Definition av nukleär isomer och exempel

Kärnämnen är atomer med samma massantal och atomnummer, men med olika spänningstillstånd i atomkärnan. Ju högre eller mer upphetsad tillstånd kallas ett metastabilt tillstånd, medan det stabila, oupphetsade tillståndet kallas marktillståndet.

De flesta är medvetna om det elektroner kan ändra energinivåer och finns i upphetsade tillstånd. En analog process sker i atomkärnan när protoner eller neutroner (nukleonerna) blir upphetsade. Den upphetsade nukleonen upptar en kärnbana med högre energi. Oftast återvänder de upphetsade nukleonerna omedelbart till marktillståndet, men om det upphetsade tillståndet har det en halveringstid längre än 100 till 1000 gånger det för normala upphetsade tillstånd, anses det vara ett metastabilt tillstånd. Med andra ord är halveringstiden för ett upphetsat 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 har en halveringstid som överstiger 5 x 10

De anledning form av metastabla stater beror på att en större förändring av kärnspinn behövs för att de ska återvända till markstaten. Hög snurrändring gör förfallen till "förbjudna övergångar" och försenar dem. Förfallshalveringstid påverkas också av hur mycket sönderfallsenergi som finns tillgängligt.

De flesta kärnkraftsisomerer återvänder till marktillståndet genom gammaförfall. Ibland heter gamma-förfall från ett metastabilt tillstånd isomer övergång, men det är väsentligen detsamma som normalt kortlivad gammaförfall. Däremot återvänder de flesta upphetsade atomtillstånd (elektroner) till marktillståndet via fluorescence.

Ett annat sätt som metastabla isomerer kan förfalla är genom intern konvertering. Vid intern omvandling påskyndar energin som frigörs av sönderfallet en inre elektron, vilket gör att den lämnar atomen med betydande energi och hastighet. Andra sönderfallssätt finns för mycket instabila nukleära isomerer.

Jordtillståndet indikeras med symbolen g (när någon notering används). De upphetsade tillstånden betecknas med symbolerna m, n, o etc. Det första metastabla tillståndet indikeras med bokstaven m. Om en specifik isotop har flera metastabla tillstånd betecknas isomererna m1, m2, m3, etc. Beteckningen listas efter massantalet (t.ex. kobolt 58m eller ^58m₂₇Co, hafnium-178m2 eller ^178m2₇₂Hf).

Symbolen sf kan läggas till för att indikera isomerer som kan spontan fission. Denna symbol används i Karlsruhe Nuclide Chart.

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

Det långlivade metastabla tillståndet är det ^180m₇₃ Ta. Detta metastabla tillstånd av tantal har inte setts förfalla och verkar vara minst 10¹⁵ år (längre än universumets ålder). Eftersom det metastabla tillståndet varar så länge är kärnenomeren väsentligen stabil. Tantal-180m finns i naturen i ett överflöd av cirka 1 per 8300 atomer. Man tror att kärnkraftsisomeren tillverkades i supernovaer.

Metastabla nukleära isomerer förekommer via kärnreaktioner och kan produceras med kärnfusion. De förekommer både naturligt och konstgjort.

En specifik typ av kärnisomer är klyvningsisomeren eller formisomeren. Fisionsisomerer indikeras med antingen ett postscript eller superscript "f" istället för "m" (t.ex. plutonium-240f eller ^240f₉₄Pu). Termen "formisomer" avser formen på atomkärnan. Medan atomkärnan tenderar att avbildas som en sfär, är vissa kärnor, såsom de för de flesta aktinider, prolaterade sfärer (fotbollsformade). På grund av kvantmekaniska effekter hindras av excitation av exciterade tillstånd till marktillståndet, så det upphetsade stater tenderar att genomgå spontan klyvning eller annars återgå till marktillståndet med en halveringstid på nanosekunder eller mikrosekunder. Protonerna och neutronerna i en formisomer kan vara ännu längre från en sfärisk fördelning än nukleonerna i marktillståndet.

Kärnkraftsisomerer kan användas som gammakällor för medicinska procedurer, kärnbatterier, för forskning om gammastråle stimulerad emission, och för gammastrålningslaser.