Индуцированное гамма-излучение

Бомбардировка атомных ядер для получения очень коротковолнового света

В физике индуцированное гамма-излучение ( ИГЭ ) относится к процессу флуоресцентного излучения гамма-лучей возбужденными ядрами, обычно с участием определенного ядерного изомера . Это аналогично обычной флуоресценции , которая определяется как излучение фотона ( единицы света) возбужденным электроном в атоме или молекуле. В случае ИГЭ ядерные изомеры могут хранить значительные количества энергии возбуждения в течение времени, достаточного для того, чтобы они могли служить ядерными флуоресцентными материалами. Известно более 800 ядерных изомеров ^[1], но почти все они слишком радиоактивны по своей природе, чтобы рассматриваться для применения. По состоянию на 2006 год ^{[обновлять]}было предложено два ^{[ требуется ссылка ]} ядерных изомера, которые, по-видимому, физически способны к флуоресценции ИГЭ в безопасных условиях: тантал-180m и гафний-178m2 .

История

Энергетика ИГЭ от ¹¹⁵ In. Стрелки - фотоны, (вверх) поглощение, (вниз) испускание. Горизонтальные линии - возбужденные состояния In, участвующие в ИГЭ.

Индуцированное гамма-излучение является примером междисциплинарного исследования, граничащего как с ядерной физикой, так и с квантовой электроникой. Рассматриваемое как ядерная реакция, оно будет относиться к классу, в котором только фотоны участвуют в создании и разрушении состояний ядерного возбуждения. Это класс, который обычно упускается из виду в традиционных обсуждениях. В 1939 году Понтекорво и Лазар ^[2] сообщили о первом примере этого типа реакции. Целью был индий , и в современной терминологии, описывающей ядерные реакции , это будет записано как ¹¹⁵ In(γ,γ ^' ) ^115m In. Продукт нуклида имеет букву «m», что означает, что он имеет достаточно длительный период полураспада (в данном случае 4,5 ч), чтобы считаться ядерным изомером . Именно это сделало эксперимент возможным в 1939 году, поскольку у исследователей было несколько часов, чтобы удалить продукты из облучающей среды, а затем изучить их в более подходящем месте.

В случае с фотонами-снарядами импульс и энергия могут сохраняться только в том случае, если падающий фотон, рентгеновский или гамма-излучение, имеет точно такую же энергию, которая соответствует разнице в энергии между начальным состоянием ядра-мишени и некоторым возбужденным состоянием, которое не слишком отличается с точки зрения квантовых свойств, таких как спин. Порогового поведения нет, и падающий снаряд исчезает, а его энергия передается во внутреннее возбуждение ядра-мишени. Это резонансный процесс, который нетипичен для ядерных реакций , но нормален для возбуждения флуоресценции на атомном уровне. Только совсем недавно, в 1988 году, была окончательно доказана резонансная природа этого типа реакции. ^[3] Такие резонансные реакции легче описываются формальностями атомной флуоресценции, и дальнейшее развитие было облегчено междисциплинарным подходом IGE.

Существует небольшое концептуальное различие в эксперименте IGE, когда мишень является ядерным изомером . Такая реакция, как ^m X(γ,γ ^' )X, где ^m X является одним из пяти кандидатов, перечисленных выше, отличается только тем, что существуют более низкие энергетические состояния для нуклида продукта, которые могут войти после реакции, чем они были в начале. Практические трудности возникают из-за необходимости обеспечения безопасности от спонтанного радиоактивного распада ядерных изомеров в количествах, достаточных для эксперимента. Время жизни должно быть достаточно большим, чтобы дозы от спонтанного распада от мишеней всегда оставались в безопасных пределах. В 1988 году Коллинз и его коллеги ^[4] сообщили о первом возбуждении IGE от ядерного изомера. Они возбудили флуоресценцию от ядерного изомера тантала -180m с помощью рентгеновских лучей, полученных с помощью линейного ускорителя внешней лучевой терапии . Результаты были неожиданными и считались спорными, пока не были идентифицированы резонансные состояния, возбужденные в мишени. ^[5]

Отличительные черты

Если падающий фотон поглощается начальным состоянием ядра-мишени, это ядро перейдет в более энергетическое состояние возбуждения. Если это состояние может излучать свою энергию только во время перехода обратно в начальное состояние, результатом будет процесс рассеяния , как показано на схематическом рисунке. Это не пример IGE.
Если падающий фотон поглощается начальным состоянием целевого ядра, это ядро будет переведено в более энергетическое состояние возбуждения. Если существует ненулевая вероятность того, что иногда это состояние начнет каскад переходов, как показано на схеме, это состояние называется «шлюзовым состоянием» или «уровнем запуска» или «промежуточным состоянием». Испускается один или несколько флуоресцентных фотонов, часто с различными задержками после начального поглощения, и этот процесс является примером IGE.
Если начальное состояние ядра-мишени — это его основное (самое низкоэнергетическое) состояние, то флуоресцентные фотоны будут иметь меньшую энергию, чем падающий фотон (как показано на схематическом рисунке). Поскольку канал рассеяния обычно самый сильный, он может «ослепить» приборы, используемые для обнаружения флуоресценции, и в ранних экспериментах предпочитали изучать IGE, пульсируя источником падающих фотонов, пока детекторы были выключены, а затем концентрируясь на любых задержанных фотонах флуоресценции, когда приборы можно было безопасно включить снова.
Если начальное состояние целевого ядра является ядерным изомером (начинающимся с большей энергией, чем основное), оно также может поддерживать IGE. Однако в этом случае схематическая диаграмма не просто пример, показанный для ¹¹⁵ In, а читается справа налево со стрелками, повернутыми в другую сторону. Такое «разворот» потребовало бы одновременного (с точностью <0,25 нс) поглощения двух падающих фотонов с разными энергиями, чтобы перейти от изомера 4 h обратно к «шлюзовому состоянию». Обычно изучение IGE от основного состояния до изомера того же ядра мало что говорит о том, как тот же изомер будет вести себя, если его использовать в качестве начального состояния для IGE. Чтобы поддержать IGE, необходимо найти энергию для падающего фотона, которая «соответствовала бы» энергии, необходимой для достижения некоторого другого шлюзового состояния, не показанного на схеме, которое могло бы запустить свой собственный каскад вниз к основному состоянию.
Если мишень — это ядерный изомер, запасающий значительное количество энергии, то IGE может создать каскад, содержащий переход, который испускает фотон с большей энергией, чем у падающего фотона. Это будет ядерным аналогом апконверсии в лазерной физике .
Если мишень — это ядерный изомер, запасающий значительное количество энергии, то IGE может создать каскад через пару возбужденных состояний, времена жизни которых «инвертированы», так что в наборе таких ядер популяция будет накапливаться на более долгоживущем верхнем уровне, быстро опустошая при этом более короткоживущий нижний член пары. Результирующая инверсия популяций может поддерживать некоторую форму когерентной эмиссии, аналогичную усиленной спонтанной эмиссии (ASE) в лазерной физике . Если физические размеры набора ядер-изомеров мишени будут длинными и тонкими, то может получиться форма гамма-лазера .

Потенциальные приложения

Энергоспецифические дозиметры

Поскольку IGE из ядер в основном состоянии требует поглощения очень специфических энергий фотонов для получения задержанных флуоресцентных фотонов, которые легко подсчитываются, существует возможность создания энергетически специфических дозиметров путем объединения нескольких различных нуклидов. Это было продемонстрировано ^[6] для калибровки спектра излучения от импульсного ядерного симулятора DNA-PITHON. Такой дозиметр может быть полезен в лучевой терапии , где рентгеновские лучи могут содержать много энергий. Поскольку фотоны разных энергий оказывают свое воздействие на разной глубине в обрабатываемой ткани, это может помочь откалибровать, какая часть общей дозы будет отложена в фактическом объеме мишени.

Мощность самолета

В феврале 2003 года нерецензируемый New Scientist написал о возможности самолета с двигателем IGE, варианта ядерного двигателя . ^[7] Идея заключалась в использовании ^178m2 Hf (предположительно из-за его высокого отношения энергии к весу), который будет запускаться для испускания гамма-лучей, которые будут нагревать воздух в камере для реактивного движения. Этот источник энергии описывается как «квантовый ядерный реактор», хотя неясно, существует ли это название только в отношении статьи New Scientist .

Ядерное оружие

Частично эта теоретическая плотность сделала всю область IGE столь спорной . Было высказано предположение, что материалы могут быть сконструированы так, чтобы позволить всей накопленной энергии высвобождаться очень быстро в "взрыве". Возможное высвобождение энергии только гамма-излучения сделало бы IGE потенциально мощным "взрывчатым веществом" само по себе или потенциальным радиологическим оружием .

Зажигание термоядерной бомбы

Плотность гамма-излучения, полученного в этой реакции, будет достаточно высокой, чтобы позволить использовать их для сжатия термоядерного топлива термоядерной бомбы . Если это окажется так, это может позволить создать термоядерную бомбу без расщепляющегося материала внутри (т. е. чисто термоядерное оружие ); именно контроль над расщепляющимся материалом и средствами его производства лежит в основе большинства попыток остановить распространение ядерного оружия .

Смотрите также

Гамма-излучение, вызванное частицами

Ссылки

^ "Таблица изотопов". Архивировано из оригинала 2006-02-05 . Получено 2006-09-01 .
^ Б. Понтекорво; А. Лазард (1939). «Isomérie nucléaire produite par les rayons X du spectre continu». ЧР акад. Наука . 208 (2): 99–101. Архивировано из оригинала 18 апреля 2023 г. Проверено 29 января 2021 г.
^ CB Collins; JA Anderson; Y. Paiss; CD Eberhard; RJ Peterson; WL Hodge (1988). «Активация ¹¹⁵ In ^m одиночными импульсами интенсивного тормозного излучения». Phys. Rev. C. 38 ( 4): 1852–1856. Bibcode : 1988PhRvC..38.1852C. doi : 10.1103/PhysRevC.38.1852. PMID 9954995.
^ CB Collins; CD Eberhard; JW Glesener; JA Anderson (1988). «Опустошение изомерного состояния ¹⁸⁰ Ta ^m реакцией ¹⁸⁰ Ta ^m (γ,γ′) ¹⁸⁰ Ta». Phys. Rev. C . 37 (5): 2267–2269. Bibcode :1988PhRvC..37.2267C. doi :10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID 9954706.
^ CB Collins; JJ Carroll; TW Sinor; MJ Byrd; DG Richmond; KN Taylor; M. Huber; N. Huxel; P. v. Neumann-Cosle; A. Richter; C. Spieler; W. Ziegler (1990). "Резонансное возбуждение реакции ¹⁸⁰ Ta ^m (γ,γ') ¹⁸⁰ Ta". Phys. Rev. C . 42 (5): 1813–1816. Bibcode :1990PhRvC..42.1813C. doi :10.1103/PhysRevC.42.R1813. PMID 9966920.
^ JA Anderson; CB Collins (1988). "Калибровка импульсных рентгеновских спектров". Rev Sci Instrum . 59 (3): 414. Bibcode : 1988RScI...59..414A. doi : 10.1063/1.1140219.
^ "Атомный беспилотный летательный аппарат на чертежной доске - 19 февраля 2003 г. - New Scientist". Архивировано из оригинала 12 мая 2008 г. Получено 1 сентября 2017 г.

Литература

CB Collins; NC Zoita; F. Davanloo; Y. Yoda; T. Uruga; JM Pouvesle; II Popescu (2005). "Ядерная резонансная спектроскопия 31-летнего изомера Hf-178". Laser Physics Letters . 2 (3): 162. Bibcode : 2005LaPhL...2..162C. doi : 10.1002/lapl.200410154. S2CID 121707178.
I. Ahmad; et al. (2001). "Поиск ускорения распада 31-летнего изомера 178Hf под действием рентгеновских лучей с использованием синхротронного излучения". Physical Review Letters . 87 (7): 072503. Bibcode :2001PhRvL..87g2503A. doi :10.1103/PhysRevLett.87.072503. PMID 11497887.
I. Ahmad; et al. (2003). "Поиск распада 31-летнего изомера 178Hf под действием рентгеновских лучей при низких энергиях рентгеновских лучей". Physical Review C. 67 ( 4): 041305R. Bibcode : 2003PhRvC..67d1305A. doi : 10.1103/PhysRevC.67.041305. S2CID 209833094.
CB Collins (1990). «Доказательство осуществимости когерентных и некогерентных схем накачки гамма-лазера» (pdf) . DTIC. Отчет № GRL/9001. Архивировано из оригинала 1 июня 2022 г.

Внешние ссылки

«Страшные вещи приходят в маленьких упаковках», статья в Washington Post от 2004 года, автор — Шарон Вайнбергер | Архивировано 4 ноября 2021 г., на Wayback Machine
Страница сводки результатов по изомерам Hf, архивированная 28.09.2007 г. в Wayback Machine , CB Collins, Техасский университет, Даллас
«Глобальный реактивный самолет Hawk на атомной тяге готовится к взлету?», запись в блоге SciScoop | Архивировано 04.11.2021 на Wayback Machine
Противоречивые результаты по долгоживущему ядерному изомеру гафния имеют более широкие последствия. В этой статье в Physics Today представлен сбалансированный взгляд, опубликованный в 2004 году.
Перепечатки статей о ядерных изомерах в рецензируемых журналах. Архивировано 28 сентября 2007 г. в Wayback Machine - Центр квантовой электроники Техасского университета в Далласе.

[1] "Таблица изотопов". Архивировано из оригинала 2006-02-05 . Получено 2006-09-01 .

[2] Б. Понтекорво; А. Лазард (1939). «Isomérie nucléaire produite par les rayons X du spectre continu». ЧР акад. Наука . 208 (2): 99–101. Архивировано из оригинала 18 апреля 2023 г. Проверено 29 января 2021 г.

[3] CB Collins; JA Anderson; Y. Paiss; CD Eberhard; RJ Peterson; WL Hodge (1988). «Активация ¹¹⁵ In ^m одиночными импульсами интенсивного тормозного излучения». Phys. Rev. C. 38 ( 4): 1852–1856. Bibcode : 1988PhRvC..38.1852C. doi : 10.1103/PhysRevC.38.1852. PMID 9954995.

[4] CB Collins; CD Eberhard; JW Glesener; JA Anderson (1988). «Опустошение изомерного состояния ¹⁸⁰ Ta ^m реакцией ¹⁸⁰ Ta ^m (γ,γ′) ¹⁸⁰ Ta». Phys. Rev. C . 37 (5): 2267–2269. Bibcode :1988PhRvC..37.2267C. doi :10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID 9954706.

[5] CB Collins; JJ Carroll; TW Sinor; MJ Byrd; DG Richmond; KN Taylor; M. Huber; N. Huxel; P. v. Neumann-Cosle; A. Richter; C. Spieler; W. Ziegler (1990). "Резонансное возбуждение реакции ¹⁸⁰ Ta ^m (γ,γ') ¹⁸⁰ Ta". Phys. Rev. C . 42 (5): 1813–1816. Bibcode :1990PhRvC..42.1813C. doi :10.1103/PhysRevC.42.R1813. PMID 9966920.

[6] JA Anderson; CB Collins (1988). "Калибровка импульсных рентгеновских спектров". Rev Sci Instrum . 59 (3): 414. Bibcode : 1988RScI...59..414A. doi : 10.1063/1.1140219.

[7] "Атомный беспилотный летательный аппарат на чертежной доске - 19 февраля 2003 г. - New Scientist". Архивировано из оригинала 12 мая 2008 г. Получено 1 сентября 2017 г.