Isomer (Kernphysik)

Isomere (von griechisch 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 auch das nur, wenn dieser Zustand besonders langlebig ist. Das Isomer wird als ein eigenes Nuklid betrachtet<ref> A. D. McNaught, A. Wilkinson: nuclide. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). 2 Auflage. Blackwell Scientific Publications, Oxford 1997, ISBN 0-9678550-9-8, doi:10.1351/goldbook.No4257 (XML online korrigierte Fassung: http://goldbook.iupac.org/No4257.html (2006–) erstellt von M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; mit Aktualisierungen von A. Jenkins – ).</ref> 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. Gammaquanten) misst. Als Isomere bezeichnet man längerlebige (metastabile) angeregte Zustände mit Lebensdauern ab etwa 10⁻⁹ Sekunden. Die verlängerten Halbwertszeiten von Isomeren entsprechen der Tatsache, dass Übergänge in tiefere Zustände zwar nicht völlig unmöglich, gegenüber den üblichen Verhältnissen aber um viele Größenordnungen weniger wahrscheinlich und daher entsprechend verzögert sind. Ursache ist meist eine besonders große Differenz der Kernspins, weshalb 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 <math>V(r)</math> hindurch vermöge des Tunneleffekts. Die Potentialbarriere erhöht sich durch den Term <math>L^2/(2mr^2)</math>, wenn das Teilchen der Masse <math>m</math> mit Drehimpulsquantenzahl <math>L</math> emittiert wird, und behindert den Tunneleffekt erheblich.

Wenn Kernisomere dann wie andere angeregte Kerne in niederangeregte Zustände oder den Grundzustand übergehen, geben sie die freiwerdende Energie meist durch Emission von Gammastrahlung (Isomerieübergang) oder durch Innere Konversion ab. Insbesondere bei schweren Isomeren von Kernen mit instabilem Grundzustand findet man dessen Zerfallskanäle auch schon beim Isomer; das Isomer zefällt also unter Umgehung des Grundzustandes gleich weiter. Das leichteste Beispiel hierfür ist der Betazerfall von ^24mNa. Beim Isomer ^184mHf liegt der Extremfall vor, dass überhaupt kein Übergang in den Grundzustand ¹⁸⁴Hf zu beobachten ist. Auf Grund der geringeren Spindifferenz zu ¹⁸⁴Ta ist es für dies Isomer „bequemer“, gleich den Betazerfall zum ¹⁸⁴Ta zu machen.

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

Das Kernisomer ^99mTc wird medizinisch-diagnostisch für die Szintigrafie genutzt.

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.<ref>Soddy, Frederick; Nature 99 (1917); page 433</ref> Die ersten isomeren Kerne wurden 1921 von Otto Hahn<ref>Hahn: Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran, Die Naturwissenschaften, Band 9, 1921, Heft 5, S. 84</ref> 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 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<ref>Klaus Hoffmann: Schuld und Verantwortung. Otto Hahn, Konflikt eines Wissenschaftlers, Springer 1993, S. 94</ref>, war ihrer Zeit voraus und erhielt erst ab 1935 mit der Entdeckung weiterer Beispiele größere Aufmerksamkeit. Hielt man Kernisomere zunächst für ein Phänomen, das nur radioaktive Elemente beträfe, so kam man 1935 in Bedrängnis mit der Entdeckung von Kernisomeren von Iridium (^192mIr) und Iod (^130mI). Ein Jahr später, 1936, wurden Kernisomere durch Carl Friedrich von Weizsäcker als metastabile spinstabilisierte Zustände erklärt.<ref>Carl Friedrich von Weizsäcker: Metastabile Zustände der Atomkerne. In: Naturwissenschaften. Bd. 24, Nr. 51, 1936, S. 813–814, doi:10.1007/BF01497732.</ref> Weizsäcker arbeitete damals vorübergehend am Institut von Hahn.

Literatur

• Klaus Bethge, Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann, Kernphysik, 3. Auflage, Springer 2008, S. 271
• Theo Mayer-Kuckuck: Einführung in die Kernphysik, 7. Auflage, Teubner, 2002, S. 97

Weblinks

Einzelnachweise

<references />