것이다.이 변화는 이 시스템에서 1 단위의 스핀을 갖는 감마 광자를 방출하기 위해 필요하다.각운동량에서 2개 이상의 유닛의 적분변화가 가능하지만 방출된 광자는 추가적인 각운동량을 수행합니다.둘 이상의 유닛의 변경을 금지 이행이라고 합니다.방출 감마선이 전달해야 하는 스핀 변화 1보다 큰 각각의 추가 단위는 [16]약 5 차수의 붕괴 속도를 억제한다.알려진 스핀 변화 중 가장 높은 8단위는 Ta의 붕괴에서 발생하며, Ta의 붕괴는 1단위와 관련된 것보다 10배35 정도 감소한다.10초의 자연−12 감마 감쇠 반감기 대신 10초 이상23 또는 최소 3 × 10년의15 반감기를 가지며, 따라서 붕괴가 아직 관찰되지 않았다.

핵이 제로 스핀 상태에서 시작되면 감마 방출은 각 운동량을 [citation needed]보존하지 못하기 때문에 불가능하다.

적용들

하프늄[17][18] 이성질체(주로 Hf)는 매우 강한 감마선을 방출하도록 유도될 수 있기 때문에 핵확산금지조약을 회피하는 데 사용할 수 있는 무기로 간주되어 왔다.이 청구는 일반적으로 [19]경시되고 있다.DARPA는 두 핵 [20]이성체의 사용을 조사하는 프로그램을 가지고 있었다.핵 동위원소를 그러한 무기에 사용하기 위한 전제 조건인 핵 동위원소에서 에너지를 갑자기 방출할 수 있는 가능성은 논란이 되고 있다.그럼에도 불구하고 12명으로 구성된 하프늄 이성질체 생산 패널(HIPP)은 동위원소를 [21]대량 생산하는 방법을 평가하기 위해 2003년에 만들어졌다.

테크네튬 이성질체
Tc(반감기 6.01시간)와
Tc(반감기 61일)는 의료 및 산업 분야에서 사용됩니다.

핵전지

루테튬-177을m 하프늄-177로 변환하기 위한 핵붕괴 경로

배터리는 에너지 밀도가 높은 소량의 방사성 동위원소(밀리그램과 마이크로크리)를 사용한다.하나의 베타 기전 장치 설계에서 방사성 물질은 P형N형 실리콘의 인접한 층을 가진 장치 위에 위치한다.이온화 방사선이 직접 접합부를 관통하여 전자-공 쌍을 형성한다.핵 이성질체는 다른 동위원소를 대체할 수 있으며, 추가적인 발전으로 필요에 따라 붕괴를 유발하여 동위원소를 켜고 끄는 것이 가능할 수 있다.현재 사용 후보로는 Ag, Ho, LuAm있습니다.2004년 현재 유일하게 성공적으로 트리거된 이성질체는 Ta로 방출[22]것보다 더 많은 광자 에너지가 필요했다.

같은 177Lu 발매된 감마 동위. 원소 붕괴로 핵 속에 내부 에너지 수준을 경험하고 충분한 정확도로 촉발의 계기가 된 중심으로 횡단면 배움으로써, 그것은 106배 더 높은 또는 다른 폭발적인 전통적인 화학 에너지 stora보다 농축된 에너지 저장소를 만드는 것이 가능할지도 모른다고 여겨집니다 rays.ge.[22]

붕괴 과정

이성질체 전이(IT)는 핵 이성체가 저에너지 핵 상태로 붕괴하는 것이다.실제 프로세스에는 두 가지 유형(모드)[23][24]이 있습니다.

  • γ(고에너지 광자의 방출),
  • 내부 변환(에너지는 원자의 전자 중 하나를 방출하는 데 사용됩니다.)

이성질체는 다른 원소로 붕괴될 수 있지만, 붕괴 속도는 이성질체마다 다를 수 있습니다.예를 들어 Lu는 160.4d의 반감기로 Hf로 베타 감쇠하거나 160.4d의 반감기로 Lu로 이성질체 전환을 거쳐 6.68d의 [22]반감기로 Hf로 베타 감쇠할 수 있다.

들뜬 핵 상태에서 감마선을 방출하면 핵이 에너지를 잃고 낮은 에너지 상태(때로는 지면 상태)에 도달할 수 있다.경우에 따라서는 핵반응이나 다른 유형의 방사성 붕괴에 따른 들뜬 핵상태가 준안정적인 핵 들뜬 상태가 될 수 있다.어떤 핵들은 몇 분, 몇 시간, 며칠, 그리고 때로는 훨씬 더 오랫동안 이 준안정적인 들뜬 상태를 유지할 수 있다.

이성질체 전이 과정은[which?] 모든 들뜬 핵 상태에서 감마 방출과 유사하지만, 반감기가 긴 들뜬 핵의 준안정 상태를 포함한다는 점에서 다르다.다른 들뜬 상태와 마찬가지로, 핵은 알파 입자, 베타 입자 또는 다른 종류의 입자의 방출에 따라 이성체 상태로 남아 있을 수 있습니다.

감마선은 에너지를 가장 단단하게 묶인 전자 중 하나로 직접 전달하여 전자가 원자로부터 방출되도록 할 수 있는데, 이 과정을 광전 효과라고 합니다.이것은 감마선 광자가 중간 입자로 생성되지 않는 내부 변환 과정과 혼동해서는 안 된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크