Définition et exemples d'isomères nucléaires

Les isomères nucléaires sont des atomes avec le même nombre de masse et numéro atomique, mais avec différents états d'excitation dans le noyau atomique. Plus ou plus état excité est appelé un état métastable, tandis que l'état stable et non excité est appelé l'état fondamental.

La plupart des gens savent électrons peut changer les niveaux d'énergie et se trouve dans des états excités. Un processus analogue se produit dans le noyau atomique lorsque protons ou neutrons (les nucléons) deviennent excités. Le nucléon excité occupe une orbite nucléaire d'énergie supérieure. La plupart du temps, les nucléons excités retournent immédiatement à l'état fondamental, mais si l'état excité a une demi-vie plus de 100 à 1000 fois celle des états excités normaux, il est considéré comme un état métastable. En d'autres termes, la demi-vie d'un état excité est généralement de l'ordre de 10^-12 secondes, tandis qu'un état métastable a une demi-vie de 10

le raison La forme des états métastables est due au fait qu'un changement de spin nucléaire plus important est nécessaire pour qu'ils retournent à l'état fondamental. Un changement de spin élevé rend les désintégrations "transitions interdites" et les retarde. La demi-vie de désintégration est également affectée par la quantité d'énergie de désintégration disponible.

La plupart des isomères nucléaires retournent à l'état fondamental via la désintégration gamma. Parfois, la désintégration gamma d'un état métastable est nommée transition isomérique, mais c'est essentiellement la même chose que la désintégration gamma normale de courte durée. En revanche, la plupart des états atomiques excités (électrons) retournent à l'état fondamental via fluorescence.

Une autre façon dont les isomères métastables peuvent se désintégrer est par conversion interne. Dans la conversion interne, l'énergie libérée par la décroissance accélère un électron interne, le faisant sortir de l'atome avec une énergie et une vitesse considérables. D'autres modes de désintégration existent pour les isomères nucléaires très instables.

L'état fondamental est indiqué à l'aide du symbole g (lorsqu'une notation est utilisée). Les états excités sont désignés par les symboles m, n, o, etc. Le premier état métastable est indiqué par la lettre m. Si un isotope spécifique a plusieurs états métastables, les isomères sont désignés m1, m2, m3, etc. La désignation est indiquée après le numéro de masse (par exemple, cobalt 58m ou ^58m₂₇Co, hafnium-178m2 ou ^178m2₇₂Hf).

Le symbole sf peut être ajouté pour indiquer des isomères capables de fission spontanée. Ce symbole est utilisé dans le tableau des nucléides de Karlsruhe.

Otto Hahn a découvert le premier isomère nucléaire en 1921. C'était Pa-234m, qui se désintègre en Pa-234.

L'état métastable le plus long est celui de ^180m₇₃ Ta. Cet état métastable de tantale n'a pas été vu pourrir et semble durer au moins 10¹⁵ ans (plus long que l'âge de l'univers). Parce que l'état métastable dure si longtemps, l'isomère nucléaire est essentiellement stable. Le tantale-180m se trouve dans la nature à une abondance d'environ 1 pour 8300 atomes. On pense que l'isomère nucléaire a peut-être été fabriqué dans des supernovae.

Les isomères nucléaires métastables se produisent par des réactions nucléaires et peuvent être produits en utilisant la fusion nucléaire. Ils se produisent à la fois naturellement et artificiellement.

Un type spécifique d'isomère nucléaire est l'isomère de fission ou l'isomère de forme. Les isomères de fission sont indiqués en utilisant soit un post-scriptum ou un exposant "f" au lieu de "m" (par exemple, le plutonium-240f ou ^240f₉₄Pu). Le terme "isomère de forme" fait référence à la forme du noyau atomique. Alors que le noyau atomique a tendance à être représenté comme une sphère, certains noyaux, tels que ceux de la plupart des actinides, sont des sphères proliférées (en forme de football). En raison des effets de la mécanique quantique, la désexcitation des états excités vers l'état fondamental est entravée, donc l'excité les états ont tendance à subir une fission spontanée ou à retourner à l'état fondamental avec une demi-vie de nanosecondes ou microsecondes. Les protons et les neutrons d'un isomère de forme peuvent être encore plus éloignés d'une distribution sphérique que les nucléons à l'état fondamental.

Les isomères nucléaires peuvent être utilisés comme sources gamma pour les procédures médicales, les batteries nucléaires, pour la recherche sur rayon gamma émission stimulée, et pour les lasers à rayons gamma.