Adviezen

Definitie en voorbeelden van nucleaire isomeren

Definitie en voorbeelden van nucleaire isomeren

Definitie van nucleaire isomeren

Nucleaire isomeren zijn atomen met hetzelfde massagetal en atoomnummer, maar met verschillende excitatietoestanden in de atoomkern. De hogere of meer geëxciteerde toestand wordt een metastabiele toestand genoemd, terwijl de stabiele, niet-geëxciteerde toestand de grondtoestand wordt genoemd.

Hoe ze werken

De meeste mensen weten dat elektronen hun energieniveau kunnen veranderen en zich in opgewonden toestanden bevinden. Een analoog proces vindt plaats in de atoomkern wanneer protonen of neutronen (de nucleonen) worden geëxciteerd. Het geëxciteerde nucleon bezet een hogere energie nucleaire baan. Meestal keren de geëxciteerde nucleonen onmiddellijk terug naar de grondtoestand, maar als de geëxciteerde toestand een halfwaardetijd heeft die langer is dan 100 tot 1000 keer die van normale geëxciteerde toestanden, wordt het beschouwd als een metastabiele toestand. Met andere woorden, de halfwaardetijd van een opgewonden toestand is meestal in de orde van 10-12 seconden, terwijl een metastabiele toestand een halfwaardetijd van 10 heeft-9 seconden of langer. Sommige bronnen definiëren een metastabiele toestand als met een halfwaardetijd groter dan 5 x 10-9 seconden om verwarring met de halfwaardetijd van gamma-emissie te voorkomen. Terwijl de meeste metastabiele toestanden snel vervallen, duren sommige minuten, uren, jaren of veel langer.

De reden metastabiele staten vorm is omdat een grotere nucleaire spin verandering nodig is om terug te keren naar de grondtoestand. Hoge spin verandering maakt het verval "verboden overgangen" en vertraagt ​​ze. De halfwaardetijd van verval wordt ook beïnvloed door de hoeveelheid beschikbare vervalenergie.

De meeste nucleaire isomeren keren terug naar de grondtoestand via gamma-verval. Soms wordt gamma-verval van een metastabiele toestand genoemd isomere overgang, maar het is in wezen hetzelfde als normaal gammaverval met een korte levensduur. De meeste geëxciteerde atomaire toestanden (elektronen) keren daarentegen terug naar de grondtoestand via fluorescentie.

Een andere manier waarop metastabiele isomeren kunnen vervallen is door interne conversie. Bij interne conversie versnelt de energie die vrijkomt door het verval een inwendig elektron, waardoor het met veel energie en snelheid het atoom verlaat. Andere vervalmodi bestaan ​​voor zeer onstabiele nucleaire isomeren.

Metastabiele en grondtoestandsnotatie

De grondtoestand wordt aangegeven met het symbool g (wanneer een notatie wordt gebruikt). De aangeslagen toestanden worden aangegeven met behulp van de symbolen m, n, o, etc. De eerste metastabiele toestand wordt aangegeven door de letter m. Als een specifieke isotoop meerdere metastabiele toestanden heeft, worden de isomeren aangeduid als m1, m2, m3, enz. De aanduiding wordt vermeld achter het massagetal (bijvoorbeeld kobalt 58m of 58m27Co, hafnium-178m2 of 178m272HF).

Het symbool sf kan worden toegevoegd om isomeren aan te geven die in staat zijn tot spontane splijting. Dit symbool wordt gebruikt in de Karlsruhe Nuclide-kaart.

Metastabiele toestand voorbeelden

Otto Hahn ontdekte de eerste nucleaire isomeer in 1921. Dit was Pa-234m, die vervalt in Pa-234.

De langstlevende metastabiele staat is die van 180m73 Ta. Deze metastabiele toestand van tantaal is niet gezien en vervalt ten minste 1015 jaar (langer dan de leeftijd van het universum). Omdat de metastabiele toestand zo lang duurt, is het nucleaire isomeer in wezen stabiel. Tantaal-180 m wordt in de natuur gevonden met een overvloed van ongeveer 1 per 8300 atomen. Er wordt gedacht dat de nucleaire isomeer misschien in supernova is gemaakt.

Hoe ze zijn gemaakt

Metastabiele nucleaire isomeren komen voor via nucleaire reacties en kunnen worden geproduceerd met behulp van kernfusie. Ze komen zowel van nature als kunstmatig voor.

Splijtingsomeren en vormisomeren

Een specifiek type kernisomeer is het splijtingsisomeer of vormisomeer. Splijtingsomeren worden aangegeven met een postscript of superscript "f" in plaats van "m" (bijv. Plutonium-240f of 240f94Pu). De term "vormisomeer" verwijst naar de vorm van de atoomkern. Terwijl de atoomkern de neiging heeft om als een bol te worden afgebeeld, zijn sommige kernen, zoals die van de meeste actiniden, prolate bollen (voetbalvormig). Vanwege kwantummechanische effecten wordt de excitatie van geëxciteerde toestanden naar de grondtoestand belemmerd, zodat de geëxciteerde toestanden de neiging hebben spontane splijting te ondergaan of anders terugkeren naar de grondtoestand met een halfwaardetijd van nanoseconden of microseconden. De protonen en neutronen van een vormisomeer kunnen zelfs verder verwijderd zijn van een sferische verdeling dan de nucleonen op de grondtoestand.

Gebruik van nucleaire isomeren

Nucleaire isomeren kunnen worden gebruikt als gammabronnen voor medische procedures, nucleaire batterijen, voor onderzoek naar door gammastralen gestimuleerde emissie en voor gammastralenlasers.

Bekijk de video: Definitie en Voorbeelden van Rijen en Reeksen V2 (November 2020).