Кіріспе
Атом ядроларын бомбалау арқылы өте қысқа толқынды жарық шығару физикада индуцирленген гамма-эмиссия (IGE) деп аталады – бұл қозған ядролардан гамма-сәулелердің флуоресценттік эмиссиясы процесі, көбінесе белгілі бір ядролық изомерді қамтиды. Бұл, атом немесе молекуладағы қозған электронның фотон (жарық бірлігі) шығаруы ретінде анықталатын, дәстүрлі флуоресценцияға ұқсас. IGE жағдайында ядролық изомерлер, ядролық флуоресценттік материалдар ретінде қолдануға болатындай, қоздыру энергиясының айтарлық мөлшерін жеткілікті ұзақ сақтай алады. 800-ден астам ядролық изомер белгілі, бірақ олардың көпшілігі өте радиоактивті болғандықтан қолдануға жарамсыз. 2006 жылға дейін, қауіпсіз жағдайларда IGE флуоресценциясын физикалық тұрғыдан жүзеге асыруға мүмкіндігі бар екі ядролық изомер ұсынылды: тантал-180m және гафний-178m2.
In physics, induced gamma emission (IGE) refers to the process of fluorescent emission of gamma rays from excited nuclei, usually involving a specific nuclear isomer. It is analogous to conventional fluorescence, which is defined as the emission of a photon (unit of light) by an excited electron in an atom or molecule. In the case of IGE, nuclear isomers can store significant amounts of excitation energy for times long enough for them to serve as nuclear fluorescent materials. There are over 800 known nuclear isomers but almost all are too intrinsically radioactive to be considered for applications. as of 2006 there were two proposed nuclear isomers that appeared to be physically capable of IGE fluorescence in safe arrangements: tantalum 180m and hafnium 178m2.
Тарих
Индукцияланған гамма-эмиссия – ядролық физика мен кванттық электрониканың арасындағы ғылымдар аралық зерттеулердің бір мысалы. Ядролық реакция ретінде қарастырылғанда, ол тек фотондардың ядролық қозғыштық күйлерін жасауға және жоюға қатысатын классқа жатады. Бұл дәстүрлі талқылауларда көбінесе назардан тыс қалады. 1939 жылы Понтекорво мен Лазард осы типтегі реакцияның алғашқы мысалын хабарлады. Нысана – индий, ал қазіргі терминологияда ядролық реакцияларды сипаттау кезінде бұл 115In(γ,γ')115mIn деп жазылады. Өнімдік нуклид ядролық изомер екенін білдіретін "m" әрпін тасымалдайды, оның жартылай ыдырау мерзімі (осы жағдайда 4,5 сағат) ядролық изомер ретінде қарастырылуы үшін жеткілікті. Осы себепті 1939 жылғы эксперимент мүмкін болды, өйткені зерттеушілерде өнімдерді сәулелену аймағынан шығарып алып, оларды тиісті жерде зерттеуге жеткілікті уақыт болды. Проектіл фотондарымен импульс пен энергияны сақтау үшін кірісті фотонның (рентген сәулесі немесе гамма сәулесі) энергиясы нысана ядросының бастапқы күйі мен спин сияқты кванттық қасиеттері жағынан тым ерекше емес, белгілі бір қозғыштық күй арасындағы энергия айырмашылығына дәл сәйкес келуі керек. Шекті мінез-құлық байқалмайды, кірісті проектіл жоғалады және оның энергиясы нысана ядросының ішкі қозғыштығына беріледі. Бұл ядролық реакцияларда сирек кездесетін, бірақ атомдық деңгейде флуоресценцияның қоздырылуында қалыпты резонанстық процесс. Осы типтегі реакцияның резонанстық сипаты тек 1988 жылы ғана толыққанды дәлелденді. Мұндай резонанстық реакцияларды атомдық флуоресценцияның формальды тілімен сипаттау оңай, ал IGE-нің ғылымдар аралық тәсілі одан әрі дамуына көмектесті. Нысана ядролық изомер болған кезде IGE экспериментінде концептуалды айырмашылықтар шамалы. mX(γ,γ')X сияқты реакция, мұнда mX жоғарыда аталған бес үміткердің бірі, өнімдік нуклид реакциядан кейін бастапқыға қарағанда төмен энергиялық күйлерге өтетіндіктен ғана ерекшеленеді. Тәжірибе үшін жеткілікті мөлшерде ядролық изомерлердің спонтанды радиоактивті ыдырауынан қауіпсіздікті қамтамасыз ету қажеттілігінен туындайтын практикалық қиындықтар бар. Изомерлердің өмір сүру мерзімі соншалықты ұзақ болуы керек, ядролық изомерлердің спонтанды ыдырауынан туындайтын дозалар әрқашан қауіпсіз шекте қалуы керек. 1988 жылы Коллинз және әріптестері ядролық изомерден IGE-нің алғашқы қоздырылуын хабарлады. Олар сыртқы сәулелік терапия линагымен жасалған рентген сәулелерімен тантальдың 180m ядролық изомерінен флуоресценцияны қоздырды. Нәтижелер таң қалдырды және нысанадағы қозғыштық резонанстық күйлер анықталғанға дейін даулы деп есептелді.
Айырмалы белгілері
Егер инцидент фотоны мақсатты ядроның бастапқы күйіне сіңірілсе, ядро одан да энергетикалық қозу күйіне көтеріледі. Егер бұл күй бастапқы күйге қайта оралу кезінде ғана өз энергиясын сәулелендіруі мүмкін болса, онда схемалық суретте көрсетілгендей, шашырау процесі пайда болады. Бұл IGE-нің мысалы емес. Егер инцидент фотоны мақсатты ядроның бастапқы күйіне сіңірілсе, ядро одан да энергетикалық қозу күйіне көтеріледі. Егер бұл күйдің кейде схемада көрсетілгендей, каскадтық өтулер тізбегін бастауының нөлден тыс ықтималдығы болса, бұл күй «кешек күй» немесе «триггерлік деңгей» немесе «аралық күй» деп аталады. Бір немесе бірнеше флуоресцентті фотондар шығарылады, көбінесе бастапқы сіңіруден кейін әртүрлі кешіктірулер болады және процесс IGE-ге мысал болып табылады. Егер мақсатты ядроның бастапқы күйі оның негізгі (ең төмен энергиялы) күйі болса, онда флуоресцентті фотондар инцидент фотонынан аз энергияға ие болады (схемалық суретте көрсетілгендей). Шашырау арнасы әдетте ең күшті болғандықтан, ол флуоресценцияны анықтау үшін қолданылатын құралдарды «көрмеуге» болады және алғашқы тәжірибелер детекторлар жабық болған кезде инцидент фотондарының көзін импульстік түрде шағылыстыру арқылы IGE зерттеуді қалаған, содан кейін құралдарды қауіпсіз түрде қайта қосуға болатын кезде флуоресценция фотондарына назар аудару. Егер мақсатты ядроның бастапқы күйі ядролық изомер болса (негізгі күйден артық энергиямен басталатын), ол IGE-ді де қолдауы мүмкін. Алайда, бұл жағдайда схемалық диаграмма 115In үшін көрсетілген мысал ғана емес, оңнан солға қарай оқылады, ал жебелер кері бағытталған. Мұндай «керілу» 4 сағаттық изомерден «кешек күйге» қайта оралу үшін әртүрлі энергиялы екі инцидент фотонының бір мезгілде (<0,25 нс) сіңірілуін қажет етеді. Әдетте, IGE-ді негізгі күйден сол ядроның изомеріне зерттеу, егер IGE-нің бастапқы күйі ретінде қолданылса, сол изомердің қалай жұмыс істейтіні туралы аз ақпарат береді. IGE-ді қолдау үшін инцидент фотоны үшін энергия табу қажет, ол схемада көрсетілмеген басқа кешек күйіне жету үшін қажетті энергияға «сәйкес» келуі керек, ол өзінің каскадын негізгі күйге дейін бастауы мүмкін. Егер нысана энергияның едәуір мөлшерін сақтайтын ядролық изомер болса, онда IGE инцидент фотонынан жоғары энергиялы фотонды шығаратын өтуді қамтитын каскадты тудыруы мүмкін. Бұл лазерлік физикадағы кері айналудың ядролық аналогы болар еді. Егер нысана энергияны едәуір мөлшерде сақтайтын ядролық изомер болса, онда IGE қос өмір сүру ұзақтығы «инверсияланған» екі қозу күйі арқылы каскадты тудыруы мүмкін, сондықтан мұндай ядролардың жиынтығында популяция ұзақ өмір сүретін жоғарғы деңгейде жинақталады, ал жұптың қысқа өмір сүретін төменгі мүшесінен тез босатылады. Нәтижесінде пайда болған популяция инверсиясы лазерлік физикадағы күшейтілген спонтанды эмиссияға (ASE) ұқсас когерентті эмиссияның қандай да бір түрін қолдауы мүмкін. Егер мақсатты изомер ядроларының физикалық өлшемдері ұзын және жұқа болса, онда гамма-сәулелік лазердің бір түрі пайда болуы мүмкін.
Энергияға арналған дозиметрлер
Негізгі күйдегі ядролардан IGE алу үшін өте нақты фотон энергияларын сіңіру қажет, бұл кезде кешіктірілген люминесценттік фотондарды санау оңай. Сондықтан, бірнеше түрлі нуклидтерді біріктіру арқылы энергияға қатысты дозиметрлерді құруға болады. Бұл ДНК PITHON импульстік ядролық симуляторының сәулелену спектрін калибрлеуде көрсетілді. Мұндай дозиметр көп энергиялы рентген сәулелері қолданылатын сәулемен емдеуде пайдалы болуы мүмкін. Себебі, әртүрлі энергиялы фотондар өз әсерлерін емделетін тіндердің әртүрлі тереңдіктерінде қалдырады, бұл жалпы дозаның қанша бөлігінің нақты мақсатты көлемге түсетінін калибрлеуге көмектеседі.
Ұшақтың қуаты
2003 жылдың ақпан айында New Scientist журналы ядролық қозғалтқыштың бір түрі – IGE қуатымен жұмыс істейтін ұшақ мүмкіндігі туралы жазды. Идея 178m2Hf изотопын пайдалану болды (демек, оның энергиясы мен салмағының жоғары қатынасына байланысты), ол реактивті қозғалтқыш камерасындағы ауаны қыздыру үшін гамма сәулелерін шығаруға итермеленеді. Бұл қуат көзі «кванттық нуклеоникалық реактор» деп сипатталған, бірақ бұл атау тек New Scientist мақаласында ғана қолданылған болуы мүмкін екені белгісіз.
Ядролық қару-жарақ
Бұл теориялық тығыздық IGE саласының бүкіл даулы болуына ықпал етті. Материалдардың барлық сақталған энергияны бірден, өте жылдам түрде "жарылыс" ретінде босатуға мүмкіндік беретіндей етіп құрастырылуы мүмкін деген ұсыныстар бар. Гамма-сәулелердің ғана ықтимал энергиясы IGE-ді өзінен жоғары қуатты "жарылғыш" затқа немесе ықтимал радиологиялық қаруға айналдыруы мүмкін.
Фьюзионды бомбаның тұтануы
Бұл реакцияда пайда болатын гамма-сәулелердің тығыздығы фьюзиялық бомбаның синтездік отынын қысуға жеткілікті деңгейде болады. Егер осылай болса, онда бөлінетін материалсыз (яғни, таза фьюзиялық қару) фьюзиялық бомба жасау мүмкін болады; ядролық материалды және оны өндіру тәсілдерін бақылау – ядролық қару таралуын тоқтатуға бағытталған көптеген әрекеттердің негізі болып табылады.