Isomer (Kernphysik)

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Dieser Artikel behandelt Isomer als Begriff in der Kernphysik; zum chemischen Begriff siehe Isomerie.

Isomere (von griechisch ἴσος ísos ‚gleich‘ und μέρος méros ‚Teil‘; Einzahl: das Isomer) in der Kernphysik sind Atomkerne mit gleichen Anzahlen an Protonen und Neutronen (also gleicher Kernladungszahl und gleicher Massenzahl), die sich jedoch in verschiedenen inneren Zuständen befinden. Zur Unterscheidung von der Isomerie in der Chemie werden auch die Bezeichnungen Kernisomerie, Kernisomer verwendet.

Anders als in der Chemie wird als Isomer jedoch im Allgemeinen 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 zwischen mehreren Isomeren desselben Nuklids kann dem „m“ eine Nummer nachgestellt sein, z. B. 152m1Eu. In Nuklidkarten lassen sich Kernisomere darstellen, indem das betreffende Feld in Spalten unterteilt wird.

Erklärung und Beispiele[Bearbeiten]

Bei jedem Atomkern (von der Massenzahl 4 aufwärts) gibt es außer dem Grundzustand angeregte Zustände. Als Isomere werden besonders langlebige Zustände bezeichnet (siehe metastabiler Zustand). Die Grenze zwischen kurz- und langlebig ist dabei nicht genau definiert, liegt aber bei mindestens 1 Nanosekunde, also um Größenordnungen über den Lebensdauern der allermeisten angeregten Kernzustände. Der Übergang vom metastabilen Zustand in den Grundzustand ist beispielsweise wegen einer nötigen größeren Drehimpulsänderung unwahrscheinlich („verboten“).

Das langlebigste Kernisomer ist 180mTa mit einer Halbwertszeit von mindestens 1,2·1015 Jahren. Es lebt also länger als der Kern im Grundzustand, der nur eine Halbwertszeit von 8 Stunden hat. Ein anderes Isomer, 99mTc, wird im Artikel über Radioaktivität beschrieben.

Isomere können durch Emission von Gammastrahlung (Isomerieübergang) oder durch Innere Konversion in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen oder auf andere Art radioaktiv zerfallen.

Wie alle angeregten Kernzustände können sich isomere Kerne auch in Spin und Parität vom Grundzustand und voneinander unterscheiden. 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 und die Nukleonendichte im Kern geben kann.

Geschichte[Bearbeiten]

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 1,17 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 unterscheidet. Erst 1936 wurden die Kernisomere durch Carl Friedrich von Weizsäcker als metastabile Zustände erklärt.[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 0865426848 (doi:10.1351/goldbook.N04257).
  2. Carl Friedrich von Weizsäcker: Metastabile Zustände der Atomkerne. In: Naturwissenschaften. Bd. 24, Nr. 51, 1936, S. 813–814, doi:10.1007/BF01497732.