Isomer (kjernefysikk)

Isomerer (fra gammelgresk ἴσος ísos "lik" og μέρος méros "del"; entall: isomeren) i kjernefysikk er atomkjerner som ikke skiller seg ut i antall protoner eller nøytroner, men skiller seg i forskjellige interne (energi) tilstander befinner seg. For å skille det fra isomeri i kjemi, brukes også begrepene nukleær isomer eller nukleær isomer .

Isomeren refererer ikke til kjernen i grunntilstanden , men bare til den i en opphisset tilstand , og bare hvis denne tilstanden er spesielt langvarig. Isomeren betraktes som et eget nuklid og betegnes med et "m" (for " metastabelt ") ved siden av massenummeret. For å skille mellom flere isomerer av en kjerne kan "m" følges av et tall, f.eks. B. 152m1 Eu . I tabellen over nuklider er Kernisomere kan lages av det aktuelle feltet er delt inn i kolonner.

Hvilke forhold som blir sett på som "spesielt holdbare" er underlagt en viss vilkårlighet. I tillegg oppdages flere og flere kjerneisomerer. Derfor kan du bare spesifisere en nedre grense for antall kjerneisomerer, som skal være et firesifret tall.

Forklaring og eksempler

Alle atomkjerner med minst fire nukleoner kan eksistere i eksiterte tilstander så vel som i grunntilstand . Normalt har disse en  veldig kort levetid på 10 −22 til 10 −14 sekunder , som måles over linjebredden til den utsendte strålingen (f.eks. Gammastråling ). Isomerer er langvarige (metastabile) eksiterte tilstander med levetid på rundt 10 −9  sekunder. Disse utvidede levetidene skyldes at overganger til dypere tilstander ikke er umulige, men er størrelsesorden mindre sannsynlig enn vanlig. Forklaringen er vanligvis en særlig stor forskjell i kjernefysiske spinn , slik at strålingen må bære et tilsvarende stort vinkelmoment. Dette kalles vinkelmomentbarrieren , basert på forholdene når en partikkel sendes ut gjennom en potensiell barriere i kraft av tunneleffekten ; den potensielle barrieren øker med begrepet når massepartikkelen med vinkelmomentkvantetall må sendes ut, og hemmer utslippet deretter. Når det gjelder kjerneisomeren 180m Ta , oppstår det motsatte ved at dens forfall, i motsetning til grunntilstanden, aldri har blitt observert.

Når kjernefysiske isomerer, i likhet med andre eksiterte kjerner, endres til en mindre høyt opphisset tilstand eller grunntilstand ( overgang av isomerisme ), avgir de den frigjorte energien hovedsakelig gjennom utslipp av gammastråling eller gjennom intern konvertering . Spesielt når det gjelder isomerer av tunge kjerner med ustabil grunntilstand, kan man finne deres spaltningskanaler selv i isomeren; isomeren kan derfor fortsette å spaltes mens den omgår bakken. Det enkleste eksempelet er 24m Na , som selv om en Isomerieübergang til bakken i omtrent 99,95% av tilfellene 24 tar vel, men - som bakketilstanden selv - til ca. 0,05% et beta-minus forfall til Utfører 24 mg . Når det gjelder den bemerkelsesverdig langvarige 166m Ho ( halveringstiden T 1/2 = 1200 a), er det ekstreme tilfellet at det ikke er observert noen isomerovergang til den kortvarige jordtilstanden 166 Ho ( T 1/2 = 26,8 t), men alltid en direkte Beta-minus forfall til 166 Er .

Ulike kjernetilstander har også forskjellige ladningsfordelinger i kjernen. Disse påvirker energien til elektronene som er bundet til kjernen. I tilfelle spektrale linjer, i tillegg til den hyppige splittelsen av hyperfin struktur, fører dette også til et skifte, isomerskiftet . Begge gir informasjon om kjernestrukturen.

Kjernen isomer 99m Tc brukes medisinsk og diagnostisk for scintigrafi . For dette formål administreres teknetium til pasienten i form av en kompleks forbindelse .

På grunn av ekvivalensen mellom masse og energi er en kjerneisomer alltid tyngre enn den samme kjernen i grunntilstanden.

historie

Kjerneisomerer ble spådd av Frederick Soddy i 1917 . De første isomere kjernene ble oppdaget av Otto Hahn i 1921 mens de studerte forfallserien av uran . I tillegg til den allerede kjente 234m Pa ("Uranium X 2 ", "Brevium") med en halveringstid på 1,16 minutter, fant han en andre beta-emitterende nuklid av samme element, 234 Pa ("Uranium Z"), med samme massetall skilte seg fra 234m Pa bare ved lengre halveringstid på 6,7 timer. Oppdagelsen, som Hahn senere anså for å være en av hans viktigste, var forut for sin tid og fikk bare større oppmerksomhet fra 1935 med oppdagelsen av flere eksempler. I 1936 erklærte Carl Friedrich von Weizsäcker kjerneisomerer som stater hvis forfall er forsinket fordi de må avgi stråling med et spesielt stort vinkelmoment. Weizsäcker jobbet midlertidig ved Hahn-instituttet på den tiden. Siden isomerer opprinnelig bare ble oppdaget i kjerner med en ustabil grunntilstand, nemlig på grunnlag av de forskjellige halveringstidene til grunntilstanden og isomeren, var det først i 1939 at isomerer med stabile (eller på det tidspunktet betraktet som stabile) grunntilstander ble identifisert, først ved 115 in .

litteratur

  • Klaus Bethge , Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann, Kernphysik, 3. utgave, Springer 2008, s.271
  • Theo Mayer-Kuckuk : Introduction to Nuclear Physics, 7. utgave, Teubner, 2002, s.97

weblenker

Wiktionary: isomer  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ↑ Alan D. McNaught, Andrew Wilkinson: nuklid . I: IUPAC Compendium of Chemical Terminology ("Gullboken") . 2. utgave. Blackwell Scientific Publications, Oxford 1997, ISBN 0-9678550-9-8 , doi : 10.1351 / goldbook.No4257 (engelsk, korrigert versjon (XML; 2006–) av M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; med oppdateringer av A. Jenkins -).
  2. ↑ Frederick Soddy, Nature, bind 99, 1917, s. 433
  3. ^ Hahn: Om et nytt radioaktivt forfallsprodukt i uran , Die Naturwissenschaften, bind 9, 1921, utgave 5, s. 84
  4. ^ Klaus Hoffmann: Skyld og ansvar. Otto Hahn, Conflict of a Scientist , Springer 1993, s.94
  5. ^ Carl Friedrich von Weizsäcker: Metastabile tilstander av atomkjerner. I: Naturvitenskap . Vol. 24, nr. 51, 1936, s. 813-814, doi : 10.1007 / BF01497732 .
  6. ^ M. Goldhaber, RD Hill: Radioaktivitet indusert av nuklear eksitasjon . I: The Physical Review . teip 55 , nr. 1 , 1939, s. 47 , doi : 10.1103 / PhysRev.55.47 .
  7. ↑ J. Mattauch: Om forekomsten av isomere atomkjerner . I: Journal of Physics . teip 117 , 1941, s. 246-255 , doi : 10.1007 / BF01342313 .