Kernisomere

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.

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]

Im Sprachgebrauch der Kernphysik werden meist nur langlebige, angeregte Zustände (metastabile Zustände) und der stabile Zustand eines Nuklids als Isomere bezeichnet. 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.

Das „m“ neben der Massenzahl bedeutet „metastabil“, eine Bezeichnung für Isomer. Wenn hinter dem ^m eine Zahl steht (z. B. ^16m1N), ist dies eine Nummerierung, falls mehrere Isomere existieren.

Wie alle angeregten Kernzustände können sich isomere Kerne, abgesehen von der Anregungsenergie, in Spin und Parität vom Kern im Grundzustand unterscheiden. Kernisomere haben in der Regel andere Halbwertszeiten und in einigen Fällen einen anderen radioaktiven Zerfall als der Kern im Grundzustand.

Kernisomere können durch Emission von Gammastrahlung (Isomerieübergang) oder durch Innere Konversion in einen Zustand niedrigerer Energie desselben Nuklids übergehen.

Literatur

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

Einzelnachweise

1. ↑ E. Stuhlinger: Isomere Atomkerne. In: Naturwissenschaften 29, 1941 S. 745–756 (doi:10.1007/BF01481982).

Weblinks