Definice a příklady jaderných izomerů

Jaderné izomery jsou atomy se stejným hmotnostní číslo a protonové číslo, ale s různými stavy vzrušení v atomové jádro. Vyšší nebo více vzrušený stav se nazývá metastabilní stav, zatímco stabilní, neuzavřený stav se nazývá základní stav.

Většina lidí si je vědoma elektrony může měnit hladiny energie a nachází se ve vzrušených stavech. Analogický proces nastává v atomovém jádru, když protony nebo neutrony (nukleony) jsou nadšené. Vzrušený nukleon zaujímá nukleární orbitál s vyšší energií. Většinu času se vzrušené nukleony vracejí okamžitě do základního stavu, ale pokud má vzrušený stav poločas delší než 100 až 1000krát vyšší než u normálních vzrušených stavů, je považováno za metastabilní stav. Jinými slovy, poločas rozrušení je obvykle řádově 10^-12 sekund, zatímco metastabilní stav má poločas 10^-9 sekund nebo déle. Některé zdroje definují metastabilní stav jako poločas rozpadu větší než 5 x 10^-9 sekund, aby nedošlo k záměně s poločasem emise gama. Zatímco většina metastabilních států se rychle rozpadá, některé trvají minuty, hodiny, roky nebo mnohem déle.

důvod forma metastabilních států je proto, že je nutná větší změna jaderného spinu, aby se mohli vrátit do základního stavu. Díky vysoké rotační změně jsou rozpady „zakázanými přechody“ a zpožďují je. Poločas rozpadu je také ovlivněn tím, kolik energie rozpadu je k dispozici.

Většina jaderných izomerů se vrací do základního stavu prostřednictvím rozpadu gama. Někdy se jmenuje rozpad gama z metastabilního stavu isomerní přechod, ale je to v podstatě stejné jako normální rozpad gama s krátkou životností. Naproti tomu se nejvíce vzrušené atomové stavy (elektrony) vracejí do základního stavu prostřednictvím fluorescence.

Dalším způsobem, jak se metastabilní isomery rozkládají, je interní konverzí. Při vnitřní přeměně energie, která se uvolňuje rozpadem, zrychluje vnitřní elektron, což způsobí, že atom opustí se značnou energií a rychlostí. Pro vysoce nestabilní jaderné izomery existují i ​​jiné režimy rozkladu.

Stav země je označen symbolem g (pokud je použit jakýkoli zápis). Vzrušené stavy jsou označeny symboly m, n, o atd. První metastabilní stav je označen písmenem m. Pokud konkrétní izotop má více metastabilních stavů, označí se izomery m1, m2, m3 atd. Označení je uvedeno za číslem hmotnosti (např. Kobalt 58 m nebo ^{58 m}₂₇Co, hafnium-178m2 nebo ^{178 m2}₇₂Hf).

Symbol sf může být přidán pro označení isomerů schopných spontánního štěpení. Tento symbol se používá v Karlsruhe Nuclide Chart.

Otto Hahn objevil první jaderný izomer v roce 1921. To byl Pa-234m, který se rozpadl v Pa-234.

Nejdlhší metastabilní stát je státem ^{180 m}₇₃ Ta. Tento metastabilní stav tantalu nebyl rozložen a zdá se, že trvá nejméně 10¹⁵ roky (delší než věk vesmíru). Protože metastabilní stav trvá tak dlouho, jaderný izomer je v podstatě stabilní. Tantal-180m se nachází v přírodě v množství asi 1 na 8300 atomů. Předpokládá se, že jaderný izomer byl vyroben v supernov.

Metastabilní jaderné izomery se vyskytují prostřednictvím jaderných reakcí a lze je vyrábět pomocí jaderná fůze. Vyskytují se přirozeně i uměle.

Specifickým typem jaderného izomeru je štěpný izomer nebo tvarový izomer. Štěpné izomery jsou označeny pomocí postskriptového nebo horního indexu „f“ místo „m“ (např. Plutonium-240f nebo ^240f₉₄Pu). Termín "tvarový izomer" se týká tvaru atomového jádra. Zatímco atomové jádro inklinuje být zobrazován jako koule, některá jádra, jako jsou jádra většiny aktinidů, jsou prolatační koule (ve tvaru fotbalu). Kvůli kvantovým mechanickým efektům je de-buzení excitovaných stavů do základního stavu bráněno, takže excitované státy mají tendenci podstoupit spontánní štěpení nebo se vrátit do základního stavu s poločasem nanosekund nebo mikrosekundy. Protony a neutrony tvarového izomeru mohou být ještě dále od sférické distribuce než nukleony v základním stavu.

Jaderné izomery mohou být použity jako zdroje gama pro lékařské výkony, jaderné baterie, pro výzkum paprsek gama stimulované emise a pro gama laserové lasery.