Definitie en voorbeelden van nucleaire isomeren

Nucleaire isomeren zijn atomen met hetzelfde massagetal en atoomnummer, maar met verschillende toestanden van opwinding in de atoomkern. Hoe hoger of meer opgewonden staat wordt een metastabiele toestand genoemd, terwijl de stabiele, niet-geëxciteerde toestand de grondtoestand wordt genoemd.

De meeste mensen zijn zich ervan bewust elektronen kan energieniveaus veranderen en in opgewonden toestanden worden gevonden. Een analoog proces vindt plaats in de atoomkern protonen of neutronen (de nucleonen) raken opgewonden. Het opgewekte nucleon bezet een atoomorbit met een hogere energie. Meestal keren de aangeslagen nucleonen onmiddellijk terug naar de grondtoestand, maar als de aangeslagen toestand dat wel heeft een halfwaardetijd langer dan 100 tot 1000 keer die van normale aangeslagen toestanden, wordt het beschouwd als een metastabiele toestand. Met andere woorden, de halfwaardetijd van een aangeslagen toestand is gewoonlijk in de orde van 10

De reden vorm van metastabiele toestanden is omdat een grotere nucleaire spin verandering nodig is om terug te keren naar de grondtoestand. Hoge spinveranderingen maken het verval tot "verboden overgangen" en vertragen ze. Vervalhalfwaardetijd wordt ook beïnvloed door de hoeveelheid vervallenergie die beschikbaar is.

De meeste nucleaire isomeren keren via gamma-verval terug naar de grondtoestand. Soms wordt gamma-verval van een metastabiele toestand genoemd isomere overgang, maar het is in wezen hetzelfde als normaal kortstondig gamma-verval. De meeste aangeslagen atoomtoestanden (elektronen) keren daarentegen terug naar de grondtoestand via fluorescentie.

Een andere manier waarop metastabiele isomeren kunnen bederven, is door interne conversie. Bij interne conversie versnelt de energie die vrijkomt door het verval een innerlijk elektron, waardoor het atoom met aanzienlijke energie en snelheid het atoom verlaat. Er bestaan ​​andere vervalmodi voor zeer onstabiele nucleaire isomeren.

De grondtoestand wordt aangegeven met het symbool g (wanneer een notatie wordt gebruikt). De aangeslagen toestanden worden aangegeven met de symbolen m, n, o, etc. De eerste metastabiele toestand wordt aangegeven door de letter m. Als een specifiek isotoop meerdere metastabiele toestanden heeft, worden de isomeren aangeduid als m1, m2, m3, enz. De aanduiding wordt vermeld na het massagetal (bijv. Kobalt 58m of ^58m₂₇Co, hafnium-178m2 of ^178m2₇₂Hf).

Het symbool sf kan worden toegevoegd om aan te geven dat isomeren in staat zijn tot spontane splijting. Dit symbool wordt gebruikt in de Karlsruhe Nuclide Chart.

Otto Hahn ontdekte in 1921 de eerste nucleaire isomeer. Dit was Pa-234m, die vervalt in Pa-234.

De langstlevende metastabiele toestand is die van ^180m₇₃ Ta. Deze metastabiele toestand van tantaal is niet in verval geraakt en lijkt ten minste 10 te duren¹⁵ jaren (langer dan de leeftijd van het heelal). Omdat de metastabiele toestand zo lang blijft bestaan, is het nucleaire isomeer in wezen stabiel. Tantaal-180m komt in de natuur voor in een hoeveelheid van ongeveer 1 per 8300 atomen. Er wordt gedacht dat het nucleaire isomeer is gemaakt in supernovae.

Metastabiele nucleaire isomeren vinden plaats via nucleaire reacties en kunnen worden geproduceerd met kernfusie. Ze komen zowel natuurlijk als kunstmatig voor.

Een specifiek type nucleair isomeer is het splijtingsisomeer of vormisomeer. Splijtingsisomeren worden aangegeven met een postscript of superscript "f" in plaats van "m" (bijvoorbeeld plutonium-240f of ^240f₉₄Pu). De term "vormisomeer" verwijst naar de vorm van de atoomkern. Hoewel de atoomkern meestal wordt afgebeeld als een bol, zijn sommige kernen, zoals die van de meeste actiniden, proliferatieve bollen (voetbalvormig). Vanwege kwantummechanische effecten wordt de excitatie van aangeslagen toestanden naar de grondtoestand verhinderd, dus aangeslagen staten hebben de neiging spontane splitsing te ondergaan of keren terug naar de grondtoestand met een halfwaardetijd van nanoseconden of microseconden. De protonen en neutronen van een vormisomeer kunnen zelfs verder verwijderd zijn van een sferische verdeling dan de nucleonen op de grondtoestand.

Nucleaire isomeren kunnen worden gebruikt als gammabronnen voor medische procedures, nucleaire batterijen, voor onderzoek naar Gamma-straal gestimuleerde emissie en voor gammastraallasers.