Ορισμός και παραδείγματα πυρηνικού ισομερούς

Τα πυρηνικά ισομερή είναι άτομα με αυτά μαζικός αριθμός και ατομικός αριθμός, αλλά με διαφορετικές καταστάσεις διέγερσης τον ατομικό πυρήνα. Το υψηλότερο ή περισσότερο ενθουσιασμένη κατάσταση ονομάζεται μετασταθής κατάσταση, ενώ η σταθερή κατάσταση, χωρίς κατάσταση, ονομάζεται κατάσταση εδάφους.

Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ηλεκτρόνια μπορεί να αλλάξει επίπεδα ενέργειας και να βρεθεί σε διεγερμένες καταστάσεις. Μια ανάλογη διαδικασία εμφανίζεται στον ατομικό πυρήνα όταν πρωτόνια ή νετρόνια (τα νουκλεόνια) γίνονται ενθουσιασμένοι. Το διεγερμένο νουκλεόνιο καταλαμβάνει μια πυρηνική τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας. Τις περισσότερες φορές οι ενθουσιασμένοι νουκλεόνιοι επιστρέφουν αμέσως στην κατάσταση του εδάφους, αλλά αν έχει το διεγερμένο κράτος μια ημιζωή μεγαλύτερη από 100 έως 1000 φορές εκείνη των κανονικών διεγερμένων καταστάσεων, θεωρείται μετασταθερή κατάσταση. Με άλλα λόγια, ο χρόνος ημίσειας ζωής μιας διεγερμένης κατάστασης είναι συνήθως της τάξεως των 10

ο λόγος η μεταστατική μορφή των καταστάσεων είναι επειδή χρειάζεται μια μεγαλύτερη αλλαγή πυρήνα πυρήνα προκειμένου να επιστρέψουν στην κατάσταση εδάφους. Η μεγάλη αλλαγή σπιν, κάνει τις αποσυνθέσεις «απαγορευμένες μεταβάσεις» και τις καθυστερεί. Ο χρόνος ημιζωής της αποσάθρωσης επηρεάζεται επίσης από την ποσότητα της αποσυνθετικής ενέργειας.

Τα περισσότερα πυρηνικά ισομερή επιστρέφουν στην κατάσταση εδάφους μέσω της αποσύνθεσης γάμμα. Μερικές φορές ονομάζεται φθορά γάμμα από μεταστατική κατάσταση ισομερική μετάβαση, αλλά είναι ουσιαστικά η ίδια με την κανονική βραχύβια καταστροφή γάμμα. Αντίθετα, οι περισσότερες διεγερμένες ατομικές καταστάσεις (ηλεκτρόνια) επιστρέφουν στην κατάσταση εδάφους μέσω fλάμψη.

Ένας άλλος τρόπος μετασχηματισμού των ισομερών μπορεί να αποσυντεθεί με εσωτερική μετατροπή. Στην εσωτερική μετατροπή, η ενέργεια που απελευθερώνεται από την αποσύνθεση επιταχύνει ένα εσωτερικό ηλεκτρόνιο, προκαλώντας την έξοδο από το άτομο με σημαντική ενέργεια και ταχύτητα. Άλλοι τρόποι αποσύνθεσης υπάρχουν για εξαιρετικά ασταθή πυρηνικά ισομερή.

Η κατάσταση εδάφους υποδεικνύεται χρησιμοποιώντας το σύμβολο g (όταν χρησιμοποιείται οποιαδήποτε σημείωση). Οι διεγερμένες καταστάσεις σημειώνονται χρησιμοποιώντας τα σύμβολα m, n, o, κ.λπ. Η πρώτη μετασταθερή κατάσταση υποδεικνύεται με το γράμμα m. Εάν ένα συγκεκριμένο ισότοπο έχει πολλαπλές μετασταθείσες καταστάσεις, τα ισομερή ορίζονται m1, m2, m3, κλπ. Ο χαρακτηρισμός αναφέρεται μετά τον αριθμό μάζας (π.χ. κοβάλτιο 58m ή ^58μ₂₇Co, άφνιο-178m2 ή ^178m2₇₂Hf).

Το σύμβολο sf μπορεί να προστεθεί για να δείξει ισομερή ικανά για αυθόρμητη σχάση. Αυτό το σύμβολο χρησιμοποιείται στο διάγραμμα καρχαρίας Nuclide της Καρλσρούης.

Ο Otto Hahn ανακάλυψε το πρώτο πυρηνικό ισομερές το 1921. Αυτό ήταν Pa-234m, το οποίο διασπάται στο Pa-234.

Η μεταστατική κατάσταση με τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής είναι αυτή της ^180μ₇₃ Τα. Αυτή η μετασταθείσα κατάσταση του ταντάλη δεν φαίνεται να αποσυντίθεται και φαίνεται να διαρκεί τουλάχιστον 10¹⁵ χρόνια (περισσότερο από την ηλικία του σύμπαντος). Επειδή η μεταστατική κατάσταση παραμένει τόσο μακρά, το πυρηνικό ισομερές είναι ουσιαστικά σταθερό. Το ταντάλιο-180m βρίσκεται στη φύση σε μια αφθονία περίπου 1 ανά 8300 άτομα. Θεωρείται ίσως ότι το πυρηνικό ισομερές έγινε σε σουπερνόβα.

Μεταστατικά πυρηνικά ισομερή συμβαίνουν μέσω πυρηνικών αντιδράσεων και μπορούν να παραχθούν χρησιμοποιώντας πυρηνική σύντηξη. Εμφανίζονται τόσο φυσικά όσο και τεχνητά.

Ένας ειδικός τύπος πυρηνικού ισομερούς είναι το ισομερές της σχάσης ή το ισομερές του σχήματος. Τα ισομερή σχάσης υποδεικνύονται χρησιμοποιώντας είτε ένα μεταγενέστερο είτε ένα υπερκείμενο "f" αντί για "m" (π.χ., πλουτώνιο-240f ή ^240f₉₄Pu). Ο όρος "ισομερές σχήματος" αναφέρεται στο σχήμα του ατομικού πυρήνα. Ενώ ο ατομικός πυρήνας τείνει να απεικονίζεται ως σφαίρα, μερικοί πυρήνες, όπως αυτοί των περισσότερων ακτινιδών, είναι σφαίρες πηλίων (ποδοσφαιρικού σχήματος). Λόγω των κβαντικών μηχανικών επιδράσεων, παρεμποδίζεται η απο-διέγερση των διεγερμένων καταστάσεων στην κατάσταση εδάφους, οπότε οι διεγερμένοι τα κράτη έχουν την τάση να υποβάλλονται σε αυθόρμητη σχάση ή αλλιώς να επιστρέφουν στην κατάσταση εδάφους με χρόνο ημιζωής νανοδευτερόλεπτα ή μικροδευτερόλεπτα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός ισομερούς σχήματος μπορεί να είναι ακόμη περισσότερο από μια σφαιρική κατανομή από τα νουκλεόνια στην κατάσταση του εδάφους.

Τα πυρηνικά ισομερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές γάμμα για ιατρικές διαδικασίες, πυρηνικές μπαταρίες, για έρευνα σε ακτίνων γάμμα προκαλούμενη εκπομπή και για λέιζερ ακτίνων γάμμα.