Branduolinio izomero apibrėžimas ir pavyzdžiai

Branduolinis izomeras atsiranda, kai atomo branduolyje esantys protonai arba neutronai susijaudina, bet nesuyra iš karto.

Stays/Getty Images

Branduolinio izomero apibrėžimas

Branduoliniai izomerai yra atomai, turintys tą patį masės skaičius ir atominis skaičius , bet su skirtingomis sužadinimo būsenomis atomo branduolys . Kuo didesnis ar daugiau susijaudinusi būsena vadinama metastabilia būsena, o stabili, nesužadinta būsena vadinama pagrindine.

Kaip jie veikia

Dauguma žmonių žino elektronų gali keisti energijos lygius ir būti susijaudinusiose būsenose. Analogiškas procesas vyksta atomo branduolyje, kai protonų arba neutronų (nukleonai) susijaudina. Sužadintas nukleonas užima didesnės energijos branduolinę orbitą. Dažniausiai sužadinti nukleonai iš karto grįžta į pradinę būseną, bet jei sužadinta būsena pusinės eliminacijos laikas ilgesnis nei 100–1000 kartų didesnis nei normalių sužadinimo būsenų, ji laikoma metastabilia būsena. Kitaip tariant, sužadintos būsenos pusinės eliminacijos laikas paprastai yra 10^-12sekundžių, o metastabilios būsenos pusinės eliminacijos laikas yra 10^-9sekundes ar ilgiau. Kai kurie šaltiniai apibrėžia metastabilią būseną, kurios pusinės eliminacijos laikas yra didesnis nei 5 x 10^-9sekundžių, kad būtų išvengta painiavos su gama emisijos pusinės eliminacijos periodu. Nors dauguma metastabilių būsenų greitai nyksta, kai kurios trunka minutes, valandas, metus ar daug ilgiau.

The priežastis metastabilios būsenos susidaro todėl, kad norint joms grįžti į pradinę būseną, reikalingas didesnis branduolio sukimosi pokytis. Didelis sukimosi pokytis padaro skilimus „draudžiamais perėjimais“ ir juos atitolina. Skilimo pusinės eliminacijos periodą taip pat įtakoja tai, kiek yra skilimo energijos.

Dauguma branduolinių izomerų grįžta į pradinę būseną per gama skilimą. Kartais įvardijamas gama skilimas iš metastabilios būsenos izomerinis perėjimas , bet iš esmės tai yra įprastas trumpalaikis gama skilimas. Priešingai, dauguma sužadintų atominių būsenų (elektronų) grįžta į pradinę būseną per f luorescencija .

Kitas metastabilių izomerų skilimo būdas yra vidinė konversija. Vidinės konversijos metu skilimo metu išsiskirianti energija pagreitina vidinį elektroną, todėl jis išeina iš atomo su dideliu energijos kiekiu ir greičiu. Labai nestabiliems branduoliniams izomerams yra ir kitų skilimo būdų.

Metastable ir pagrindinės būsenos žymėjimas

Pagrindinė būsena nurodoma simboliu g (kai naudojamas bet koks žymėjimas). Sužadintos būsenos žymimos simboliais m, n, o ir tt Pirmoji metastabili būsena žymima raide m. Jei konkretus izotopas turi keletą metastabilių būsenų, izomerai žymimi m1, m2, m3 ir kt. Pavadinimas pateikiamas po masės skaičiaus (pvz., kobaltas 58m arba^58m₂₇Co, hafnis-178m2 arba^178m2₇₂Hf).

Simbolis sf gali būti pridėtas nurodant izomerus, galinčius savaime skilti. Šis simbolis naudojamas Karlsrūhės nuklidų diagramoje.

Metastabilios būsenos pavyzdžiai

Otto Hahnas 1921 m. atrado pirmąjį branduolinį izomerą. Tai buvo Pa-234m, kuris skyla Pa-234.

Ilgiausiai gyvenanti metastabili būsena yra^{180 m}₇₃Ta. Nebuvo pastebėta, kad ši metastabili tantalo būklė nyktų ir, atrodo, trunka mažiausiai 10^penkiolikametų (ilgiau nei visatos amžius). Kadangi metastabili būsena išlieka taip ilgai, branduolinis izomeras iš esmės yra stabilus. Tantalo-180m gamtoje randama apie 1 iš 8300 atomų. Manoma, kad branduolinis izomeras buvo pagamintas supernovose.

Kaip jie gaminami

Metastablūs branduoliniai izomerai atsiranda per branduolines reakcijas ir gali būti gaminami naudojant branduolių sintezė . Jie atsiranda tiek natūraliai, tiek dirbtinai.

Skilimo izomerai ir formos izomerai

Specifinis branduolinio izomero tipas yra dalijimosi izomeras arba formos izomeras. Skilimo izomerai nurodomi naudojant postscript arba viršutinį indeksą „f“, o ne „m“ (pvz., plutonis-240f arba^{240 f}₉₄Pu). Terminas „formos izomeras“ reiškia atomo branduolio formą. Nors atominis branduolys paprastai vaizduojamas kaip sfera, kai kurie branduoliai, pavyzdžiui, daugumos aktinidų, yra pailgos sferos (futbolo formos). Dėl kvantinio mechaninio poveikio sužadintų būsenų išjungimas į pradinę būseną yra trukdomas, todėl sužadintos būsenos linkusios spontaniškai dalytis arba grįžti į pradinę būseną, kurių pusinės eliminacijos laikas yra nanosekundės arba mikrosekundės. Formos izomero protonai ir neutronai gali būti dar toliau nuo sferinio pasiskirstymo nei pagrindinės būsenos nukleonai.

Branduolinių izomerų naudojimas

Branduoliniai izomerai gali būti naudojami kaip gama šaltiniai atliekant medicinines procedūras, branduolines baterijas, atliekant mokslinius tyrimus gama spinduliai stimuliuojama emisija, ir gama spindulių lazeriams.