Isomer (Kernphysik)

Isomere (von griechisch ἴσος, ísos „gleich“ und μέρος, méros „Teil“) in der Kernphysik sind Nuklide mit gleicher Anzahl an Protonen und Neutronen (gleicher Kernladungszahl und gleicher Massenzahl), deren Kerne sich jedoch in unterschiedlichen inneren Zuständen befinden. Zur Unterscheidung von der Isomerie in der Chemie wird auch der Begriff „Kernisomerie“ verwendet.

Erklärung und Beispiele

Bei jedem Atomkern (von der Massenzahl 4 aufwärts) gibt es außer dem Grundzustand angeregte Zustände; als Isomere werden besonders langlebige Zustände bezeichnet (siehe Metastabiler Zustand). Die Grenze zwischen kurz- und langlebig ist dabei nicht genau definiert, liegt aber im Bereich zwischen Nanosekunden und Sekunden. Das langlebigste angeregte Kernisomer ist ^180mTa mit einer Halbwertszeit von mindestens 1,2·10¹⁵ Jahren. Es ist damit langlebiger als der Kern im Grundzustand, welcher nur eine Halbwertszeit von 8 Stunden hat. Ein anderes Isomer, ^99mTc, wird im Artikel über Radioaktivität beschrieben.

Kernisomere werden durch ein „m“ (für „metastabil“) neben der Massenzahl bezeichnet. Zur Unterscheidung zwischen mehreren Isomeren kann dem „m“ eine Zahl nachgestellt sein, z. B. ^152m1Eu.

Angeregte Isomere können durch Emission von Gammastrahlung (Isomerieübergang) oder durch Innere Konversion in einen isomeren Kern niedrigerer Energie übergehen, oder auf andere Art radioaktiv zerfallen.

Wie alle angeregten Kernzustände können sich isomere Kerne abgesehen von der Anregungsenergie auch in Spin und Parität voneinander unterscheiden. Die verschiedenen Zustände beschreiben unterschiedliche Ladungsverteilungen im Kern. Dies beeinflusst die Energie der an den Kern gebundenen Elektronen und kann zu einer Verschiebung der Spektrallinien des Atoms führen, die als Isomerieverschiebung bezeichnet wird und Aufschluss über die Kernstruktur und die Elektronendichte im Kern geben kann.

Geschichte

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 1,17 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 unterscheidet. Die Deutung der Isomere als metastabile Zustände, deren Übergang in den Grundzustand durch Auswahlregeln, insbesondere eine Drehimpulsbarriere, verboten ist, erfolgte erst 1936 durch Carl Friedrich von Weizsäcker.^[1]

Literatur

• N. Koyenuma: Zur Theorie der Kernisomerie. In: Zeitschrift für Physik. Bd. 117, Nr. 5–6, 1941, S. 358–374 (doi:10.1007/BF01676335).

Weblinks

 Wiktionary: Isomer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

1. ↑ Carl Friedrich von Weizsäcker: Metastabile Zustände der Atomkerne. In: Naturwissenschaften. Bd. 24, Nr. 51, 1936, S. 813–814 (doi:10.1007/BF01497732).