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 V(r) hindurch vermöge des Tunneleffekts; die Potentialbarriere erhöht sich um den Term $L^{2}/(2mr^{2})$ , 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 T_1/2 = 1200 a) liegt der Extremfall vor, dass überhaupt kein Isomerieübergang in den kürzerlebigen Grundzustand ¹⁶⁶Ho (T_1/2 = 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

Isomerie in der Chemie

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

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de