Definisjon og eksempler på kjernefysisk isomer
En kjernefysisk isomer oppstår når protoner eller nøytroner i en atomkjerne blir opphisset, men ikke forfaller umiddelbart.
Opphold/Getty Images
Definisjon av kjernefysisk isomer
Nukleære isomerer er atomer med det samme massenummer og atomnummer , men med forskjellige eksitasjonstilstander i atomkjernen . Jo høyere eller flere spent tilstand kalles en metastabil tilstand, mens den stabile, ueksiterte tilstanden kalles grunntilstanden.
Hvordan de fungerer
De fleste er klar over elektroner kan endre energinivåer og finnes i eksiterte tilstander. En analog prosess skjer i atomkjernen når protoner eller nøytroner (nukleonene) blir opphisset. Det eksiterte nukleonet opptar en kjernefysisk orbital med høyere energi. Mesteparten av tiden går de eksiterte nukleonene umiddelbart tilbake til grunntilstanden, men hvis den eksiterte tilstanden har en halveringstid lengre enn 100 til 1000 ganger større enn normale eksiterte tilstander, regnes det som en metastabil tilstand. Med andre ord er halveringstiden for en eksitert tilstand vanligvis i størrelsesorden 10-12sekunder, mens en metastabil tilstand har en halveringstid på 10-9sekunder eller lenger. Noen kilder definerer en metastabil tilstand som å ha en halveringstid på over 5 x 10-9sekunder for å unngå forvirring med halveringstiden for gamma-utslipp. Mens de fleste metastabile tilstander forfaller raskt, varer noen minutter, timer, år eller mye lenger.
De Årsaken metastabile tilstander dannes er fordi en større kjernefysisk spinn endring er nødvendig for at de skal gå tilbake til grunntilstanden. Høy spinn endring gjør henfallene til 'forbudte overganger' og forsinker dem. Forfallshalveringstid påvirkes også av hvor mye forfallsenergi som er tilgjengelig.
De fleste nukleære isomerer går tilbake til grunntilstanden via gamma-forfall. Noen ganger er gamma-forfall fra en metastabil tilstand navngitt isomer overgang , men det er i hovedsak det samme som normalt kortvarig gamma-forfall. Derimot går de fleste eksiterte atomtilstander (elektroner) tilbake til grunntilstanden via f luorescens .
En annen måte metastabile isomerer kan forfalle er ved intern konvertering. Ved intern konvertering akselererer energien som frigjøres av forfallet et indre elektron, noe som får det til å forlate atomet med betydelig energi og hastighet. Andre forfallsmåter eksisterer for svært ustabile kjernefysiske isomerer.
Metastabil og grunntilstandsnotasjon
Grunntilstanden indikeres ved hjelp av symbolet g (når en hvilken som helst notasjon brukes). De eksiterte tilstandene er angitt med symbolene m, n, o osv. Den første metastabile tilstanden er indikert med bokstaven m. Hvis en spesifikk isotop har flere metastabile tilstander, er isomerene betegnet m1, m2, m3 osv. Betegnelsen er oppført etter massetallet (f.eks. kobolt 58m eller58m27Co, hafnium-178m2 el178m272Hf).
Symbolet sf kan legges til for å indikere isomerer som er i stand til spontan fisjon. Dette symbolet brukes i Karlsruhe Nuclid Chart.
Eksempler på metastabil tilstand
Otto Hahn oppdaget den første kjernefysiske isomeren i 1921. Dette var Pa-234m, som forfaller i Pa-234.
Den lengstlevende metastabile tilstanden er den av180m73Ta. Denne metastabile tilstanden til tantal har ikke blitt sett å forfalle og ser ut til å vare i minst 10femtenår (lengre enn universets alder). Fordi den metastabile tilstanden varer så lenge, er den kjernefysiske isomeren i hovedsak stabil. Tantal-180m finnes i naturen med en overflod på omtrent 1 per 8300 atomer. Det antas kanskje at den kjernefysiske isomeren ble laget i supernovaer.
Hvordan de er laget
Metastabile nukleære isomerer oppstår via kjernereaksjoner og kan produseres ved hjelp av kjernefysisk fusjon . De forekommer både naturlig og kunstig.
Fisjonisomerer og formisomerer
En spesifikk type nukleær isomer er fisjonsisomeren eller formisomeren. Fisjonsisomerer er indikert ved å bruke enten en postscript eller hevet 'f' i stedet for 'm' (f.eks. plutonium-240f eller240 f94Pu). Begrepet 'formisomer' refererer til formen på atomkjernen. Mens atomkjernen har en tendens til å bli avbildet som en kule, er noen kjerner, slik som de til de fleste aktinider, prolatkuler (fotballformede). På grunn av kvantemekaniske effekter hindres de-eksitasjon av eksiterte tilstander til grunntilstanden, så de eksiterte tilstandene har en tendens til å gjennomgå spontan fisjon eller gå tilbake til grunntilstanden med en halveringstid på nanosekunder eller mikrosekunder. Protonene og nøytronene til en formisomer kan være enda lenger fra en sfærisk fordeling enn nukleonene på grunntilstanden.
Bruk av kjernefysiske isomerer
Nukleære isomerer kan brukes som gammakilder for medisinske prosedyrer, atombatterier, for forskning på Gammastråle stimulert emisjon, og for gammastrålelasere.