Atomkerna izomero

En fiziko, nuklea izomero estas metastabila stato de atomkerno kaŭzita per ekscito de unu aŭ pli multaj de ĝiaj nukleonoj. Nuklea izomero okupas pli altan energian staton ol la respektiva ne-ekscitita kerno, nomata kiel la tera stato. Eble, la nuklea izomero liberigos la superfluan energion kaj moviĝos en la teran staton, kvankam ĉe Ta-180m ĉi tiu reakcio estas tiel malrapida ke ĝi neniam estas observita.

 Metastabilaj izomeroj 

Metastabilaj izomeroj povas esti produktita tra fuzio aŭ aliaj nukleaj reakcioj. Kerno tial produktita ĝenerale startas sian ekziston en ekscitita stato kiu malekscitiĝas per eligo de unu aŭ pli multaj gama-kvantumoj aŭ, ekvivalente, konvertiĝaj elektronoj, kutime en tempo malproksime pli mallonga ol pikosekundo.

Iam okazas ke la malekscitiĝo ne procedas rapide ĉiun vojon al la nuklea tera stato. Ĉi tio kutime okazas pro la formigo de intera ekscitita stato kun spino malproksime malsama de tiu de la tera stato aŭ la pareco ne koincidas. Gamo-radia eligo estas malproksime pli malrapida (estas "malhelpita") se la spino de la post-eliga stato estas tre malsama de tiu de la antaŭa stato, aparte se la ekscita energio estas malalta, ol se la du ŝtatoj estas de simila spino. La ekscitita stato en ĉi tiu okazo estas tiel bona kandidato al esti metastabila, se ne estas la aliaj statoj de intera spino kun ekscitaj energioj malpli ol tiu la metastabila stato.

Tiel plejparto de ekscititaj statoj estas tre malstabilaj, kaj elradias for la superfluan energion tuj (en tempo de ordo de 10−12 sekundoj). Tiel, la termino "nuklea izomero" estas kutime limigita al ekscititaj statoj kun duoniĝtempoj ne pli malgrandaj ol 10−3, 10−7 aŭ 10−9 sekundoj depende de la aŭtoro. Fakte ne estas iu bone difinita limigo je vivdaŭro ekde kiu iu ekscitita stato estas izomera, ĉi tiu limigo estas nur demando de interkonsento inter fizikistoj pri tio kion signifas la termino.

Metastabilaj izomeroj de aparta izotopo estas kutime skribataj kun litero "m" aŭ, ĉe izotopoj kun pli ol unu izomero, "m2", "m3", kaj tiel plu. Ĉi tiu indiko estas lokata post la masnumero de la atomo; ekzemple, Co-58m, aŭ 58mCo. Pligrandiĝantaj indeksoj, "m", "m2", kaj tiel plu temas pri pligrandiĝantaj niveloj de ekscita energio en ĉiu de la izomeraj statoj (ekzemple, Hf-177m2 aŭ 177m2Hf).

Malsama speco de metastabila nuklea stato (izomero) estas la fisia izomero aŭ forma izomero. Plej parto de aktinoidaj kernoj, en iliaj teraj ŝtatoj, estas ne sfera, sed iom sferosimilaĵaj — aparte, etendita, kun simetriakso pli longa ol la aliaj aksoj, simile al rugbea pilko, kvankam kun malpli granda foriro de la sfera simetrio. Ĉe iuj el ĉi tiuj izotopoj, kvantumo-mekanikaj statoj povas ekzisti en kiu la distribuo de protonoj kaj neŭtronoj estas ankoraŭ pli malproksima de sfera, proksimume tiel nesferaj kiel pliko de usona piedpilko, tiel multe ke malekscitiĝo al la nuklea tera stato estas forte malhelpita. Ĝenerale ĉi tiuj ŝtatoj malekscitiĝas al la tera stato aŭ spertas spontanean fision kun duoniĝtempo de ordo de nanosekundoj aŭ mikrosekundoj - tre mallonga tempo, sed je multaj ordoj de grandeco pli longa ol la duoniĝotempo de pli kutima nuklea ekscitita stato. Fisiaj izomeroj estas kutime skribataj kun supra indico "f" anstataŭ "m" tiel ke fisia izomero de ekzemple plutonio-240 estas skribata kiel Pu-240f aŭ 240fPu.

Stabileco de izomeroj pro malsama formo de atomkerno ĉe eksititaj statoj estadas ankaŭ ĉe malpli pezaj atomoj, kiel 180Hf

Por iuj valoroj de la masnumero ekzistas tiel nomataj insuloj de izomerio - izotopoj por kiuj izomeroj ekzistas aparte multe. Ĉi tio estas pro eksplikata per la ŝela modelo de atomkerno, kiu antaŭdiras ekziston ĉe neparaj kernoj de similaj energiniveloj kun granda malsameco de spinoj se kvanto de protonoj aŭ neŭtronoj proksimas al certaj valoroj.

 Preskaŭ stabilaj izomeroj 

Kvantummekaniko antaŭdiras ke certaj atomaj specoj estos posedi izomerojn kun nekutime longaj vivperiodoj, kaj tiel havas interesajn propraĵojn. Per difino, ne ekzistas tia aĵo kiel stabila izomero; tamen, iuj izomeroj estas longvivantaj tiel ke ili estas nomataj kiel preskaŭ stabilaj, kaj povas esti produktitaj kaj observitaj en sufiĉa kvanto.

La nura preskaŭ stabila nuklea izomero okazanta en naturo estas Ta-180m, kiu estas aktuale en ĉiuj tantalaj specimenoj je proksimume 1 parto de 8300. Ĝia duoniĝotempo estas almenaŭ 1015 jaroj, kio estas multe pli longa ol la aĝo de la universo. Ĉi tio estas pro tio ke la ekscita energio de la izomera stato estas malalta, kaj gama malekscitiĝo al la Ta-180 tera stato (kiu estas radioaktiva kaj havas duoniĝotempon de nur 8 horoj), kaj beto-disfalo al hafnio aŭ volframo estas ĉiuj subpremitaj, pro spina malkonveno. Spino kaj pareco de la tera stato estas 1+, de la izomero ili estas 8− (??? aŭ 9−). La fonto de ĉi tiu izomero estas mistera, kvankam ŝajne ĝi estas formata en supernovaoj (kiel plejparto de pezaj elementoj). Kiam ĝi kvietiĝas al ĝia tero stato, ĝi eligas fotonon kun energio de 77 keV. Ĝi estis unua raportita en 1988 per Collins ke Ta-180m povas esti altrudita liberigi sian energion per pli malfortaj ikso-radioj. Post 11 jaroj de diskuto tiuj pretendoj estis konfirmita en 1999 per Belic kaj kunlaborantoj en la Stutgarta nuklea fizika grupo.

Alia laŭkaŭze stabila nuklea izomero (kun duoniĝotempo de 31 jaroj) estas hafnio-178m2, kiu havas la plej altan ekscitan energion el ĉiu kompare longvivantaj izomeroj. Unu gramo de pura Hf-178m2 enhavas proksimume 1330 megaĵuloj de energio, la ekvivalento de eksplodo de proksimume 317 kilogramoj de TNT. Plu, en la natura disfalo de Hf-178m2, la energio estas liberigata kiel kelkaj gama-kvantumoj el elĵetitaj elektronoj kun tuteca energio de 2446 keV por unu atomkerno. Kiel kun Ta-180m, estas disputitaj raportoj ke Hf-178-m2 povas esti plivigligita en liberigo de sia energio, kaj kiel rezulto la esenco estas estante studita kiel ebla fonto por gama-radiadaj laseroj. Ĉi tiuj raportoj ankaŭ indikas ke la energio estas liberigita tre rapide, tiel ke Hf-178m2 povas produkti ege altajn povumojn (de ordo de 1018 vatoj). Ankaŭ la aliaj izomeroj estas esplorita kiel eblaj rimedoj por gamo-radia plivigligita eligo.

En naturaj radioaktivaj vicoj de uranio-238, uranio-235 kaj torio estas kelkaj izomeroj, inter ili 210mBi (duoniĝtempo 3,04×106 jaroj).

Uranio-235 havas rimarkinde malalte energian metastabilan izomeron 235mU, kun energio de nur 77 elektronvoltoj kaj duoniĝtempo 26 minutoj.

Torio-229 havas rimarkinde malalte energian metastabilan izomeron, kun energio de nur kelkaj elektronvoltoj pli supre de la tera stato.

 Aplikoj 

Tekneciaj izomeroj Tc-99m (kun duoniĝotempo de 6,01 horoj) kaj Tc-95m (kun duoniĝotempo de 61 tagoj) estas uzataj en nuklea medicino kaj industriaj aplikoj.

La izomeroj hafnio kaj tantalo estas konsideritaj kiel ebal materialoj por armiloj kiuj povas esti uzataj por ĉirkaŭiri la nuklean ne-disvastigan traktaton, ĉar ili povas esti konkludite disradii tre fortan gama-radiadon. DARPA havas aŭ havis programon por esplori ĉi tiun uzon de ambaŭ nukleaj izomeroj.

 Disfalaj procezoj 

Izomeroj disfalas al subaj energiaj statoj de la izotopo tra du izomeraj trairoj:

 Gama-eligo - eligo de alte energia fotono
 Ena konvertiĝo - la energio estas uzata por jonigi la atomon

Izomeroj disfalas ankaŭ al la aliaj izotopoj per:

 Alfa-disfalo
 Beta-disfalo kaj elektrona kapto
 Eligo de protono por alte ekscititaj izomeroj
 Spontanea fisio por pezaj izotopoj

 Historio 

Koncepto de izomeroj aperis en 1921 kiam Otto Hahn trovis novan radioaktivan substancon uranio-Z (UZ), kiu laŭ kemiaj propraĵoj kaj atommaso estis tute sama kiel jam sciata uranio-X (Ŭ2), sed havis la alian duoniĝtempon. Per nuna skribmaniero, UZ kaj Ŭ2 estas tera stato kaj izomero de 234Th. En 1935 estis trovita izomero de artefarita izotopo 80Br, kiu aperas kune kun la tera stato dum kapto de neŭtrono de la stabila 79Br.

 Vidu ankaŭ 
 Izotopo
 Konkludita gama eligo
 Izomera trairo
 Izomero (kemio)
 Nukleo

 Eksteraj ligiloj 
 D. Belic kaj aliaj, Phys. Rev. Lett., 83, p 5242 (1999).
 C. B. Collins kaj aliaj, Phys. Rev. C, 37, p 2267-2269 (1988). 
   Datumoj pri izomeroj de NUBASE de 1997, kiel izomeroj estas konsiderataj statoj kun duoniĝtempo ekde 10−3 sekundoj
   Datumoj pri izomeroj de NUBASE de 2033, kiel izomeroj estas konsiderataj ankaŭ iuj statoj kun duoniĝtempo ekde 10−7 sekundoj
 L. I. Rusinov, Izomeroj de atomkernoj
 E. V. Tkala, Plivigligita disfalo de nuklea izomero 178m2Hf


 Esplori grupo kiu prezentis komenca pretendas de hafnia nuklea izomera de-ekscito regi.  - La centro por kvantuma elektroniko de la Universitato de Teksaso je Dallas.
 JASON Defenda Konsulta Grupo, Raporto pri alte energiaj nukleaj materialoj 
 Artikolo en Fiziko Hodiaŭ de majo 2004 kiu recenzas la diskuton pri Hf en balancita maniero
 Fido por hafnia izomero baskulado en 2006.  - La centro por kvantuma elektroniko de la Universitato de Teksaso je Dallas.
 Represoj de artikoloj pri nukleaj izomeroj en recenzitaj ĵurnaloj  - La centro por kvantuma elektroniko de la Universitato de Teksaso je Dallas.
 Artikolo en Physics Today kiu kontraŭas la rezultojn de grupo de la Universitato de Teksaso je Dallas. 

Kategorio:Atoma fiziko