Definícia a príklady jadrových izomérov

Jadrový izomér sa vyskytuje, keď sa protóny alebo neutróny v atómovom jadre vzrušia, ale nerozpadnú sa okamžite.

Pobytov/Getty Images

Definícia jadrového izoméru

Jadrové izoméry sú atómy s rovnakým hromadné číslo a atómové číslo , ale s rôznymi stavmi excitácie v atómové jadro . Čím vyššie alebo viac vzrušený stav sa nazýva metastabilný stav, zatiaľ čo stabilný, neexcitovaný stav sa nazýva základný stav.

Ako fungujú

Väčšina ľudí si to uvedomuje elektróny môže meniť energetické hladiny a nachádza sa v excitovaných stavoch. Analogický proces prebieha v atómovom jadre, keď protóny alebo neutróny (nukleóny) sú vzrušené. Excitovaný nukleón zaberá jadrový orbitál s vyššou energiou. Väčšinu času sa excitované nukleóny okamžite vrátia do základného stavu, ale ak má excitovaný stav polčas rozpadu dlhší ako 100 až 1000-násobok normálneho excitovaného stavu, považuje sa za metastabilný stav. Inými slovami, polčas excitovaného stavu je zvyčajne rádovo 10^-12sekúnd, zatiaľ čo metastabilný stav má polčas rozpadu 10^-9sekúnd alebo dlhšie. Niektoré zdroje definujú metastabilný stav ako s polčasom rozpadu väčším ako 5 x 10^-9sekúnd, aby sa predišlo zámene s polčasom rozpadu gama emisie. Zatiaľ čo väčšina metastabilných stavov sa rýchlo rozpadá, niektoré trvajú minúty, hodiny, roky alebo oveľa dlhšie.

The dôvod Formovanie metastabilných stavov je spôsobené tým, že je potrebná väčšia zmena jadrového spinu, aby sa vrátili do základného stavu. Vysoká zmena rotácie robí z rozpadov „zakázané prechody“ a oneskoruje ich. Polčas rozpadu je tiež ovplyvnený tým, koľko energie rozpadu je k dispozícii.

Väčšina jadrových izomérov sa vracia do základného stavu prostredníctvom gama rozpadu. Niekedy sa nazýva gama rozpad z metastabilného stavu izomérny prechod , ale je to v podstate rovnaké ako normálny krátkodobý gama rozpad. Naproti tomu väčšina excitovaných atómových stavov (elektrónov) sa vracia do základného stavu cez f luorescencia .

Ďalším spôsobom, ako sa môžu metastabilné izoméry rozpadnúť, je vnútorná konverzia. Pri vnútornej premene energia, ktorá sa uvoľňuje rozpadom, urýchľuje vnútorný elektrón, čo spôsobuje, že opúšťa atóm so značnou energiou a rýchlosťou. Pre vysoko nestabilné jadrové izoméry existujú iné spôsoby rozpadu.

Metastabilný a základný stavový zápis

Základný stav je označený symbolom g (ak sa používa akýkoľvek zápis). Excitované stavy sa označujú pomocou symbolov m, n, o atď. Prvý metastabilný stav je označený písmenom m. Ak má konkrétny izotop viacero metastabilných stavov, izoméry sa označujú m1, m2, m3 atď. Označenie je uvedené za hmotnostným číslom (napr. kobalt 58m resp.^{58 m}₂₇Co, hafnium-178m2 resp^{178 m2}₇₂Hf).

Symbol sf sa môže pridať na označenie izomérov schopných spontánneho štiepenia. Tento symbol sa používa v mape nuklidov Karlsruhe.

Príklady metastabilného stavu

Otto Hahn objavil prvý jadrový izomér v roku 1921. Bol to Pa-234m, ktorý sa rozpadá na Pa-234.

Metastabilný stav s najdlhšou životnosťou je stav o^{180 m}₇₃Ta. Tento metastabilný stav tantalu sa nerozpadol a zdá sa, že trvá najmenej 10^pätnásťrokov (dlhšie ako je vek vesmíru). Pretože metastabilný stav trvá tak dlho, jadrový izomér je v podstate stabilný. Tantal-180m sa v prírode nachádza v množstve asi 1 na 8300 atómov. Predpokladá sa, že jadrový izomér vznikol v supernove.

Ako sa vyrábajú

Metastabilné jadrové izoméry sa vyskytujú prostredníctvom jadrových reakcií a môžu sa vyrábať pomocou jadrovej fúzie . Vyskytujú sa prirodzene aj umelo.

Štiepne izoméry a tvarové izoméry

Špecifickým typom jadrového izoméru je štiepny izomér alebo tvarový izomér. Štiepne izoméry sú označené buď pomocou postscriptu alebo horného indexu „f“ namiesto „m“ (napr. plutónium-240f alebo^{240 f}₉₄Pu). Pojem „tvarový izomér“ sa týka tvaru atómového jadra. Zatiaľ čo atómové jadro má tendenciu byť znázornené ako guľa, niektoré jadrá, ako napríklad jadrá väčšiny aktinoidov, sú predĺžené gule (v tvare futbalu). V dôsledku kvantových mechanických účinkov sa bráni deexcitácii excitovaných stavov do základného stavu, takže excitované stavy majú tendenciu podliehať spontánnemu štiepeniu alebo sa vrátiť do základného stavu s polčasom nanosekúnd alebo mikrosekúnd. Protóny a neutróny tvarového izoméru môžu byť ešte ďalej od sférickej distribúcie ako nukleóny v základnom stave.

Použitie jadrových izomérov

Jadrové izoméry môžu byť použité ako gama zdroje pre lekárske postupy, jadrové batérie, pre výskum gama lúčom stimulovaná emisia a pre gama lasery.