www.wikidata.de-de.nina.az

Isomer Kernphysik Isomere von altgriechisch ἴσος ísos gleich und μέρος méros Teil Einzahl das Isomer in der Kernphysik s

Isomer (Kernphysik)

Isomere (von altgriechisch 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 das auch nur, wenn dieser Zustand besonders langlebig ist. Das Isomer wird als ein eigenes Nuklid betrachtet 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 einer vierstelligen Zahl liegen dürfte.

Erklärung und Beispiele

Alle Atomkerne mit mindestens vier Nukleonen können außer im Grundzustand auch in angeregten Zuständen existieren. Normalerweise haben diese mit 10−22 bis 10−14 Sekunden sehr kurze Lebensdauern, die man über die Linienbreite der emittierten Strahlung (z. B. Gammastrahlung) misst. Als Isomere bezeichnet man längerlebige (metastabile) angeregte Zustände mit Lebensdauern ab etwa 10−9 Sekunden. Diese verlängerten Lebensdauern kommen dadurch zustande, dass Übergänge in tiefere Zustände zwar nicht unmöglich, aber gegenüber den üblichen Verhältnissen um Größenordnungen weniger wahrscheinlich sind. Die Erklärung ist meist eine besonders große Differenz der Kernspins, so dass die Strahlung einen entsprechend großen Drehimpuls davontragen muss. Man bezeichnet dies als Drehimpulsbarriere, in Anlehnung an die Verhältnisse bei der Emission eines Teilchens durch eine Potentialbarriere hindurch vermöge des Tunneleffekts; die Potentialbarriere erhöht sich um den Term , wenn das Teilchen der Masse mit Drehimpulsquantenzahl emittiert werden muss, und behindert die Emission entsprechend. Beim Kernisomer 180mTa tritt sogar der umgekehrte Fall auf, dass dessen Zerfall im Gegensatz zum Grundzustand noch nie beobachtet wurde.

Wenn Kernisomere dann wie andere angeregte Kerne in einen weniger hoch angeregten Zustand oder den Grundzustand übergehen (Isomerieübergang), geben sie die freiwerdende Energie meist durch Emission von Gammastrahlung oder durch Innere Konversion ab. Insbesondere bei Isomeren von schweren Kernen mit instabilem Grundzustand findet man dessen Zerfallskanäle auch schon beim Isomer; das Isomer kann also unter Umgehung des Grundzustandes gleich weiterzerfallen. Das leichteste Beispiel hierfür ist 24mNa, das zwar in ca. 99,95 % der Fälle einen Isomerieübergang in den Grundzustand 24Na vollzieht, aber – wie der Grundzustand selbst auch – zu ca. 0,05 % einen Beta-Minus-Zerfall zu 24Mg vollführt. Bei dem bemerkenswert langlebigen 166mHo (Halbwertszeit T1/2 = 1200 a) liegt der Extremfall vor, dass überhaupt kein Isomerieübergang in den kürzerlebigen Grundzustand 166Ho (T1/2 = 26,8 h) beobachtet worden ist, sondern stets ein direkter Beta-Minus-Zerfall zu 166Er.

Zu verschiedenen Kernzuständen gehören auch unterschiedliche Ladungsverteilungen im Kern. Diese beeinflussen die Energie der an den Kern gebundenen Elektronen. Dies führt bei Spektrallinien neben der häufigen Hyperfeinstrukturaufspaltung auch zu einer Verschiebung, der Isomerieverschiebung. Beide geben Aufschluss über die Kernstruktur.

Das Kernisomer 99mTc wird medizinisch-diagnostisch für die Szintigrafie genutzt. Dazu wird dem Patienten das Technetium in Form einer Komplexverbindung verabreicht.

Ein Kernisomer ist wegen der Äquivalenz von Masse und Energie stets schwerer als der gleiche Kern im Grundzustand.

Geschichte

Kernisomere wurden 1917 von Frederick Soddy vorhergesagt. 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 desselben Elements, 234Pa („Uran Z“), mit der gleichen Massenzahl, das sich von 234mPa lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterschied. Die Entdeckung, die Hahn später für eine seiner bedeutendsten hielt, war ihrer Zeit voraus und erhielt erst ab 1935 mit der Entdeckung weiterer Beispiele größere Aufmerksamkeit. 1936 erklärte Carl Friedrich von Weizsäcker Kernisomere als Zustände, deren Zerfall dadurch verzögert ist, dass sie eine Strahlung mit besonders großem Drehimpuls emittieren müssen. Weizsäcker arbeitete damals vorübergehend am Institut von Hahn. Da Isomere zunächst nur bei Kernen mit instabilem Grundzustand entdeckt wurden, nämlich anhand der unterschiedlichen Halbwertszeiten von Grundzustand und Isomer, dauerte es bis 1939, dass auch Isomere zu stabilen (bzw. damals für stabil gehaltenen) Grundzuständen identifiziert wurden, zuerst bei 115In.

Ein systematisches Programm zur Suche nach langlebigen Isomeren verfolgt Philip Walker mit George Dracoulis, Zsolt Podolyak und anderen. Walker schlug auch die Möglichkeit vor, langlebige Isomere für Energiespeicherung und Gammastrahlenlaser zu benutzen. Sie wurden zum Beispiel bei neutronenreichen Isotopen von Hafnium und Tantal gefunden und bei Hochspin-Zuständen.

Siehe auch

Literatur

  • Klaus Bethge, Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann, Kernphysik, 3. Auflage, Springer 2008, S. 271
  • Theo Mayer-Kuckuk: Einführung in die Kernphysik, 7. Auflage, Teubner, 2002, S. 97
  • George Dracoulis, F. G. Kondev, Philip Walker: Review of metastable states in heavy nuclei, Rep. Prog. Phys., Band 79, 2016, S. 076301
  • Zsolt Podolyak, Philip Walker: 100 years of nuclear isomers – then and now, Physica Scripta, Band 95, 2020, S. 044004
  • Zsolt Podolyak, Philip Walker: Celebrating a century of nuclear isomers, Physics World, Band 34, Heft 4, 2021, S. 29

Weblinks

Wiktionary: Isomer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. nuclide. In: Alan D. McNaught, Andrew Wilkinson, IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. 2. Auflage. Blackwell Scientific Publications, Oxford 1997, ISBN 0-9678550-9-8, doi:10.1351/goldbook.No4257 (englisch, korrigierte Fassung – erstellt von M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; mit Aktualisierungen von A. Jenkins [2006–]).
  2. Frederick Soddy, Nature, Band 99, 1917, S. 433
  3. Hahn: Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran, Die Naturwissenschaften, Band 9, 1921, Heft 5, S. 84
  4. Klaus Hoffmann: Schuld und Verantwortung. Otto Hahn, Konflikt eines Wissenschaftlers, Springer 1993, S. 94
  5. Carl Friedrich von Weizsäcker: Metastabile Zustände der Atomkerne. In: Naturwissenschaften. Bd. 24, Nr. 51, 1936, S. 813–814, doi:10.1007/BF01497732.
  6. M. Goldhaber, R. D. Hill: Radioactivity Induced by Nuclear Excitation. In: The Physical Review. Band 55, Nr. 1, 1939, S. 47, doi:10.1103/PhysRev.55.47.
  7. J. Mattauch: Über das Auftreten von isomeren Atomkernen. In: Zeitschrift für Physik. Band 117, 1941, S. 246–255, doi:10.1007/BF01342313.
  8. George Dracoulis, Philip Walker: Energy Traps in Atomic Nuclei, Nature, Band 399, 1999, S. 35–40
wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele
Veröffentlichungsdatum:
Isomere von altgriechisch ἴsos isos gleich und meros meros 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 Zustanden 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 das auch nur wenn dieser Zustand besonders langlebig ist Das Isomer wird als ein eigenes Nuklid betrachtet 1 und durch ein m fur 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 Zustande man als besonders langlebig ansieht unterliegt einer gewissen Willkur Ausserdem werden immer weitere Kernisomere entdeckt Daher kann man nur eine Untergrenze der Anzahl von Kernisomeren angeben die bei einer vierstelligen Zahl liegen durfte Inhaltsverzeichnis 1 Erklarung und Beispiele 2 Geschichte 3 Siehe auch 4 Literatur 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseErklarung und Beispiele BearbeitenAlle Atomkerne mit mindestens vier Nukleonen konnen ausser im Grundzustand auch in angeregten Zustanden existieren Normalerweise haben diese mit 10 22 bis 10 14 Sekunden sehr kurze Lebensdauern die man uber die Linienbreite der emittierten Strahlung z B Gammastrahlung misst Als Isomere bezeichnet man langerlebige metastabile angeregte Zustande mit Lebensdauern ab etwa 10 9 Sekunden Diese verlangerten Lebensdauern kommen dadurch zustande dass Ubergange in tiefere Zustande zwar nicht unmoglich aber gegenuber den ublichen Verhaltnissen um Grossenordnungen weniger wahrscheinlich sind Die Erklarung ist meist eine besonders grosse Differenz der Kernspins so dass die Strahlung einen entsprechend grossen Drehimpuls davontragen muss Man bezeichnet dies als Drehimpulsbarriere in Anlehnung an die Verhaltnisse bei der Emission eines Teilchens durch eine Potentialbarriere V r displaystyle V r hindurch vermoge des Tunneleffekts die Potentialbarriere erhoht sich um den Term L 2 2 m r 2 displaystyle L 2 2mr 2 wenn das Teilchen der Masse m displaystyle m mit Drehimpulsquantenzahl L displaystyle L emittiert werden muss und behindert die Emission entsprechend Beim Kernisomer 180mTa tritt sogar der umgekehrte Fall auf dass dessen Zerfall im Gegensatz zum Grundzustand noch nie beobachtet wurde Wenn Kernisomere dann wie andere angeregte Kerne in einen weniger hoch angeregten Zustand oder den Grundzustand ubergehen Isomerieubergang geben sie die freiwerdende Energie meist durch Emission von Gammastrahlung oder durch Innere Konversion ab Insbesondere bei Isomeren von schweren Kernen mit instabilem Grundzustand findet man dessen Zerfallskanale auch schon beim Isomer das Isomer kann also unter Umgehung des Grundzustandes gleich weiterzerfallen Das leichteste Beispiel hierfur ist 24mNa das zwar in ca 99 95 der Falle einen Isomerieubergang in den Grundzustand 24Na vollzieht aber wie der Grundzustand selbst auch zu ca 0 05 einen Beta Minus Zerfall zu 24Mg vollfuhrt Bei dem bemerkenswert langlebigen 166mHo Halbwertszeit T1 2 1200 a liegt der Extremfall vor dass uberhaupt kein Isomerieubergang in den kurzerlebigen Grundzustand 166Ho T1 2 26 8 h beobachtet worden ist sondern stets ein direkter Beta Minus Zerfall zu 166Er Zu verschiedenen Kernzustanden gehoren auch unterschiedliche Ladungsverteilungen im Kern Diese beeinflussen die Energie der an den Kern gebundenen Elektronen Dies fuhrt bei Spektrallinien neben der haufigen Hyperfeinstrukturaufspaltung auch zu einer Verschiebung der Isomerieverschiebung Beide geben Aufschluss uber die Kernstruktur Das Kernisomer 99mTc wird medizinisch diagnostisch fur die Szintigrafie genutzt Dazu wird dem Patienten das Technetium in Form einer Komplexverbindung verabreicht Ein Kernisomer ist wegen der Aquivalenz von Masse und Energie stets schwerer als der gleiche Kern im Grundzustand Geschichte BearbeitenKernisomere wurden 1917 von Frederick Soddy vorhergesagt 2 Die ersten isomeren Kerne wurden 1921 von Otto Hahn 3 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 desselben Elements 234Pa Uran Z mit der gleichen Massenzahl das sich von 234mPa lediglich durch seine langere Halbwertszeit von 6 7 Stunden unterschied Die Entdeckung die Hahn spater fur eine seiner bedeutendsten hielt 4 war ihrer Zeit voraus und erhielt erst ab 1935 mit der Entdeckung weiterer Beispiele grossere Aufmerksamkeit 1936 erklarte Carl Friedrich von Weizsacker Kernisomere als Zustande deren Zerfall dadurch verzogert ist dass sie eine Strahlung mit besonders grossem Drehimpuls emittieren mussen 5 Weizsacker arbeitete damals vorubergehend am Institut von Hahn Da Isomere zunachst nur bei Kernen mit instabilem Grundzustand entdeckt wurden namlich anhand der unterschiedlichen Halbwertszeiten von Grundzustand und Isomer dauerte es bis 1939 dass auch Isomere zu stabilen bzw damals fur stabil gehaltenen Grundzustanden identifiziert wurden zuerst bei 115In 6 7 Ein systematisches Programm zur Suche nach langlebigen Isomeren verfolgt Philip Walker mit George Dracoulis Zsolt Podolyak und anderen Walker schlug auch die Moglichkeit vor langlebige Isomere fur Energiespeicherung und Gammastrahlenlaser zu benutzen 8 Sie wurden zum Beispiel bei neutronenreichen Isotopen von Hafnium und Tantal gefunden und bei Hochspin Zustanden Siehe auch BearbeitenIsomerie in der ChemieLiteratur BearbeitenKlaus Bethge Gertrud Walter Bernhard Wiedemann Kernphysik 3 Auflage Springer 2008 S 271 Theo Mayer Kuckuk Einfuhrung in die Kernphysik 7 Auflage Teubner 2002 S 97 George Dracoulis F G Kondev Philip Walker Review of metastable states in heavy nuclei Rep Prog Phys Band 79 2016 S 076301 Zsolt Podolyak Philip Walker 100 years of nuclear isomers then and now Physica Scripta Band 95 2020 S 044004 Zsolt Podolyak Philip Walker Celebrating a century of nuclear isomers Physics World Band 34 Heft 4 2021 S 29Weblinks Bearbeiten Wiktionary Isomer Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme UbersetzungenEinzelnachweise Bearbeiten nuclide In Alan D McNaught Andrew Wilkinson IUPAC Hrsg Compendium of Chemical Terminology The Gold Book 2 Auflage Blackwell Scientific Publications Oxford 1997 ISBN 0 9678550 9 8 doi 10 1351 goldbook No4257 englisch korrigierte Fassung erstellt von M Nic J Jirat B Kosata mit Aktualisierungen von A Jenkins 2006 Frederick Soddy Nature Band 99 1917 S 433 Hahn Uber ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran Die Naturwissenschaften Band 9 1921 Heft 5 S 84 Klaus Hoffmann Schuld und Verantwortung Otto Hahn Konflikt eines Wissenschaftlers Springer 1993 S 94 Carl Friedrich von Weizsacker Metastabile Zustande der Atomkerne In Naturwissenschaften Bd 24 Nr 51 1936 S 813 814 doi 10 1007 BF01497732 M Goldhaber R D Hill Radioactivity Induced by Nuclear Excitation In The Physical Review Band 55 Nr 1 1939 S 47 doi 10 1103 PhysRev 55 47 J Mattauch Uber das Auftreten von isomeren Atomkernen In Zeitschrift fur Physik Band 117 1941 S 246 255 doi 10 1007 BF01342313 George Dracoulis Philip Walker Energy Traps in Atomic Nuclei Nature Band 399 1999 S 35 40 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Isomer Kernphysik amp oldid 236208953