Jadrová izoméria - uniba.sk
Transcript of Jadrová izoméria - uniba.sk
![Page 1: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/1.jpg)
Jadrová izoméria
Upresnenie a
doplnenia k PhD JF
![Page 2: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/2.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 2/10
Izomér - definíciaDlhožijúca metastabilná vzbudená hladina atómového
jadra...
Prakticky závisí od uhla pohľadu – čo je daný experiment schopný merať.
Iná definícia slovíčka „dlhožijúca hladina“
Dlhožijúca hladina = dostatočne dlho žijúca na to aby sa vytvorila príslušná atómová štruktúra.
J.Cerny, J. Hardy Annu. Rev. Nucl. Sci. 27 (1977) 333
Väčšinou rádovo viac ako nanosekundy.
![Page 3: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/3.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 3/10
Molekulová izoméria
L-metamphetamin
bez psycho-aktívnych účinkovD-metamphetamin
psycho-aktívna molekula
![Page 4: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/4.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 4/10
Trochu histórie• 1917 – F. Soddy (idea)
„nuclei having the same charge and the same mass but still not identical“– „isotopy of the second kind(Nature 99 (1917) 414)
• 1921 O. Hahn (objav)z prírodneho rozpadového reťazca 238U bol popri rozpadu zo základného stavu 234Pa (T1/2 = 6.7 h) zistený aj rozpad s polčasom T1/2 = 1.15 m (mimochodom excitačná energia dodnes nie je známa!!!)
• 1935 Objav umelo vytvorených izomérov v izotopoch india (Szilard a Chalmers) a brómu (Kurchatov a Fermi)Stále neexistovala teória tvorby izomérnych stavov
• 1936 – teória izoméru C.F. v Weizsäcker (Naturwissenschaften 24 (1936) 813)
• 1949 – len 75 známych izomérov (E. Segre a A.C. Helmholz Rev. Mod. Phys. 21 (1941) 271
Teraz uz cca 2600 izomérov a 2800 jadier
![Page 5: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/5.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 5/10
Oblasti jadrovej izomérie
![Page 6: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/6.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 6/10
Zaujímavé izoméry
Dlhý polčas: 180Ta, 9-, E* = 75 keV, T1/2 > 1015 rokov
Vysoký spin: 212Fr, 34+, E* = 8.5 MeV, T1/2 = 24 ms
Vysoká energia: 152Er, ≈36, E* = 13 MeV, T1/2 = 11 ns
Nízka energia: 229Er, 3/2+, E* ≈ 5.5 eV, T1/2 ≈ 10 h
Protónovo bohaté: 94Ag, 21+, E* = 5.8 MeV, T1/2 = 300 ms
Neutrónovo bohaté: 130Cd (predbežné)
Vysoká hmotnosť: 270Ds, (10-), E* ≈ 1 MeV, T1/2 ≈ 6 ms254No, ≈16, E* ≈ 2.5 MeV,T1/2 = 184 ms
![Page 7: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/7.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 7/10
Typy izomérov
P. Walker, G. Dracoulis Nature 399 (1999) 35 -40
![Page 8: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/8.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 8/10
Fissioning Shape Isomers (T1/2,f~ns-ms)
g
g
g
g
Spontaneous fission
g
g
g
• Discovery: 1962 Fissioning shape isomers (V.M. Polikanov et al.)
• Populate states in the second well (typical E*=2-3 MeV)
• Lower and thinner Bfis,external shorter T1/2
• e.g. 242gAm T1/2=141 y, but 242mAm T1/2=14 ms!
Cm 96
Es 99
Fm 100
Cf 98
Bk 97
Am 95
Pu 94
Np 93
U 92
Pa 91
Th 90
148
152
146 144 142
Fission isomers NDS78, 1 (1996)
232
234235 238
14 ms 242mAm
g
Bf,e
fissioning shape
isomer
g
g
g
g
![Page 9: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/9.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 9/10
Spinová pasca
Malá zmena
spinu vedie iba
energeticky
vyššie stavy
Ei – Ef < 0
Ei – Ef > 0
DI Prechod na energeticky
výhodný stav si vyžaduje
veľkú zmenu spinu
![Page 10: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/10.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 10/10
Ako vznikne spinová pasca?
Pre formovanie spin. pasce
je klúčová prítomnosť orbitalov
s vysokým spinom
![Page 11: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/11.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 11/10
Ako vznikne spinovú pascu
Spin-orbit splitting brings down high-j states close to low-j states –large change in spin => isomers
These isomers are evidence for the shell structure of nuclei.
2p3/2
1f5/2
2p1/2
1g9/2
2d5/2
1g7/23s1/2
2d3/2
1h11/2
2f7/2
1h9/2
1i13/23p3/2
2f5/2
3p1/2126
82
50
28
M213/2+ i13/2
9/2- h9/2
![Page 12: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/12.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 12/10
Tvorba izomérov v blizkosti
uzavretých vrstiev
![Page 13: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/13.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 13/10
Izoméry india (Z = 49)
Prakticky všetky
izotopy India s
nepárnou hmotnosťou
tvoria dlhožijúce
izoméricé stavy.
Prečo?
1g9/2
2p1/2
![Page 14: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/14.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 14/10
Systematiky 1/2- izomerov v In
Veľmi dlho žijúce (od minút po hodiny) vysoko ležiace (300 – 700 keV)
základný stav: jeden nespárovaný protón
v 1g9/2 orbitale spin 9/2
Excitovaný stav: protón z 2p1/2 orbitalu sa presunie
do 1g9/2 orbitalu, na 2p1/2 ostáva nespárovaný
protón spin 1/2
|9/2 – 1/2| = 4 povolené prechody M4 a E5
Rovnaká situácia nastala v izotopoch Tália
![Page 15: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/15.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 15/10
Protón-neutrón viazanosť
![Page 16: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/16.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 16/10
B(E) a B(M) hodnotyČasto sa stáva, že rýchlosť gamma prechody nie je v súlade s
odhadom podľa vzťahov.
122
122
2
21
12
122
2
21
sec1973
3
!!12
19.110
sec1973
3
!!12
14.410
l
l
magnetic
l
l
electric
RE
lll
l
RE
lll
l
g
g
Definícia pre magnetický prechod je
ekvivalentná. Takže keď je B(E) > 1,
prechod je rýchlejší ako sa očakáva.
![Page 17: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/17.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 17/10
Seniority izoméryŠpecifický prípad keď nastáva previazanosť (coupling) v rámci
orbitalu. Zavádzame kvantové číslo seniorita (n) udávajúce počet
nespárovaných nukleónov v orbitale. Počet nukleónov v orbitale
je n. Potom platí:
Napr. pre N = 50
40 < Z < 50
(g9/2)1...9
![Page 18: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/18.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 18/10
Seniority izoméry
![Page 19: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/19.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 19/10
Príklad 94Ru
![Page 20: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/20.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 20/10
Izoméry v deformovanom jadreNilssonov model opisujúci jednočasticový pohyb v deformovanom
potenciáli. Zavádzajú sa nové tzv. asymptotické kvantové čísla.
j - moment hybnosti častice (orbitálny moment hybnosti plus spin)
W - projekcia momentu hybnosti do osi symetrie (jz)
S, L – projekcie orbitalneho a spinoveho momentu hybnosti
nz – kvantové číslo oscilátora
Oblate 2 < 0
Spherical 2 = 0
Prolate 2 > 0
g9/2
9/2
7/2
5/2
3/2
1/2
1/2
3/2
5/2
7/2
9/2
[404]
[413]
[422]
[431]
[440]
[N nz L ]ž žW W
![Page 21: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/21.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 21/10
Jednočasticové izoméry
![Page 22: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/22.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 22/10
Jednočasticový izomér
Jp = 1/2-
Jp = 7/2- M3 prechod
Pre 100 keV rozdiel
energii cca sekundy
Možnosť identifikovať
jednočasticové hladiny,
ich energiu aj charakter
![Page 23: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/23.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 23/10
Izoméry s nepárnym A v oblasti Z = 66 - 80
Pre N = 99:171Hf, 169Yb (46s), 167Er (2.3 s), 165Dy (1.3 min)
1/2- → 7/2+
L = |W1 - W2| = 3 E3
![Page 24: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/24.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 24/10
Výberové pravidlo pre DL
Izomér v 181Ta
W L + S
![Page 25: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/25.jpg)
Výberové pravidlo pre DL
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 25/10
W L
S
L2
5/2+[402]
S 1/2
Izomér v 181Ta
W L + S
W 5/2
7/2+[404]
S 1/2
L4W 7/2
![Page 26: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/26.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 26/10
K izoméry
• Izoméry kde
dochádza k veľkej
zmene kvantového
čisla K. Čo to to K
vlastne je?
• K – je priemet
momentu hybnosti j
do osi symetrie.
![Page 27: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/27.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 27/10
K izoméry
ground state
Ωπ[NnzΛ]
Fermi l.
K = Ω1+ Ω2
π = π1π2
2-qp state
The high –K state
Pre jednočasticový prípad je priemet momentu
hybnosti (spinu) j do osi symetrie W
Pri viacerých časticiach je priemet celkového momentu hybnosti
súčtom všetkých Wi
![Page 28: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/28.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 28/10
K pasca
Malá zmena
K vedie iba
energeticky
vyššie stavy
Ei – Ef < 0
Ei – Ef > 0
DKPrechod na energeticky
výhodný stav si vyžaduje
veľkú zmenu K
![Page 29: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/29.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 29/10
K-hindrance in 178Hf
• Violated selection
rule:
– λ ≥ ΔK
• Hindrance factor:
–
• Degree of hindrance:
– ν = ΔK – λ
• Loebner systematics:
– HF > 100ν
0+
3064+
6+
8+
8-
11-
10-
9-
13-
12-
14-
1058
2+
4 s
K=8
0
632
16+17+
18+
19+
20+
93
1147
1859
2136
13641604
2447
2433
2749
2804
3580
3182
31 y
K=16
13 (M2)
K=0
3997
310 (E3)
89 (E1)
Hyp. Interact. 135 (2001) 83
WT
THF
21
.exp
21
8- → 8+ , 89 keV
ΔK=8, λ = 1
T1/2W = 3.03E-13 s
Fictive K-allowed transition
![Page 30: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/30.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 30/10
254No
![Page 31: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/31.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 31/10
254No – K-isomers
R.-D. Herzberg et al. Nature 442 (2006) 896-899
100
Z
6242951427
pp
9/2+
7/2–
1/2–
7/2+
3/2–
1/2+
Calculated configuration:
Kp=8- Eexc = 1.44 MeV
V. G. Soloviev
J. Nucl. Phys. 54 (1991) 1232-1238
![Page 32: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/32.jpg)
K-hindrance
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 32/10
WWT
TF
21
.exp
21
K.E.G. Lobner, Physics Letters 26B, 369 (1968)
![Page 33: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/33.jpg)
Príklad: 178Hf• Odhadnite dobu života hladiny, ktorá sa deexcituje 310
keV E3 prechodom v 178Hf medzi 4-qp stavom 16+ a 14-
(rotačný stav na 2qp stave 8+)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 33/10
![Page 34: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/34.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 34/10
Tvarové izoméry
Pre párno-párne jadrá máme možné „intruder“
stavy s rôznou deformáciou.
Deexcitujú sa prechodmi 0+→ 0+ pri ktorých je
emisia g kvanta zakázaná.
Možná deexcitácia procesmi:
a) Vnútorná konverzia
b) Emisia e+e- párov
(E* > 1022 keV)
c) Dvojfotónová emisia
![Page 35: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/35.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 35/10
Fissioning Shape Isomers (T1/2,f~ns-ms)
g
g
g
g
Spontaneous fission
g
g
g
• Discovery: 1962 Fissioning shape isomers (V.M. Polikanov et al.)
• Populate states in the second well (typical E*=2-3 MeV)
• Lower and thinner Bfis,external shorter T1/2
• e.g. 242gAm T1/2=141 y, but 242mAm T1/2=14 ms!
Cm 96
Es 99
Fm 100
Cf 98
Bk 97
Am 95
Pu 94
Np 93
U 92
Pa 91
Th 90
148
152
146 144 142
Fission isomers NDS78, 1 (1996)
232
234235 238
14 ms 242mAm
g
Bf,e
fissioning shape
isomer
g
g
g
g
![Page 36: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/36.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 36/10
Zhrnutie – typy izomérov
• Spinové izoméry
rozhoduje zmena spinu... Rôzne typy izomérov vo sférických aj
deformovaných jadrách
• K-izoméry
rozhoduje zmena projekcie spinu
Deformované jadrá
• Tvarové izoméry
stavy s rôznou deformáciou v párno-párnych jadrách
stavy so sekundárnym minimom štiepnej bariéry
![Page 37: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/37.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 37/10
Info ktoré môžeme získať z izomérov
• Informácie o jednočasticových hladinách
• Informácie o párovaní nukleónov
• Možnosť študovať excitované stavy, ktoré
by inak neboli experimentálne sledované
• Izomérické terče a zväzky – možnosť
štúdia spinu na jadrové reakcie
![Page 38: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/38.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 38/10
Rozpad izoméru
• V prípade vysoko nepravdepodobnej de-excitácie izoméru prichádza do úvahy priamo rádioaktívna premena izoméru.
• Identifikácia – iné rozpadové charakteristiky (polčas, energia prip. Typ premeny)
![Page 39: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/39.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 39/10
176Lu
Log f ≈ 2
T1/2part = 5.95 h
Log t ≈ 4.33
Log ft ≈ 6.33
Prvý zakázaný
Zmena spinu o 0,1,2
a zmena parity
![Page 40: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/40.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 40/10
176Lu
Log f ≈ 2
T1/2part = 3,78x1010 r
Log t ≈ 18
Log ft ≈ 20
Tretí, alebo štvrtý
zakázaný
Zmena spinu o 3-5 a
možná zmena parity.
Rozpor z realitou!
![Page 41: Jadrová izoméria - uniba.sk](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012423/61781d43409c30147a0924ca/html5/thumbnails/41.jpg)
29. 5. 2019 Jadrová izoméria 41/10
176LuPrvý zakázaný5 < log ft <10
w
K~0
j=R
K=7
j1
j2
j
Veľká zmena v orientácii uhlového momentu hybnosti