Isomer (Kernphysik)

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Isomere (von griechisch ἴσος ísos ‚gleich‘ und μέρος méros ‚Teil‘; Einzahl: das Isomer) in der Kernphysik sind Atomkerne, die sich weder in der Anzahl der Protonen noch der Neutronen unterscheiden, sich aber in unterschiedlichen inneren (Energie-)Zuständen befinden. Zur Unterscheidung von der Isomerie in der Chemie werden auch die Bezeichnungen Kernisomerie bzw. Kernisomer verwendet.

Als Isomer wird nicht der Kern im Grundzustand, sondern nur derjenige in einem angeregten Zustand bezeichnet, und auch das nur, wenn dieser Zustand besonders langlebig ist. Das Isomer wird als ein eigenes Nuklid betrachtet[1] und durch ein „m“ (für „metastabil“) neben der Massenzahl bezeichnet. Zur Unterscheidung mehrerer Isomere eines Kerns kann dem „m“ eine Nummer nachgestellt werden, z. B. 152m1Eu. In Nuklidkarten lassen sich Kernisomere darstellen, indem das betreffende Feld in Spalten unterteilt wird.

Welche Zustände man als „besonders langlebig“ ansieht, unterliegt einer gewissen Willkür. Außerdem werden immer weitere Kernisomere entdeckt. Daher kann man nur eine Untergrenze der Anzahl von Kernisomeren angeben, die bei etwa 2500 liegt. [Stat 1]

Erklärung und Beispiele[Bearbeiten]

Alle Atomkerne mit mindestens vier Nukleonen[M 1] können außer im Grundzustand auch in angeregten Zuständen existieren. Normalerweise haben diese mit 10−22 bis 10−14 Sekunden unvorstellbar kurze Lebensdauern[M 2]. Als Isomere bezeichnet man langlebigere (metastabile) angeregte Zustände mit Lebensdauern ab etwa 10−9 Sekunden. Die Ursache für diese verlängerten Halbwertszeiten von Isomeren sind „verbotene“ Übergänge zu Zuständen niedrigerer Energie durch große Differenzen ΔL des Kernspins der beteiligten Atomkerne. Diese großen Kernspin-Differenzen ΔL machen den Übergang zwar nicht unmöglich, können ihn aber um viele Größenordnungen verzögern. Man bezeichnet dies als Drehimpulsbarriere. Ursache ist eine Erhöhung der zu überwindenden Potentialbarriere zwischen beiden Zuständen um ΔE = (ΔL)2/(2·m·r2), die zusätzlich durchtunnelt werden muss.

Wenn Kernisomere dann wie andere angeregte Kerne in niederangeregte Zustände übergehen, können sie die freiwerdende Energie durch Emission von Gammastrahlung (Isomerieübergang) oder durch Innere Konversion abgeben. Weiterhin findet man gehäuft insbesondere bei schweren Kernen Zerfallskanäle der instabilen Grundzustände auch beim Isomer wieder. Man kann sich das so vorstellen, dass das Isomer unter Umgehung des Grundzustandes gleich weiter zerfällt. Das leichteste Isomer mit vom Grundzustand „geerbtem“ Betazerfall ist 24mNa. Beim Kern 184mHf ist dieser Prozess so weit fortgeschritten, so dass er nur noch dem Betazerfall unterliegt. Auf Grund der geringeren Spindifferenz ist es für diesen Kern „bequemer“, gleich in 184Ta zu zerfallen.

Wie alle angeregten Kernzustände unterscheiden sich isomere Kerne im Allgemeinen in Spin und Parität vom Grundzustand und voneinander. Die verschiedenen Zustände beschreiben unterschiedliche Ladungsverteilungen im Kern. Dies beeinflusst die Energie der an den Kern gebundenen Elektronen und kann zu einer Verschiebung der Spektrallinien des Atoms führen, die als Isomerieverschiebung bezeichnet wird und Aufschluss über die Kernstruktur geben kann.

Das stabilste Kernisomer ist 180m1Ta. Sein Zerfall wurde noch nie beobachtet; seine Halbwertszeit muss oberhalb von 1,2·1015 Jahren liegen. Ein 180m1Ta-Kern lebt damit mindestens 18 Größenordnungen länger als ein Kern im Grundzustand, der nur eine Halbwertszeit von 8 Stunden hat. Ein anderes Kernisomer, 99mTc, wird medizinisch-diagnostisch für die Szintigrafie genutzt.

  1. D.h. alle Kerne außer 1H, 2H, 3H und 3He.
  2. Direkt kann man solch kurze Zeiten nicht messen. Teilchen mit einer Geschwindigkeit von 0,3·c bewegen sich in dieser Zeit gerade mal 10−14 bis 10−6 Meter. Man kann aber aus der Linienbreite der emittierten Gammaquanten die Lebensdauer bestimmen.

Dies und das[Bearbeiten]

  • Ein Kernisomer ist entsprechend E = m·c2 schwerer als der Grundzustand.
  • Kernzustände mit nicht zu kurzer Lebensdauer stellen Resonatoren mit extrem hoher Güte dar. Siehe auch Mößbauer-Effekt.

Beispiele und Besonderheiten[Bearbeiten]

Halbwertszeiten der stabilsten Isomere. Sowohl geringe Anregungsenergien wie große Differenzen des Spins tragen zur hohen Stabilität bei. Bis auf das letzte dieser Liste sind alle Isomere stabiler als ihr Grundzustand. Die ersten sieben Einträge haben ungerade Protonen- und ungerade Neutronenanzahl, sind damit uu-Kerne.

Halbwertszeiten der stabilsten Isomere
Isomer 180m1Ta 210mBi 186mRe 166mHo 108mAg 192mIr 242mAm 121mSn 178mHf
Kernspin und Parität (Jπ) −9 −9 +8 −7 +6 +4 −5 −11/2 +16
Energie über Grundzustand (keV) 77,1 271,3 149 5,9 109,4 56,7 48,6 6,3 2446,1
Halbwertszeit stabil 3·106 a 200·103 a 1200 a 418 a 241 a 141 a 43,9 a 31 a
rel. zum Grundzustand stabil 210·106× 2·106× 0,4·106× 9,3·106× 1.200× 77.000× 14.000× instabil
Die dazu gehörenden Grundzustände
Grundzustand 180Ta 210Bi 186Re 166Ho 108Ag 192Ir 242Am 121Sn 178Hf
Kernspin und Parität (Jπ) +1 −1 −3 ±0 +1 −1 −1 +3/2 ±0
Halbwertszeit 8,15 h 5 d 3,72 d 1,12 d 2,37 min 73,8 d 16 h 27 h stabil

Die jeweils langlebigsten leichten Isomere:

Langlebig leichteste Isomere
Mindesthalbwertszeit ≥1 ps ≥1 s ≥1 a stabil
Isomer 16mN 19mF 93mNb 180mTa
Kernspin und Parität (Jπ) ±0 +7/2 −1/2 +1
Energie über Grundzustand (keV) 120 5463,5 30,8 77,1
Halbwertszeit 7,3 ms 1 s 16,129 a stabil
Die dazu gehörenden Grundzustände
Grundzustand 16N 19F 93Nb 180Ta
Kernspin und Parität (Jπ) −2 +1/2 +9/2 −9
Halbwertszeit 7,13 s stabil stabil 8,15 h

Weitere Besonderheiten sind:

  • Die Isomere 91mRh und 92mRh haben einen Anregungsenergie von nur etwa 100 eV.
  • Der Grundzustand von 229Th ist ein Dublett-Zustand mit einer Energiedifferenz von nur 7,8 eV.
Isotop Anregungs-
Energie
Spin Halbwerts-
zeit
Bemerkung
99Tc Grundzustand +9/2 211100 a
142,7 keV −1/2 6,005 h Wird in der Medizintechnik eingesetzt
234Pa Grundzustand +4 6,7 h
73,9 keV ±0 1,159 min erstes entdecktes Isomer
Siehe auch: Geschichte Protactinium

Geschichte[Bearbeiten]

Kernisomere wurde 1917 von Frederick Soddy vorhergesagt.[2] Die ersten isomeren Kerne wurden 1921 von Otto Hahn bei der Untersuchung der Zerfallsreihe von Uran entdeckt. Neben dem bereits bekannten 234mPa („Uran X2“, „Brevium“) mit einer Halbwertszeit von 1,16 Minuten fand er ein zweites betastrahlendes Nuklid 234Pa („Uran Z“) mit der gleichen Massenzahl, das sich von 234mPa lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterschied. Hielt man Kernisomere erst als Phänomen radioaktiver Elemente, so kam man 1935 in Bedrängnis mit der Entdeckung von Kernisomeren von Iridium (192mIr) und Iod (130mI). Ein Jahr später, 1936, wurden Kernisomere durch Carl Friedrich von Weizsäcker als metastabile spinstabilisierte Zustände erklärt.[3]

Statistik[Bearbeiten]

  1. Die Daten sind einer Datenbank mit über 4500 Kernzuständen entnommen, die nachweislich unvollständig ist.
    Halbwertszeit von mindestens
    1 a 1 d 1 h 1 min 1 s 1 ms 1 us 5 ns 1 ns
    20 62 128 329 566 779 1058 1294 1298
    Lebensdauer mindestens 1 Nanosekunde und Anregungsenergien
    <1 keV <10 keV <100 keV <1 MeV >1 MeV >2 MeV >3 MeV >4 MeV >5 MeV
    2 22 314 964 334 218 65 27 13

    Hochangeregte Zustände mit langen Lebensdauern findet man beim Eisen:

    • 52mFe mit 6,96 MeV und 46 Sekunden HWZ
    • 54mFe mit 3,04 MeV und 2,5 Minuten HWZ
    • 177mLu mit 3,9 MeV und 6 Minuten HWZ

    Die höchste Anregungsenergie bei vergleichsweise langer HWZ:

    • 151mEr mit 10,29 MeV und 0,42 Mikrosekunden HWZ (Spin: −67/2(!))

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Isomer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. A. D. McNaught, A. Wilkinson (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). 2. Auflage. Blackwell Scientific Publications, Oxford 1997, ISBN 0-86542-684-8 (doi:10.1351/goldbook.N04257)
  2. Soddy, Frederick; Nature 99 (1917); page 433
  3. Carl Friedrich von Weizsäcker: Metastabile Zustände der Atomkerne. In: Naturwissenschaften. Bd. 24, Nr. 51, 1936, S. 813–814, doi:10.1007/BF01497732.