Isomer (Kernphysik)

Definition und Kennzeichnung

Kernisomere sind Atomkerne mit gleicher Anzahl von Protonen und Neutronen, die sich aber in unterschiedlichen inneren Energiezuständen befinden. Als Isomer bezeichnet man nicht den Grundzustand, sondern einen angeregten Zustand, der besonders langlebig, also metastabil, ist.

Ein Kernisomer wird als eigenes Nuklid betrachtet. Es wird durch ein „m“ neben der Massenzahl gekennzeichnet, zum Beispiel ¹⁵²ᵐ¹Eu. Gibt es mehrere Isomere desselben Kerns, kann dem „m“ eine Nummer folgen. In Nuklidkarten wird ein Kernisomer dargestellt, indem das entsprechende Nuklidfeld in Spalten unterteilt wird.

Welche Lebensdauer als „besonders langlebig“ gilt, ist nicht völlig eindeutig festgelegt. Außerdem werden weiterhin neue Kernisomere entdeckt. Deshalb lässt sich nur eine Untergrenze ihrer Gesamtzahl angeben; diese dürfte bei einer vierstelligen Zahl liegen.

Entstehung und Zerfall

Atomkerne mit mindestens vier Nukleonen können neben dem Grundzustand auch angeregte Zustände einnehmen. Die meisten angeregten Zustände leben nur etwa 10⁻²² bis 10⁻¹⁴ Sekunden. Kernisomere haben dagegen Lebensdauern ab ungefähr 10⁻⁹ Sekunden. Die Lebensdauer kann beispielsweise über die Linienbreite der ausgesandten Gammastrahlung bestimmt werden.

Die verlängerte Lebensdauer entsteht, weil der Übergang in einen tieferen Zustand deutlich unwahrscheinlicher ist. Entscheidend ist vor allem die Differenz der Kernspins von Anfangs- und Endzustand: Je größer diese Differenz, desto geringer die Übergangswahrscheinlichkeit und desto länger die Lebensdauer. Beim Isomer ¹⁸⁰ᵐTa wurde ein Übergang in den Grundzustand bisher überhaupt nicht beobachtet.

Die Energiedifferenz zwischen den Zuständen wird durch Gammastrahlung oder durch innere Konversion abgegeben. Bei der inneren Konversion überträgt der Kern Energie und Drehimpuls auf ein Elektron mit hoher Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Kernnähe; das Elektron wird anschließend emittiert. Für diesen Vorgang kann eine Drehimpulsbarriere berechnet werden. Sie steigt mit dem Drehimpuls nach der Beziehung L²/(2mr²), wobei m die Elektronenmasse, L die Drehimpulsquantenzahl und r der Abstand vom Kern ist.

Der Übergang eines Isomers in einen weniger stark angeregten Zustand oder in den Grundzustand heißt Isomerieübergang. Isomere schwerer Kerne mit instabilem Grundzustand können jedoch auch direkt über die Zerfallskanäle des Grundzustands zerfallen und diesen umgehen. Beim ²⁴ᵐNa erfolgt in etwa 99,95 % der Fälle ein Isomerieübergang zum Grundzustand ²⁴Na; etwa 0,05 % zerfallen wie der Grundzustand durch Beta-Minus-Zerfall zu ²⁴Mg. Beim langlebigen ¹⁶⁶ᵐHo mit einer Halbwertszeit T₁/₂ = 1200 a wurde dagegen kein Isomerieübergang zum Grundzustand ¹⁶⁶Ho beobachtet. Dieser hat eine Halbwertszeit von T₁/₂ = 26,8 h; beobachtet wurde stets ein direkter Beta-Minus-Zerfall zu ¹⁶⁶Er.

Verschiedene Kernzustände besitzen auch unterschiedliche Ladungsverteilungen. Diese beeinflussen die Energie der gebundenen Elektronen und führen in Spektrallinien zur Isomerieverschiebung sowie häufig zu einer Veränderung der Hyperfeinstrukturaufspaltung. Beide Effekte liefern Informationen über die Kernstruktur. Wegen der Äquivalenz von Masse und Energie ist ein Kernisomer geringfügig schwerer als derselbe Kern im Grundzustand.

Historische Entwicklung

Frederick Soddy sagte Kernisomere 1917 voraus. Otto Hahn entdeckte 1921 die ersten isomeren Kerne bei der Untersuchung der Zerfallsreihe von Uran. Neben dem bereits bekannten ²³⁴ᵐPa, das als „Uran X₂“ oder „Brevium“ bezeichnet wurde und eine Halbwertszeit von 1,16 Minuten besitzt, fand Hahn ein zweites betastrahlendes Nuklid desselben Elements: ²³⁴Pa, „Uran Z“. Beide Nuklide hatten dieselbe Massenzahl, unterschieden sich aber durch die längere Halbwertszeit von ²³⁴Pa von 6,7 Stunden.

Die Entdeckung erhielt erst ab 1935, nach der Entdeckung weiterer Beispiele, größere Aufmerksamkeit. Carl Friedrich von Weizsäcker erklärte Kernisomere 1936 als Zustände, deren Zerfall verzögert ist, weil sie Strahlung mit besonders großem Drehimpuls emittieren müssen. Da zunächst nur Isomere mit instabilem Grundzustand anhand unterschiedlicher Halbwertszeiten erkannt wurden, dauerte es bis 1939, bis auch Isomere zu stabilen beziehungsweise damals für stabil gehaltenen Grundzuständen identifiziert wurden. Das erste Beispiel war ¹¹⁵In.

Anwendungen und mögliche Nutzung

Das Kernisomer ⁹⁹ᵐTc wird in der medizinischen Diagnostik für die Szintigrafie eingesetzt. Dabei wird Technetium dem Patienten in Form einer Komplexverbindung verabreicht.

Philip Walker schlug vor, langlebige Isomere zur Energiespeicherung und für Gammastrahlenlaser zu nutzen. Langlebige Isomere wurden beispielsweise bei neutronenreichen Hafnium- und Tantalisotopen sowie bei Hochspin-Zuständen gefunden.

Das Thoriumisomer ²²⁹ᵐTh kann durch Anregung von ²²⁹Th mit einem UV-Laser erzeugt werden. Dies könnte eine Anwendung in einer möglichen Atomkernuhr ermöglichen.