Definition und Beispiele von Kernisomeren

Kernisomere sind Atome mit denselben Massenzahl und Ordnungszahl, aber mit unterschiedlichen Erregungszuständen in der Atomkern. Je höher oder mehr aufgeregter Zustand wird als metastabiler Zustand bezeichnet, während der stabile, nicht angeregte Zustand als Grundzustand bezeichnet wird.

Die meisten Menschen sind sich bewusst Elektronen kann das Energieniveau verändern und in angeregten Zuständen gefunden werden. Ein analoger Prozess findet im Atomkern statt, wenn Protonen oder Neutronen (die Nukleonen) werden erregt. Das angeregte Nukleon besetzt ein energiereicheres Kernorbital. Meistens kehren die angeregten Nukleonen sofort in den Grundzustand zurück, aber wenn der angeregte Zustand dies hat eine Halbwertszeit Es ist länger als das 100- bis 1000-fache des normalen angeregten Zustands und wird als metastabiler Zustand angesehen. Mit anderen Worten liegt die Halbwertszeit eines angeregten Zustands normalerweise in der Größenordnung von 10^-12

Das Grund Die Form metastabiler Zustände liegt darin, dass eine größere Änderung des Kernspins erforderlich ist, damit sie in den Grundzustand zurückkehren können. Eine hohe Spinänderung macht die Zerfälle zu "verbotenen Übergängen" und verzögert sie. Die Zerfallshalbwertszeit wird auch davon beeinflusst, wie viel Zerfallsenergie verfügbar ist.

Die meisten Kernisomere kehren über Gamma-Zerfall in den Grundzustand zurück. Manchmal wird Gamma-Zerfall aus einem metastabilen Zustand genannt isomerer Übergang, aber es ist im Wesentlichen das gleiche wie normaler kurzlebiger Gamma-Zerfall. Im Gegensatz dazu kehren die meisten angeregten Atomzustände (Elektronen) über f in den Grundzustand zurückFluoreszenz.

Ein anderer Weg, wie metastabile Isomere zerfallen können, ist die interne Umwandlung. Bei der internen Umwandlung beschleunigt die durch den Zerfall freigesetzte Energie ein inneres Elektron und bewirkt, dass es mit beträchtlicher Energie und Geschwindigkeit aus dem Atom austritt. Andere Zerfallsmodi existieren für hochinstabile Kernisomere.

Der Grundzustand wird mit dem Symbol g angezeigt (wenn eine Notation verwendet wird). Die angeregten Zustände werden mit den Symbolen m, n, o usw. bezeichnet. Der erste metastabile Zustand wird durch den Buchstaben m angezeigt. Wenn ein bestimmtes Isotop mehrere metastabile Zustände aufweist, werden die Isomere mit m1, m2, m3 usw. bezeichnet. Die Bezeichnung ist nach der Massenzahl aufgeführt (z. B. Kobalt 58 m oder ^58m₂₇Co, Hafnium-178m2 oder ^178m2₇₂Hf).

Das Symbol sf kann hinzugefügt werden, um Isomere anzuzeigen, die zur spontanen Spaltung fähig sind. Dieses Symbol wird in der Karlsruher Nuklidkarte verwendet.

Otto Hahn entdeckte 1921 das erste Kernisomer. Dies war Pa-234m, der in Pa-234 zerfällt.

Der langlebigste metastabile Zustand ist der von ^180m₇₃ Ta. Es wurde nicht beobachtet, dass dieser metastabile Tantalzustand zerfällt, und er scheint mindestens 10 zu dauern¹⁵ Jahre (länger als das Alter des Universums). Da der metastabile Zustand so lange anhält, ist das Kernisomer im Wesentlichen stabil. Tantal-180m kommt in der Natur in einer Häufigkeit von etwa 1 pro 8300 Atomen vor. Es wird vermutet, dass das Kernisomer möglicherweise in Supernovae hergestellt wurde.

Metastabile Kernisomere treten über Kernreaktionen auf und können unter Verwendung von hergestellt werden Kernfusion. Sie kommen sowohl natürlich als auch künstlich vor.

Ein spezifischer Typ eines Kernisomers ist das Spaltisomer oder Formisomer. Spaltisomere werden entweder unter Verwendung eines Nachzeichens oder eines hochgestellten "f" anstelle von "m" (z. B. Plutonium-240f oder) angezeigt ^240f₉₄Pu). Der Begriff "Formisomer" bezieht sich auf die Form des Atomkerns. Während der Atomkern tendenziell als Kugel dargestellt wird, sind einige Kerne, wie die der meisten Aktiniden, Prolatkugeln (fußballförmig). Aufgrund quantenmechanischer Effekte wird die Abregung angeregter Zustände in den Grundzustand behindert, so die angeregte Zustände neigen dazu, sich spontan zu spalten oder mit einer Halbwertszeit von Nanosekunden oder in den Grundzustand zurückzukehren Mikrosekunden. Die Protonen und Neutronen eines Formisomers können noch weiter von einer sphärischen Verteilung entfernt sein als die Nukleonen im Grundzustand.

Kernisomere können als Gammaquellen für medizinische Verfahren, Kernbatterien, zur Erforschung von verwendet werden Gammastrahlung stimulierte Emission und für Gammastrahlenlaser.