Kernisomer-Definition und Beispiele

Ein Kernisomer entsteht, wenn Protonen oder Neutronen in einem Atomkern angeregt werden, aber nicht sofort zerfallen.

Aufenthalte/Getty Images

Kernisomer-Definition

Kernisomere sind gleichartige Atome 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.

Wie sie arbeiten

Die meisten Menschen sind sich dessen bewusst Elektronen können Energieniveaus ändern und sich in angeregten Zuständen befinden. Ein analoger Vorgang findet im Atomkern statt, wenn Protonen oder Neutronen (die Nukleonen) werden angeregt. Das angeregte Nukleon nimmt ein Kernorbital höherer Energie ein. Meistens kehren die angeregten Nukleonen sofort wieder in den Grundzustand zurück, der angeregte Zustand jedoch schon eine Halbwertszeit länger als das 100- bis 1000-fache der normalen angeregten Zustände, wird es als metastabiler Zustand angesehen. Mit anderen Worten, die Halbwertszeit eines angeregten Zustands liegt normalerweise in der Größenordnung von 10^-12Sekunden, während ein metastabiler Zustand eine Halbwertszeit von 10 hat^-9Sekunden oder länger. Einige Quellen definieren einen metastabilen Zustand mit einer Halbwertszeit von mehr als 5 x 10^-9Sekunden, um Verwechslungen mit der Halbwertszeit der Gammastrahlung zu vermeiden. Während die meisten metastabilen Zustände schnell zerfallen, halten einige Minuten, Stunden, Jahre oder viel länger an.

Das Grund metastabile Zustände entstehen, weil eine größere Kernspinänderung erforderlich ist, damit sie in den Grundzustand zurückkehren. Hohe Spin-Änderungen machen die Zerfälle zu „verbotenen Übergängen“ und verzögern sie. Die Zerfallshalbwertszeit wird auch davon beeinflusst, wie viel Zerfallsenergie verfügbar ist.

Die meisten Kernisomere kehren durch Gammazerfall in den Grundzustand zurück. Manchmal wird der Gammazerfall aus einem metastabilen Zustand benannt isomerer Übergang , aber es ist im Wesentlichen dasselbe wie ein normaler kurzlebiger Gammazerfall. Im Gegensatz dazu kehren die meisten angeregten Atomzustände (Elektronen) über f in den Grundzustand zurück Fluoreszenz .

Ein anderer Weg, auf dem metastabile Isomere zerfallen können, ist die interne Umwandlung. Bei der internen Umwandlung beschleunigt die durch den Zerfall freigesetzte Energie ein inneres Elektron, wodurch es mit beträchtlicher Energie und Geschwindigkeit aus dem Atom austritt. Andere Zerfallsarten existieren für sehr instabile Kernisomere.

Metastabile und Grundzustandsnotation

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

Das Symbol sf kann hinzugefügt werden, um auf spontan spaltbare Isomere hinzuweisen. Dieses Symbol wird in der Karlsruher Nuklidkarte verwendet.

Beispiele für metastabile Zustände

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

Der langlebigste metastabile Zustand ist der von^180m₇₃Ta. Dieser metastabile Zustand von Tantal zerfällt nicht und scheint mindestens 10 Jahre anzuhalten^fünfzehnJahren (länger als das Alter des Universums). Da der metastabile Zustand so lange andauert, ist das Kernisomer im Wesentlichen stabil. Tantal-180m kommt in der Natur mit einer Häufigkeit von etwa 1 pro 8300 Atomen vor. Es wird angenommen, dass das nukleare Isomer möglicherweise in Supernovae hergestellt wurde.

Wie sie hergestellt werden

Metastabile Kernisomere entstehen über Kernreaktionen und können mit hergestellt werden Kernfusion . Sie kommen sowohl natürlich als auch künstlich vor.

Spaltisomere und Formisomere

Eine spezifische Art von Kernisomer ist das Spaltisomer oder Formisomer. Spaltisomere werden entweder mit einem nachgestellten oder hochgestellten „f“ anstelle von „m“ angezeigt (z. B. Plutonium-240f oder^{240 f}₉₄PU). Der Begriff „Formisomer“ bezieht sich auf die Form des Atomkerns. Während der Atomkern eher als Kugel dargestellt wird, sind einige Kerne, wie die der meisten Aktiniden, gestreckte Kugeln (fußballförmig). Aufgrund quantenmechanischer Effekte wird die Abregung angeregter Zustände in den Grundzustand behindert, so dass die angeregten Zustände dazu neigen, einer spontanen Spaltung zu unterliegen oder andernfalls mit einer Halbwertszeit von Nanosekunden oder Mikrosekunden in den Grundzustand zurückkehren. Die Protonen und Neutronen eines Formisomers können sogar noch weiter von einer sphärischen Verteilung entfernt sein als die Nukleonen im Grundzustand.

Verwendungen von Kernisomeren

Nukleare Isomere können als Gammaquellen für medizinische Verfahren, Nuklearbatterien, für Forschungszwecke verwendet werden Gammastrahlen stimulierte Emission und für Gammastrahlenlaser.