Opredelitev in primeri jedrskega izomera

Jedrski izomer se pojavi, ko se protoni ali nevtroni v atomskem jedru vzbudijo, vendar ne razpadejo takoj.

Stays/Getty Images

Opredelitev jedrskega izomera

Jedrski izomeri so atomi z enakim masno število in atomsko število , vendar z različnimi stanji vzbujanja v atomsko jedro . Višje ali več vznemirjeno stanje se imenuje metastabilno stanje, medtem ko se stabilno, nevzbujeno stanje imenuje osnovno stanje.

Kako delujejo

Večina ljudi se zaveda elektroni lahko spremeni nivo energije in ga najdemo v vzburjenih stanjih. Podoben proces poteka v atomskem jedru, ko protoni oz nevtroni (nukleoni) postanejo vznemirjeni. Vzbujeni nukleon zavzame jedrsko orbitalo višje energije. Večino časa se vzbujeni nukleoni takoj vrnejo v osnovno stanje, če pa je vzbujeno stanje razpolovna doba daljši od 100- do 1000-krat daljši od normalnih vzbujenih stanj, se šteje za metastabilno stanje. Z drugimi besedami, razpolovna doba vzbujenega stanja je običajno reda velikosti 10^-12sekund, medtem ko ima metastabilno stanje razpolovno dobo 10^-9sekund ali dlje. Nekateri viri opredeljujejo metastabilno stanje kot razpolovno dobo, daljšo od 5 x 10^-9sekund, da bi se izognili zamenjavi z razpolovno dobo sevanja gama. Medtem ko večina metastabilnih stanj hitro propade, nekatera trajajo minute, ure, leta ali veliko dlje.

The razlog metastabilna stanja nastanejo zato, ker je potrebna večja sprememba jedrskega spina, da se vrnejo v osnovno stanje. Visoka sprememba vrtenja povzroči 'prepovedane prehode' razpadov in jih upočasni. Na razpolovno dobo razpada vpliva tudi količina energije razpada, ki je na voljo.

Večina jedrskih izomerov se vrne v osnovno stanje z razpadom gama. Včasih je imenovan razpad gama iz metastabilnega stanja izomerni prehod , vendar je v bistvu enak običajnemu kratkotrajnemu razpadu gama. Nasprotno pa se večina vzbujenih atomskih stanj (elektronov) vrne v osnovno stanje preko f luorescenca .

Drug način, kako lahko metastabilni izomeri razpadejo, je notranja pretvorba. Pri notranji pretvorbi energija, ki se sprosti pri razpadu, pospeši notranji elektron, zaradi česar zapusti atom s precejšnjo energijo in hitrostjo. Za zelo nestabilne jedrske izomere obstajajo tudi drugi načini razpada.

Metastabilni in osnovni zapis stanja

Osnovno stanje je označeno s simbolom g (če je uporabljen kateri koli zapis). Vzbujena stanja so označena s simboli m, n, o itd. Prvo metastabilno stanje je označeno s črko m. Če ima določen izotop več metastabilnih stanj, so izomeri označeni z m1, m2, m3 itd. Oznaka je navedena za masnim številom (npr. kobalt 58m oz.^58m₂₇Co, hafnij-178m2 oz^178m2₇₂Hf).

Simbol sf se lahko doda za označevanje izomerov, ki se lahko spontano cepijo. Ta simbol se uporablja v nuklidni karti Karlsruhe.

Primeri metastabilnih stanj

Otto Hahn je leta 1921 odkril prvi jedrski izomer. To je bil Pa-234m, ki razpade v Pa-234.

Najdlje živo metastabilno stanje je stanje^180m₇₃Ta. To metastabilno stanje tantala ni razpadlo in zdi se, da traja vsaj 10^petnajstlet (daljša od starosti vesolja). Ker metastabilno stanje traja tako dolgo, je jedrski izomer v bistvu stabilen. Tantal-180m je v naravi prisoten v količini približno 1 na 8300 atomov. Menijo, da je morda jedrski izomer nastal v supernovah.

Kako so narejeni

Metastabilni jedrski izomeri nastanejo z jedrskimi reakcijami in jih je mogoče proizvesti z uporabo jedrska fuzija . Pojavijo se tako naravno kot umetno.

Fisijski izomeri in izomeri oblike

Posebna vrsta jedrskega izomera je fisijski izomer ali izomer oblike. Fisijski izomeri so označeni z postscriptom ali nadnapisom 'f' namesto 'm' (npr. plutonij-240f ali^{240 f}₉₄Pu). Izraz 'izomer oblike' se nanaša na obliko atomskega jedra. Medtem ko je atomsko jedro ponavadi upodobljeno kot krogla, so nekatera jedra, na primer tista večine aktinidov, iztegnjene krogle (v obliki nogometne žoge). Zaradi kvantnomehanskih učinkov je deekscitacija vzbujenih stanj v osnovno stanje ovirana, zato so vzbujena stanja nagnjena k spontani cepitvi ali pa se vrnejo v osnovno stanje z razpolovno dobo nanosekund ali mikrosekund. Protoni in nevtroni izomera oblike so lahko celo dlje od sferične porazdelitve kot nukleoni v osnovnem stanju.

Uporaba jedrskih izomerov

Jedrski izomeri se lahko uporabljajo kot viri gama za medicinske postopke, jedrske baterije, za raziskave žarek gama stimulirano sevanje in za laserje žarkov gama.