ไอโซเมอร์ของนิวเคลียส

ไอโซเมอร์ของนิวเคลียส () คือ สถานะกึ่งเสถียรของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งมีนิวคลีออน (โปรตอนหรือนิวตรอน) หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นอยู่ในระดับสถานะกระตุ้น (ระดับพลังงานที่สูงขึ้น) คำว่า "กึ่งเสถียร" อธิบายถึงนิวเคลียสที่มีสถานะกระตุ้นซึ่งมีค่าครึ่งชีวิตเท่ากับ 10-9 วินาที หรือนานกว่านั้น ซึ่งยาวนานกว่าค่าครึ่งชีวิตของสถานะกระตุ้นนิวเคลียสที่สลายตัวด้วยครึ่งชีวิตแบบ "ทันทีทันใด" (ซึ่งปกติอยู่ในช่วง 10-12 วินาที) ถึง 100 ถึง 1000 เท่า แหล่งข้อมูลบางแห่งแนะนำให้ใช้  วินาที เพื่อจำแนกครึ่งชีวิตแบบกึ่งเสถียรออกจากครึ่งชีวิตของการปล่อยรังสีแกมมาแบบ "ทันทีทันใด" ตามปกติ 

ไอโซเมอร์จำนวนหนึ่งมีค่าครึ่งชีวิตที่ยาวนานกว่านี้มาก และอาจเป็นหลักนาที ชั่วโมง หรือปี ตัวอย่างเช่น ไอโซเมอร์ของนิวเคลียสแทนทาลัม-180m มีอายุยืนยาวมาก (อย่างน้อย  ปี) จนไม่เคยถูกสังเกตว่าสลายตัวเองตามธรรมชาติเลย และเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในฐานะนิวไคลด์เกิดพร้อมโลกแม้ว่าจะหายาก โดยมีเพียง 1 ใน 8,000 ส่วนของแทนทาลัมทั้งหมด ไอโซเมอร์ที่เสถียรเป็นอันดับสองคือ บิสมัท-210m ซึ่งไม่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยมีครึ่งชีวิต  ปี ผ่านการสลายให้อนุภาคแอลฟา

การสลายให้รังสีแกมมาจากสถานะกึ่งเสถียรเรียกว่า การเปลี่ยนสถานะแบบไอโซเมอริก (isomeric transition หรือ IT) หรือ การเปลี่ยนสถานะภายใน (internal transition) แม้ว่าในแง่มุมภายนอกจะคล้ายกับการสลายตัวแบบแกมมาที่ "ทันทีทันใด" ซึ่งมีอายุสั้นกว่า ยกเว้นเรื่องของอายุที่ยาวนานกว่า การเปลี่ยนสถานะนี้มักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงนิวเคลียร์สปินในระดับสูง หรือ "ภาวะต้องห้าม" ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการปลดปล่อยรังสีแกมมาเพื่อไปถึงสถานะพื้น สิ่งนี้เป็นจริงยิ่งกว่าสำหรับการสลายให้อนุภาคเบตา พลังงานการเปลี่ยนสถานะที่ต่ำจะทั้งชะลออัตราการเปลี่ยนสถานะและทำให้มีความเป็นไปได้มากขึ้นที่เหลือเพียงการสลายตัวที่ถูก "ห้าม" ในระดับสูงเท่านั้นที่สามารถเกิดขึ้นได้ ดังนั้น ไอโซเมอร์ที่มีอายุยืนยาวส่วนใหญ่จึงมีพลังงานกระตุ้นค่อนข้างต่ำเหนือสถานะพื้น (ในกรณีสุดขั้วของ ทอเรียม-229m พลังงานกระตุ้นที่ต่ำเพียงอย่างเดียวก็เป็นสาเหตุให้อายุยาวนานที่วัดได้) ในบิสมัท-210m ภาวะต้องห้ามของการสลายให้อนุภาคเบตาและรังสีแกมมาที่มีอยู่สูงมากจนสังเกตเห็นเฉพาะการสลายให้อนุภาคแอลฟาเท่านั้น แม้ว่าการสลายตัวนี้จะช้ากว่าการสลายตัวของสถานะพื้นก็ตาม สำหรับไอโซเมอร์ที่เบากว่าส่วนใหญ่ เช่น แทนทาลัม-180m การสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาในทางปฏิบัติแล้วไม่สามารถเกิดขึ้นได้ แต่ไอโซเมอร์อื่น ๆ ก็ไม่ได้ถูกห้ามในระดับสูงเท่ากับสองไอโซเมอร์นี้

ไอโซเมอร์กึ่งเสถียรสามารถเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นการสลายตัวกัมมันตรังสี การจับยึดนิวตรอน การแบ่งแยกนิวเคลียส และการยิงชนด้วยอนุภาคที่มีประจุเร่งความเร็ว นิวเคลียสที่ถูกสร้างขึ้นในลักษณะนี้โดยทั่วไปจะเริ่มต้นในสถานะกระตุ้น (excited state) ซึ่งจะสูญเสียพลังงานส่วนเกินผ่านการปล่อยรังสีแกมมาหรืออิเล็กตรอนการเปลี่ยนสถานะหนึ่งตัวหรือมากกว่า กระบวนการนี้โดยปกติจะเป็นไปอย่าง "ทันทีทันใด" แต่บางครั้งก็ไม่สามารถไปถึงสถานะพื้นของนิวเคลียสได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งในกรณีนี้ก็จะเกิดเป็นไอโซเมอร์กึ่งเสถียรขึ้นมา การเกิดขึ้นนี้มักเกิดขึ้นในฐานะสปินไอโซเมอร์ (spin isomer) เมื่อสถานะกระตุ้นระดับกลางที่ถูกสร้างขึ้นมีสปินที่แตกต่างอย่างมากจากสปินของสถานะพื้น การปล่อยรังสีแกมมาจะถูกขัดขวาง หากสปินของสถานะหลังการปล่อยแตกต่างอย่างมากจากสปินของสถานะที่กำลังปล่อย และหาก พลังงานกระตุ้นนั้นต่ำ สถานะกระตุ้นดังกล่าวโดยทั่วไปจะมีอายุยาวนานและถูกพิจารณาว่าเป็นกึ่งเสถียร

หลังจากการแบ่งแยกชิ้นส่วนฟิชชัน หลายชนิดอาจถูกสร้างขึ้นในสถานะไอโซเมอริกกึ่งเสถียร หลังจากที่พวกมันคลายการกระตุ้นแบบทันทีทันใด เมื่อสิ้นสุดกระบวนการนี้ นิวเคลียสสามารถเข้าสู่ได้ทั้งสถานะพื้นและสถานะไอโซเมอริก หากครึ่งชีวิตของไอโซเมอร์มีความยาวนานพอ ก็เป็นไปได้ที่จะวัดอัตราการผลิตของมัน และการเปรียบเทียบอัตรานี้กับอัตราการผลิตของสถานะพื้นจะทำให้ได้สิ่งที่เรียกว่า '‘อัตราส่วนผลผลิตไอโซเมอริก'' (isomeric yield ratio) 

ไอโซเมอร์กึ่งเสถียรชนิดหนึ่งที่มีความจำเพาะเจาะจงคือ ไอโซเมอร์ฟิชชัน (fission isomer) หรือ ไอโซเมอร์รูปทรง (shape isomer) นิวเคลียสของแอกทิไนด์ส่วนใหญ่ใน สถานะพื้น (ground states) จะมีรูปทรงที่ไม่ใช่ทรงกลม แต่เป็นรูปทรงรีแบบยาวแป้น ซึ่งมีแกนสมมาตรที่ยาวกว่าแกนอื่น ๆ คล้ายกับลูกอเมริกันฟุตบอลหรือรักบี้ รูปทรงเรขาคณิตแบบนี้สามารถส่งผลให้เกิดสถานะทางกลศาสตร์ควอนตัมที่การกระจายตัวของโปรตอนและนิวตรอนแตกต่างอย่างมากจากรูปทรงกลมจนกระทั่งการคลายการกระตุ้นไปสู่สถานะพื้นของนิวเคลียสถูกขัดขวางอย่างรุนแรง โดยทั่วไปแล้ว สถานะเหล่านี้จะมีการคลายการกระตุ้นไปสู่สถานะพื้นช้ากว่าสถานะกระตุ้น "ปกติ" มาก หรือไม่ก็เกิดการแบ่งแยกเองตามธรรมชาติด้วยครึ่งชีวิตอยู่ในช่วงนาโนวินาทีหรือไมโครวินาที ซึ่งเป็นเวลาที่สั้นมาก แต่ยาวนานกว่าครึ่งชีวิตของสถานะกระตุ้นนิวเคลียสที่ "ปกติ" หลายอันดับ ไอโซเมอร์ฟิชชันอาจถูกระบุด้วยอักษรตัวเล็ก "f" ที่ตามท้ายหรือตัวยก "f" แทนที่จะเป็น "m" ดังนั้นไอโซเมอร์ฟิชชัน เช่น ของพลูโทเนียม-240 จึงสามารถระบุได้เป็น พลูโทเนียม-240f

อ้างอิง

หมวดหมู่:ฟิสิกส์นิวเคลียร์