Lär dig vad en nukleär isomer är

Kärnisomerdefinition

Nukleär isomerer är atomer med samma massnummer och atomnummer, men med olika excitationstillstånd i atomkärnan. Det högre eller mer exciterade tillståndet kallas ett metastabilt tillstånd, medan det stabila, oexciterade tillståndet kallas grundtillståndet.

Hur de fungerar

De flesta människor är medvetna om att elektroner kan ändra energinivåer och hittas i exciterade tillstånd. En analog process inträffar i atomkärnan när protoner eller neutroner (nukleonerna) blir exciterade. Den exciterade nukleonen upptar en kärnorbital med högre energi. av tiden återgår de exciterade nukleonerna omedelbart till grundtillståndet, men om det exciterade tillståndet har en halveringstid som är längre än 100 till 1000 gånger den för normala exciterade tillstånd, anses det vara ett uppfyllt stabilt tillstånd. Med andra ord är halveringstiden för ett exciterat tillstånd vanligtvis i storleksordningen 10

-12

sekunder, medan ett metastabilt tillstånd har en halveringstid på 10

-9

sekunder eller längre. Vissa källor definierar ett metastabilt tillstånd som att ha en halveringstid på mer än 5 x 10

-9

sekunder för att undvika förvirring med halveringstiden för gammaemission. Medan de flesta metastabila tillstånd förfaller snabbt, varar vissa i minuter, timmar, år eller mycket längre.

Anledningen metastabila tillstånd bildas beror på att en större kärnspinnförändring behövs för att de ska återgå till grundtillståndet. Hög snurrändring gör att sönderfallen är ”förbjudna övergångar” och fördröjer dem. Halveringstiden för sönderfall påverkas också av hur mycket sönderfallsenergi som finns tillgänglig.

De flesta nukleära isomerer återgår till grundtillståndet via gammasönderfall. Ibland kallas gammasönderfall från ett metastabilt tillstånd isomer övergång, men det är i huvudsak samma sak som normalt kortlivat gammasönderfall. Däremot återgår de flesta exciterade atomtillstånd (elektroner) till grundtillståndet via fluorescens.

Ett annat sätt som metastabila isomerer kan sönderfalla är genom intern omvandling. Vid intern omvandling accelererar energin som frigörs av sönderfallet en inre elektron, vilket får den att lämna atomen med avsevärd energi och hastighet. Andra sönderfallssätt finns för mycket instabila nukleära isomerer.

Metastabil och marktillståndsbeteckning

Grundtillståndet indikeras med symbolen g (när valfri notation används). De exciterade tillstånden betecknas med symbolerna m, n, o, etc. Det första metastabila tillståndet indikeras med bokstaven m. Om en specifik isotop har flera metastabila tillstånd, betecknas isomererna m1, m2, m3, etc. Beteckningen listas efter massnumret (t.ex. kobolt 58m eller

58m

₂₇Co, hafnium-178m2 eller

178m2

72_Hf).

Symbolen sf kan läggas till för att indikera isomerer som kan spontan fission. Denna symbol används i Karlsruhes nukliddiagram.

Exempel på metastabilt tillstånd

Otto Hahn upptäckte den första kärn isomeren 1921. Detta var Pa-234m , som sönderfaller i Pa-234.

Det längsta livslängda metastabila tillståndet är det av

180m

₇₃ Ta. Detta metastabila tillstånd av tantal har inte setts förfalla och verkar vara minst 10

15

år (längre än universums ålder). Eftersom det metastabila tillståndet varar så länge är kärnisomeren i huvudsak stabil. Tantal-180m finns i naturen i ett överflöd av cirka 1 per 8300 atomer. Man tror kanske att kärnisomeren gjordes i supernovor.

Hur de är gjorda

Metastabila kärnisomerer uppstår via kärnreaktioner och kan framställas med hjälp av kärnfusion. De förekommer både naturligt och artificiellt.

Fission isomerer och form Isomerer

En specifik typ av nukleär isomer är fissionsisomeren eller formisomeren. Klyvningsisomerer indikeras med antingen en postscript eller superscript ”f” istället för ”m” (t.ex. plutonium-240f eller

240f_{94Pu ). Termen ”formisomer” avser formen på atomkärnan. Medan atomkärnan tenderar att avbildas som en sfär, är vissa kärnor, såsom de i de flesta aktinider, prolatsfärer (fotbollsformade). På grund av kvantmekaniska effekter hindras de-excitering av exciterade tillstånd till grundtillståndet, så de exciterade tillstånden tenderar att genomgå spontan fission eller återgå till grundtillståndet med en halveringstid på nanosekunder eller mikrosekunder. Protonerna och neutronerna i en formisomer kan vara ännu längre från en sfärisk fördelning än nukleonerna i grundtillståndet.}

Användning av Kärnisomerer

Kärnisomerer kan användas som gammakällor för medicinska procedurer, kärnbatterier, för forskning om gammastrålningsstimulerad emission och för gammastrållasrar.