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Definition und Beispiele von Kernisomeren

 

Definition des Kernisomers

Kernisomere sind Atome mit der gleichen Massenzahl und Ordnungszahl. jedoch mit unterschiedlichen Anregungszuständen im Atomkern. Der höhere oder angeregte Zustand wird als metastabiler Zustand bezeichnet, während der stabile, nicht angeregte Zustand als Grundzustand bezeichnet wird.

 

Wie sie arbeiten

Die meisten Menschen sind sich bewusst, dass Elektronen das Energieniveau verändern und in angeregten Zuständen gefunden werden können. Ein analoger Prozess findet im Atomkern statt, wenn Protonen oder Neutronen (die Nukleonen) angeregt werden. Das angeregte Nukleon besetzt ein energiereicheres Kernorbital. Meistens kehren die angeregten Nukleonen sofort in den Grundzustand zurück, aber wenn der angeregte Zustand eine Halbwertszeit hat, die länger als das 100- bis 1000-fache der normalen angeregten Zustände ist, wird er als metastabiler Zustand angesehen. Mit anderen Worten liegt die Halbwertszeit eines angeregten Zustands normalerweise in der Größenordnung von 10 bis 12 Sekunden, während ein metastabiler Zustand eine Halbwertszeit von 10 bis 9 Sekunden oder länger hat. Einige Quellen definieren einen metastabilen Zustand mit einer Halbwertszeit von mehr als 5 x 10 -9 Sekunden, um Verwechslungen mit der Halbwertszeit der Gamma-Emission zu vermeiden. Während die meisten metastabilen Zustände schnell abklingen, dauern einige Minuten, Stunden, Jahre oder viel länger.

Der Grund, warum sich metastabile Zustände bilden, liegt darin, dass eine größere Änderung des Kernspins erforderlich ist, damit sie in den Grundzustand zurückkehren können. Eine hohe Spinänderung macht die Zerfälle zu „verbotenen Übergängen“ und verzögert sie. Die Zerfallshalbwertszeit wird auch davon beeinflusst, wie viel Zerfallsenergie verfügbar ist.

Die meisten Kernisomere kehren durch Gamma-Zerfall in den Grundzustand zurück. Manchmal wird der Gamma-Zerfall aus einem metastabilen Zustand als isomerer Übergang bezeichnet , aber er ist im Wesentlichen der gleiche wie der normale kurzlebige Gamma-Zerfall. Im Gegensatz dazu kehren die meisten angeregten Atomzustände (Elektronen) über Fluoreszenz in den Grundzustand zurück .

Ein anderer Weg, wie metastabile Isomere zerfallen können, ist die interne Umwandlung. Bei der internen Umwandlung beschleunigt die durch den Zerfall freigesetzte Energie ein inneres Elektron und bewirkt, dass es mit beträchtlicher Energie und Geschwindigkeit aus dem Atom austritt. Andere Zerfallsmodi existieren für hochinstabile Kernisomere.

 

Metastabile und Grundzustandsnotation

Der Grundzustand wird mit dem Symbol g angezeigt (wenn eine Notation verwendet wird). Die angeregten Zustände werden mit den Symbolen m, n, o usw. bezeichnet. Der erste metastabile Zustand wird durch den Buchstaben m angezeigt. Wenn ein bestimmtes Isotop mehr metastabilen Zustände hat, werden die Isomere bezeichnet m1, m2, m3 usw. Die Bezeichnung nach der Massenzahl aufgeführt ist (zB Kobalt 58m oder 58m 27 Co, Hafnium-178m2 oder 178m2 72 Hf).

Das Symbol sf kann hinzugefügt werden, um Isomere anzuzeigen, die zur spontanen Spaltung fähig sind. Dieses Symbol wird in der Karlsruher Nuklidkarte verwendet.

 

Beispiele für metastabile Zustände

Otto Hahn entdeckte 1921 das erste Kernisomer. Dies war Pa-234m, das in Pa-234 zerfällt.

Der langlebigste metastabile Zustand ist der von 180 m 73 Ta. Es wurde nicht beobachtet, dass dieser metastabile Tantalzustand verfällt, und er scheint mindestens 10 bis 15 Jahre zu dauern (länger als das Alter des Universums). Da der metastabile Zustand so lange anhält, ist das Kernisomer im Wesentlichen stabil. Tantal-180m kommt in der Natur in einer Häufigkeit von etwa 1 pro 8300 Atomen vor. Es wird vermutet, dass das Kernisomer möglicherweise in Supernovae hergestellt wurde.

 

Wie sie hergestellt werden

Metastabile Kernisomere treten über Kernreaktionen auf und können durch Kernfusion hergestellt werden . Sie kommen sowohl natürlich als auch künstlich vor.

 

Spaltisomere und Formisomere

Ein spezifischer Typ eines Kernisomers ist das Spaltisomer oder Formisomer. Spaltisomere werden entweder mit einem Nachsatz oder einem hochgestellten „f“ anstelle von „m“ angegeben (z. B. Plutonium-240f oder 240f 94 Pu). Der Begriff „Formisomer“ bezieht sich auf die Form des Atomkerns. Während der Atomkern tendenziell als Kugel dargestellt wird, sind einige Kerne, wie die der meisten Aktiniden, Prolatkugeln (fußballförmig). Aufgrund quantenmechanischer Effekte wird die Abregung angeregter Zustände in den Grundzustand behindert, so dass die angeregten Zustände dazu neigen, spontan zu spalten oder mit einer Halbwertszeit von Nanosekunden oder Mikrosekunden in den Grundzustand zurückzukehren. Die Protonen und Neutronen eines Formisomers können noch weiter von einer sphärischen Verteilung entfernt sein als die Nukleonen im Grundzustand.

 

Verwendung von Kernisomeren

Kernisomere können als Gammaquellen für medizinische Verfahren, Kernbatterien, zur Erforschung der durch Gammastrahlen stimulierten Emission und für Gammastrahlenlaser verwendet werden.

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