Branduolinio izomero apibrėžimas ir pavyzdžiai

Branduoliniai izomerai yra atomai su tuo pačiu masės numeris ir atominis skaičius, tačiau esant skirtingoms sužadinimo būsenoms atominis branduolys. Kuo aukščiau ar daugiau susijaudinusi būsena yra vadinama metastabilia būsena, o stabili, neeksploatuojama būsena - pagrindine būsena.

Dauguma žmonių tai supranta elektronai gali pakeisti energijos lygį ir būti sujaudintose būsenose. Analogiškas procesas vyksta atominiame branduolyje, kai protonai arba neutronai (nukleonai) susijaudina. Susijaudinęs branduolys užima didesnės energijos branduolinę orbitą. Didžiąją laiko dalį sužadinti nukleonai iš karto grįžta į pradinę būseną, tačiau jei jaudulyje yra pusinės eliminacijos laikas ilgesnė nei 100–1000 kartų didesnė nei normaliose sužadintose būsenose, ji laikoma metastabilia būsena. Kitaip tariant, susijaudinusios būsenos pusinės eliminacijos laikas paprastai yra 10^-12 sekundžių, o metastabilios būsenos pusinės eliminacijos laikas yra 10^-9 sekundžių ar ilgiau. Kai kurie šaltiniai apibūdina metastabilią būseną, kurios pusinės eliminacijos laikas yra didesnis kaip 5 x 10

priežastis metastabilios būsenos susidaro todėl, kad reikalingas didesnis branduolinio spindo pokytis, kad jos galėtų grįžti į pagrindinę būseną. Didelis sukimosi pokytis daro „draudžiamus perėjimus“ ir juos atidėlioja. Puvimo pusinės eliminacijos periodui įtakos turi ir tai, kiek puvimo energijos yra.

Dauguma branduolinių izomerų grįžta į pagrindinę būseną dėl gama skilimo. Kartais įvardijamas gama irimas iš metastabilios būsenos izomerinis perėjimas, tačiau tai iš esmės sutampa su normaliu trumpalaikiu gama skilimu. Priešingai, dauguma sužadintų atominių būsenų (elektronų) grįžta į pagrindinę būseną per fliuminescencija.

Kitas būdas, kuriuo metastabilūs izomerai gali skilti, yra vidinis virsmas. Vidinio virsmo metu energija, kurią išskiria skilimas, pagreitina vidinį elektroną, todėl jis gali išeiti iš atomo dideliu energijos kiekiu ir greičiu. Kiti nestabilių branduolinių izomerų skilimo būdai egzistuoja.

Pagrindo būklė nurodoma simboliu g (kai naudojami bet kokie žymėjimai). Sužadintos būsenos žymimos simboliais m, n, o ir kt. Pirmoji metastabili būsena žymima raide m. Jei konkretus izotopas turi keletą metastabilių būsenų, izomerai žymimi m1, m2, m3 ir kt. Pavadinimas pateikiamas po masės skaičiaus (pvz., 58 m arba 58 cm kobaltas) ^58m₂₇Co, hafnis-178m2 arba ^178m2₇₂Hf).

Simbolis sf gali būti pridėtas nurodant izomerus, galinčius savaime suskaidyti. Šis simbolis naudojamas Karlsrūhės nuklidų diagramoje.

Pirmąjį branduolinį izomerą Otto Hahnas atrado 1921 m. Tai buvo Pa-234m, kuris skyla Pa-234.

Ilgiausia metastabili būsena yra ta ^180m₇₃ Ta. Nebuvo pastebėta, kad ši metastabili tantalo būklė mažėja ir trunka mažiausiai 10¹⁵ metų (ilgesnis nei Visatos amžius). Kadangi metastabili būsena išlieka tiek ilgai, branduolinis izomeras iš esmės yra stabilus. Tantalo-180m gamtoje randama maždaug 1 iš 8300 atomų. Manoma, kad galbūt branduolinis izomeras buvo pagamintas supernovoje.

Metastabilūs branduoliniai izomerai atsiranda vykstant branduolinėms reakcijoms ir gali būti gaminami naudojant branduolių sintezė. Jie atsiranda tiek natūraliai, tiek dirbtinai.

Konkretus branduolinio izomero tipas yra dalijimosi izomeras arba formos izomeras. Skilimo izomerai nurodomi naudojant „postscript“ arba „super“ „f“, o ne „m“ (pvz., Plutonio-240f arba ^240f₉₄Pu). Terminas „formos izomeras“ reiškia atomo branduolio formą. Nors atominis branduolys paprastai vaizduojamas kaip rutulys, kai kurie branduoliai, tokie kaip dauguma aktinidų, yra išstumiamosios sferos (futbolo formos). Dėl kvantinio mechaninio poveikio susijaudinusių būsenų sužadinimas pagrindinėje būsenoje yra kliudomas, todėl jaudinamas valstijos paprastai patiria spontanišką skilimą arba grįžta į pagrindinę būseną, kai jos pusinės eliminacijos laikas yra nanosekundės arba mikrosekundžių. Formos izomero protonai ir neutronai gali būti dar toliau nuo sferinio pasiskirstymo nei žemės paviršiaus nukleonai.

Branduoliniai izomerai gali būti naudojami kaip gama šaltiniai atliekant medicinines procedūras, branduolines baterijas, tiriant gama spindulys stimuliuojamos emisijos ir gama spinduliuotės lazeriams.