Nucleaire isomeerdefinitie en voorbeelden

Een nucleair isomeer treedt op wanneer protonen of neutronen in een atoomkern opgewonden raken, maar niet onmiddellijk vervallen.

Verblijven/Getty Images

Definitie van nucleaire isomeer

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

Hoe ze werken

De meeste mensen zijn op de hoogte elektronen kunnen energieniveaus veranderen en worden gevonden in aangeslagen toestanden. Een analoog proces vindt plaats in de atoomkern wanneer protonen of neutronen (de nucleonen) opgewonden raken. Het aangeslagen nucleon bezet een hogere energie nucleaire orbitaal. Meestal keren de aangeslagen nucleonen onmiddellijk terug naar de grondtoestand, maar als de aangeslagen toestand heeft een halfwaardetijd langer is 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 meestal in de orde van 10^-12seconden, terwijl een metastabiele toestand een halfwaardetijd heeft van 10^-9seconden of langer. Sommige bronnen definiëren een metastabiele toestand als een halfwaardetijd groter dan 5 x 10^-9seconden om verwarring met de halfwaardetijd van gamma-emissie te voorkomen. Terwijl de meeste metastabiele toestanden snel vervallen, duren sommige minuten, uren, jaren of veel langer.

De reden vorm van metastabiele toestanden is omdat er een grotere verandering in de kernspin nodig is om terug te keren naar de grondtoestand. Hoge spinverandering maakt het verval tot 'verboden overgangen' en vertraagt ​​ze. De vervalhalfwaardetijd wordt ook beïnvloed door de hoeveelheid vervalenergie 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. Daarentegen keren de meeste aangeslagen atomaire toestanden (elektronen) terug naar de grondtoestand via f luorescentie .

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

Metastabiele en grondtoestandnotatie

De grondtoestand wordt aangegeven met het symbool g (wanneer een willekeurige notatie wordt gebruikt). De aangeslagen toestanden worden aangeduid met de symbolen m, n, o, enz. De eerste metastabiele toestand wordt aangegeven met de letter m. Als een specifieke isotoop meerdere metastabiele toestanden heeft, worden de isomeren aangeduid met m1, m2, m3, enz. De aanduiding wordt vermeld achter het massagetal (bijv. kobalt 58m of^58m₂₇Co, hafnium-178m2 of^178m2₇₂hf).

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

Voorbeelden van metastabiele toestanden

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

De langstlevende metastabiele toestand is die van^180m₇₃Ta. Van deze metastabiele staat van tantaal is niet gezien dat het vervalt en het lijkt minstens 10 . te duren^vijftienjaar (langer dan de leeftijd van het heelal). Omdat de metastabiele toestand zo lang aanhoudt, is het nucleaire isomeer in wezen stabiel. Tantaal-180m wordt in de natuur gevonden in een overvloed van ongeveer 1 per 8300 atomen. Er wordt gedacht dat het nucleaire isomeer misschien in supernova's is gemaakt.

Hoe ze worden gemaakt

Metastabiele nucleaire isomeren komen voor via kernreacties en kunnen worden geproduceerd met behulp van kernfusie . Ze komen zowel natuurlijk als kunstmatig voor.

Fissie-isomeren en vorm-isomeren

Een specifiek type nucleair isomeer is het splijtingsisomeer of vormisomeer. Fissie-isomeren worden aangegeven met een postscript of superscript 'f' in plaats van 'm' (bijv. plutonium-240f of^{240 f}₉₄Pu). De term 'vorm-isomeer' 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, prolate bollen (voetbalvormig). Vanwege kwantummechanische effecten wordt de-excitatie van aangeslagen toestanden naar de grondtoestand belemmerd, zodat de aangeslagen toestanden de neiging hebben om spontane splijting te ondergaan of anders terug te keren naar de grondtoestand met een halfwaardetijd van nanoseconden of microseconden. De protonen en neutronen van een vormisomeer kunnen zelfs verder van een sferische verdeling zijn verwijderd dan de nucleonen in de grondtoestand.

Gebruik van nucleaire isomeren

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