Definizione ed esempi di isomero nucleare

Gli isomeri nucleari sono atomi con lo stesso numero di Massa e numero atomico, ma con diversi stati di eccitazione in il nucleo atomico. Il più alto o più stato eccitato viene chiamato stato metastabile, mentre lo stato stabile e non eccitato viene chiamato stato fondamentale.

Molte persone sono consapevoli elettroni può cambiare i livelli di energia ed essere trovato in stati eccitati. Un processo analogo si verifica nel nucleo atomico quando protoni o neutroni (i nucleoni) si eccitano. Il nucleone eccitato occupa un orbitale nucleare di energia superiore. Il più delle volte, i nucleoni eccitati tornano immediatamente allo stato fondamentale, ma se lo stato eccitato ha un'emivita più lungo di 100 a 1000 volte quello dei normali stati eccitati, è considerato uno stato metastabile. In altre parole, l'emivita di uno stato eccitato è di solito dell'ordine di 10^-12 secondi, mentre uno stato metastabile ha un'emivita di 10^-9 secondi o più. Alcune fonti definiscono uno stato metastabile con un'emivita superiore a 5 x 10

Il Motivo la forma degli stati metastabili è perché è necessario un cambiamento di rotazione nucleare più grande per poter tornare allo stato fondamentale. Un cambio di rotazione elevato rende i decadimenti "transizioni proibite" e li ritarda. L'emivita di decadimento è anche influenzata dalla quantità di energia di decadimento disponibile.

La maggior parte degli isomeri nucleari ritorna allo stato fondamentale attraverso il decadimento gamma. A volte viene chiamato il decadimento gamma da uno stato metastabile transizione isomerica, ma è essenzialmente lo stesso del normale decadimento gamma di breve durata. Al contrario, gli stati atomici (elettroni) più eccitati ritornano allo stato fondamentale tramite fluorescence.

Un altro modo in cui gli isomeri metastabili possono decadere è mediante conversione interna. Nella conversione interna, l'energia che viene rilasciata dal decadimento accelera un elettrone interno, provocando la sua uscita dall'atomo con notevole energia e velocità. Esistono altre modalità di decadimento per isomeri nucleari altamente instabili.

Lo stato fondamentale viene indicato mediante il simbolo g (quando viene utilizzata una notazione). Gli stati eccitati sono indicati con i simboli m, n, o, ecc. Il primo stato metastabile è indicato dalla lettera m. Se un isotopo specifico ha più stati metastabili, gli isomeri sono designati m1, m2, m3, ecc. La designazione è elencata dopo il numero di massa (ad esempio, cobalto 58m o ^58m₂₇Co, afnio-178m2 o ^178m2₇₂HF).

Il simbolo sf può essere aggiunto per indicare isomeri capaci di fissione spontanea. Questo simbolo è utilizzato nella carta dei nuclei di Karlsruhe.

Otto Hahn scoprì il primo isomero nucleare nel 1921. Questo era Pa-234m, che decade in Pa-234.

Lo stato metastabile più longevo è quello di ^180m₇₃ Ta. Questo stato metastabile di tantalio non è stato visto decadere e sembra durare almeno 10¹⁵ anni (più lunghi dell'età dell'universo). Poiché lo stato metastabile dura così a lungo, l'isomero nucleare è sostanzialmente stabile. Il tantalio-180m si trova in natura ad un'abbondanza di circa 1 per 8300 atomi. Si pensa che forse l'isomero nucleare sia stato prodotto in supernovae.

Gli isomeri nucleari metastabili si verificano tramite reazioni nucleari e possono essere prodotti utilizzando fusione nucleare. Si verificano sia in modo naturale che artificiale.

Un tipo specifico di isomero nucleare è l'isomero di fissione o isomero di forma. Gli isomeri di fissione sono indicati usando un poscritto o un apice "f" anziché "m" (ad es. Plutonio-240f o ^240f₉₄Pu). Il termine "isomero di forma" si riferisce alla forma del nucleo atomico. Mentre il nucleo atomico tende a essere rappresentato come una sfera, alcuni nuclei, come quelli della maggior parte degli attinidi, sono sfere prolate (a forma di calcio). A causa degli effetti meccanici quantistici, la diseccitazione degli stati eccitati allo stato fondamentale è ostacolata, quindi l'eccitato gli stati tendono a subire una fissione spontanea oppure a ritornare allo stato fondamentale con un'emivita di nanosecondi o microsecondi. I protoni e i neutroni di un isomero di forma possono essere anche più lontani da una distribuzione sferica rispetto ai nucleoni allo stato fondamentale.

Gli isomeri nucleari possono essere usati come fonti gamma per procedure mediche, batterie nucleari, per la ricerca raggi gamma emissione stimolata e per laser a raggi gamma.