Definicja i przykłady izomeru jądrowego

Izomery jądrowe są atomami o tym samym Liczba masowa i Liczba atomowa, ale z różnymi stanami wzbudzenia w jądro atomowe. Wyższy lub więcej stan podniecenia nazywa się stanem metastabilnym, natomiast stan stabilny, nie podekscytowany nazywany jest stanem podstawowym.

Większość ludzi jest tego świadoma elektrony może zmieniać poziomy energii i znajdować się w stanach wzbudzonych. Analogiczny proces zachodzi w jądrze atomowym, gdy protony lub neutrony (nukleony) stają się podekscytowani. Podekscytowany nukleon zajmuje orbitę jądrową o wyższej energii. Przez większość czasu wzbudzone nukleony wracają natychmiast do stanu podstawowego, ale jeśli stan wzbudzony ma okres półtrwania dłuższy niż 100 do 1000 razy w porównaniu z normalnymi stanami wzbudzonymi, jest uważany za stan metastabilny. Innymi słowy, okres półtrwania stanu wzbudzonego jest zwykle rzędu 10^-12 sekund, podczas gdy stan metastabilny ma okres półtrwania 10^-9 sekund lub dłużej. Niektóre źródła definiują stan metastabilny jako mający okres półtrwania większy niż 5 x 10

The powód powstaje stan metastabilny, ponieważ potrzebna jest większa zmiana spinu jądrowego, aby mogły powrócić do stanu podstawowego. Wysoka zmiana spinu powoduje, że rozpady są „zabronionymi przejściami” i opóźniają je. Okres półtrwania w rozkładzie zależy również od ilości dostępnej energii rozpadu.

Większość izomerów jądrowych powraca do stanu podstawowego poprzez rozpad gamma. Czasami nazywa się rozpad gamma ze stanu metastabilnego przejście izomeryczne, ale zasadniczo jest taki sam jak normalny krótkotrwały rozpad gamma. Natomiast najbardziej wzbudzone stany atomowe (elektrony) wracają do stanu podstawowego przez fluminancja.

Innym sposobem rozpadu metastabilnych izomerów jest konwersja wewnętrzna. Podczas konwersji wewnętrznej energia uwalniana przez rozpad przyspiesza wewnętrzny elektron, powodując, że opuszcza on atom z dużą energią i prędkością. Istnieją inne tryby rozpadu dla wysoce niestabilnych izomerów jądrowych.

Stan uziemienia jest wskazywany za pomocą symbolu g (gdy stosowana jest dowolna notacja). Stany wzbudzone są oznaczone za pomocą symboli m, n, o itp. Pierwszy stan metastabilny jest oznaczony literą m. Jeśli określony izotop ma wiele stanów metastabilnych, izomery są oznaczone jako m1, m2, m3 itp. Oznaczenie jest wymienione po numerze masy (np. Kobalt 58 m lub ^58m₂₇Co, hafnium-178m2 lub ^178m2₇₂Hf).

Symbol sf można dodać, aby wskazać izomery zdolne do samorzutnego rozszczepienia. Ten symbol jest używany w Karcie Nuklidów Karlsruhe.

Otto Hahn odkrył pierwszy izomer jądrowy w 1921 r. To był Pa-234m, który rozpada się w Pa-234.

Najdłużej przeżywanym stanem metastabilnym jest ^180m₇₃ Ta. Ten metastabilny stan tantalu nie był postrzegany jako gnijący i wydaje się, że trwa co najmniej 10¹⁵ lat (dłużej niż wiek wszechświata). Ponieważ stan metastabilny trwa tak długo, izomer jądrowy jest zasadniczo stabilny. Tantal-180m występuje w przyrodzie w ilości około 1 na 8300 atomów. Uważa się, że być może izomer jądrowy powstał w supernowych.

Metastabilne izomery jądrowe zachodzą w wyniku reakcji jądrowych i można je wytwarzać przy użyciu fuzja nuklearna. Występują zarówno naturalnie, jak i sztucznie.

Specyficznym rodzajem izomeru jądrowego jest izomer rozszczepienia lub izomer kształtu. Izomery rozszczepienia są oznaczane za pomocą postscriptowego lub indeksu górnego „f” zamiast „m” (np. Pluton-240f lub ^240f₉₄Pu). Termin „izomer kształtu” odnosi się do kształtu jądra atomowego. Podczas gdy jądro atomowe jest zwykle przedstawiane jako kula, niektóre jądra, takie jak większość aktynowców, są kulkami rozmnożonymi (w kształcie piłki nożnej). Z powodu efektów mechaniki kwantowej hamowanie stanu wzbudzonego do stanu podstawowego jest utrudnione, więc wzbudzone stany mają skłonność do samorzutnego rozszczepienia lub powrotu do stanu podstawowego z okresem półtrwania w nanosekundach mikrosekundy. Protony i neutrony izomeru kształtowego mogą znajdować się jeszcze dalej od rozkładu sferycznego niż nukleony w stanie podstawowym.

Izomery jądrowe mogą być wykorzystywane jako źródła promieniowania gamma w procedurach medycznych, baterie nuklearne, do badań promieniowanie gamma stymulacja emisji i dla laserów gamma.