Quelltext der Seite Isomer (Kernphysik)

'''Isomere''' (von {{grcS|ἴσος|ísos}} „gleich“ und {{lang|grc|μέρος|méros}} „Teil“; Einzahl: das Isomer) in der [[Kernphysik]] sind [[Atomkern]]e, die sich weder in der Anzahl der Protonen noch der Neutronen unterscheiden, sich aber in unterschiedlichen inneren (Energie-)Zuständen befinden.<ref>{{Internetquelle |autor=Philip Walker, Zsolt Podolyák |url=https://physicsworld.com/a/celebrating-a-century-of-nuclear-isomers/ |titel=Celebrating a century of nuclear isomers |werk=Physics World |datum=2021-04-20 |sprache=en-GB |abruf=2025-09-28}}</ref> Zur Unterscheidung von der [[Isomerie]] in der Chemie werden auch die Bezeichnungen '''Kernisomerie''' bzw. '''Kernisomer''' verwendet.

Als Isomer wird nicht der Kern im [[Grundzustand]], sondern nur derjenige in einem [[Angeregter Zustand|angeregten Zustand]] bezeichnet, und das auch nur, wenn dieser Zustand besonders langlebig ist. Das Isomer wird als ein eigenes [[Nuklid]] betrachtet<ref>{{Gold Book|nuclide|No4257|lang=ja}}</ref> und durch ein „m“ (für „[[Metastabilität|metastabil]]“) neben der [[Massenzahl]] bezeichnet. Zur Unterscheidung mehrerer Isomere eines Kerns kann dem „m“ eine Nummer nachgestellt werden, z.&nbsp;B. <sup>152m1</sup>[[Europium|Eu]]. In [[Nuklidkarte]]n lassen sich Kernisomere darstellen, indem das betreffende Feld in Spalten unterteilt wird.

Welche Zustände man als „besonders langlebig“ ansieht, unterliegt einer gewissen Willkür. Außerdem werden immer weitere Kernisomere entdeckt. Daher kann man nur eine Untergrenze der Anzahl von Kernisomeren angeben, die bei einer vierstelligen Zahl liegen dürfte.

== Erklärung ==
Alle Atomkerne mit mindestens vier [[Nukleon]]en können außer im Grundzustand auch in [[Angeregter Zustand|angeregten Zuständen]] existieren. Normalerweise haben diese mit 10<sup>−22</sup> bis 10<sup>−14</sup>&nbsp;Sekunden jedoch eine sehr kurze [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauern]], die z.&nbsp;B. über die [[Zerfallsbreite|Linienbreite]] der emittierten [[Gammastrahlung]] gemessen werden kann. Als Isomere bezeichnet man ''längerlebige'' (metastabile) angeregte Zustände mit Lebensdauern ab etwa 10<sup>−9</sup>&nbsp;Sekunden. Diese verlängerten Lebensdauern kommen dadurch zustande, dass diese Übergänge in tiefere Zustände gegenüber den ''kurzlebigen'' Zuständen um Größenordnungen weniger wahrscheinlich sind. Die eigentliche Ursache für die stark unterschiedlichen Lebensdauern liegt in der Differenz der [[Kernspin]]s von Anfangs- und Endzustand. Je größer diese Differenz wird, desto geringer die Wahrscheinlichkeit für diesen Übergang und desto größer die Lebensdauer. Beim Kernisomer <sup>180m</sup>[[Tantal|Ta]] tritt sogar der Fall auf, dass der Übergang in den Grundzustand noch nie beobachtet wurde. Die Energiedifferenz der Zustände wird durch die Emission von Gammastrahlung oder durch [[innere Konversion]] abgegeben.

Bei der inneren Konversion wird Energie und Drehimpuls vom Kern auf ein Elektron mit hoher Aufenthaltswahrscheinlichkeit in Kernnähe übertragen, so dass dieses anschließend emittiert wird. Für diesen Fall kann auch eine Drehimpulsbarriere, in Anlehnung an die Potentialbarriere des [[Tunneleffekt]]es, berechnet werden; die Drehimpulsbarriere erhöht sich mit dem Drehimpuls gemäß <math>L^2/(2mr^2)</math>, wenn ein Elektron mit Masse <math>m</math> und Drehimpulsquantenzahl <math>L</math> emittiert werden soll.

Der Übergang eines Kernisomers in einen weniger hoch angeregten Zustand oder den Grundzustand wird [[Isomerieübergang]] genannt. Bei Isomeren von schweren Kernen mit instabilem Grundzustand findet man dessen [[Zerfallskanal|Zerfallskanäle]] auch schon beim Isomer; das Isomer kann also unter Umgehung des Grundzustandes gleich weiterzerfallen. Das leichteste Beispiel hierfür ist <sup>24m</sup>[[Natrium|Na]], das zwar in ca. 99,95 % der Fälle einen Isomerieübergang in den Grundzustand <sup>24</sup>Na vollzieht, aber – wie der Grundzustand selbst auch – zu ca. 0,05 % einen [[Betastrahlung#Entstehung|Beta-Minus-Zerfall]] zu <sup>24</sup>[[Magnesium|Mg]] vollführt. Bei dem bemerkenswert langlebigen <sup>166m</sup>[[Holmium|Ho]] ([[Halbwertszeit]] ''T''<sub>1/2</sub> = 1200 a) liegt der Extremfall vor, dass überhaupt kein Isomerieübergang in den kürzerlebigen Grundzustand <sup>166</sup>Ho (''T''<sub>1/2</sub> = 26,8 h) beobachtet worden ist, sondern stets ein direkter Beta-Minus-Zerfall zu <sup>166</sup>[[Erbium|Er]].

Zu verschiedenen Kernzuständen gehören auch unterschiedliche Ladungsverteilungen im Kern. Diese beeinflussen die Energie der an den Kern gebundenen Elektronen. Dies bewirkt bei [[Spektrallinien]] die [[Isomerieverschiebung]], neben der häufig auftretenden Veränderung der [[Hyperfeinstruktur]]aufspaltung. Beides gibt Aufschluss über die Kernstruktur.

Ein Kernisomer ist wegen der [[Äquivalenz von Masse und Energie]] stets geringfügig schwerer als der gleiche Kern im Grundzustand.

== Geschichte ==
Kernisomere wurden 1917 von [[Frederick Soddy]] vorhergesagt.<ref>{{Literatur |Autor=Frederick Soddy |Titel=The Complexity of the Chemical Elements 2 |Sammelwerk=Nature |Band=99 |Nummer=2491 |Datum=1917-07-26 |ISSN=0028-0836 |DOI=10.1038/099433c0 |Seiten=433–438 |Online=https://www.nature.com/articles/099433c0 |Abruf=2025-09-28}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Norman Feather |Titel=Isotopes, Isomers, and the Fundamental Law of Radioactive Change |Sammelwerk=Frederick Soddy (1877–1956) |Verlag=Springer Netherlands |Ort=Dordrecht |Datum=1986 |Sprache=en |ISBN=978-94-010-8839-8 |DOI=10.1007/978-94-009-5297-3_6 |Seiten=57–65 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-94-009-5297-3_6 |Abruf=2025-09-28}}</ref> Die ersten isomeren Kerne wurden 1921 von [[Otto Hahn]] bei der Untersuchung der [[Zerfallsreihe]] von [[Uran]] entdeckt.<ref>{{Literatur |Autor=Otto Hahn |Titel=Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran |Sammelwerk=Die Naturwissenschaften |Band=9 |Nummer=5 |Datum=1921-02 |ISSN=0028-1042 |DOI=10.1007/BF01491321 |Seiten=84–84 |Online=http://link.springer.com/10.1007/BF01491321 |Abruf=2025-09-28}}</ref> Neben dem bereits bekannten <sup>234m</sup>[[Protactinium|Pa]] („Uran X<sub>2</sub>“, „Brevium“) mit einer Halbwertszeit von 1,16 Minuten fand er ein zweites betastrahlendes Nuklid desselben Elements, <sup>234</sup>Pa („Uran Z“), mit der gleichen Massenzahl, das sich von <sup>234m</sup>Pa lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterschied. Die Entdeckung, die Hahn später für eine seiner bedeutendsten hielt<ref>Klaus Hoffmann: ''Schuld und Verantwortung. Otto Hahn, Konflikt eines Wissenschaftlers'', Springer 1993, S. 94</ref>, war ihrer Zeit voraus und erhielt erst ab 1935 mit der Entdeckung weiterer Beispiele größere Aufmerksamkeit. 1936 erklärte [[Carl Friedrich von Weizsäcker]] Kernisomere als Zustände, deren Zerfall dadurch verzögert ist, dass sie eine Strahlung mit besonders großem Drehimpuls emittieren müssen.<ref>{{Literatur |Autor=C. F. v. Weizsäcker |Titel=Metastabile Zustände der Atomkerne |Sammelwerk=Naturwissenschaften |Band=24 |Nummer=51 |Datum=1936-12 |ISSN=0028-1042 |DOI=10.1007/BF01497732 |Seiten=813–814 |Online=http://link.springer.com/10.1007/BF01497732 |Abruf=2025-09-28}}</ref> Weizsäcker arbeitete damals vorübergehend am Institut von Hahn. Da Isomere zunächst nur bei Kernen mit instabilem Grundzustand entdeckt wurden, nämlich anhand der unterschiedlichen Halbwertszeiten von Grundzustand und Isomer, dauerte es bis 1939, dass auch Isomere zu  stabilen (bzw. damals für stabil gehaltenen) Grundzuständen identifiziert wurden, zuerst bei <sup>115</sup>[[Indium|In]].<ref>{{Literatur |Autor=M. Goldhaber, R. D. Hill, Leo Szilard |Titel=Radioactivity Induced by Nuclear Excitation I. Excitation by Neutrons |Sammelwerk=Physical Review |Band=55 |Nummer=1 |Datum=1939-01-01 |Sprache=en |ISSN=0031-899X |DOI=10.1103/PhysRev.55.47 |Seiten=47–49 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.55.47 |Abruf=2025-09-28}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=J. Mattauch |Titel=Über das Auftreten von isomeren Atomkernen |Sammelwerk=Zeitschrift für Physik |Band=117 |Nummer=3-4 |Datum=1941-03 |ISSN=1434-6001 |DOI=10.1007/BF01342313 |Seiten=246–255 |Online=http://link.springer.com/10.1007/BF01342313 |Abruf=2025-09-28}}</ref>

== Anwendungen ==
Das Kernisomer <sup>99m</sup>[[Technetium|Tc]] wird medizinisch-diagnostisch für die [[Szintigrafie]] genutzt. Dazu wird dem Patienten das Technetium in Form einer [[Komplexverbindung]] verabreicht.

[[Philip Walker]] schlug die Möglichkeit vor, langlebige Isomere für Energiespeicherung und Gammastrahlenlaser zu benutzen.<ref>{{Literatur |Autor=Philip Walker, George Dracoulis |Titel=Energy traps in atomic nuclei |Sammelwerk=Nature |Band=399 |Nummer=6731 |Datum=1999-05 |Sprache=en |ISSN=0028-0836 |DOI=10.1038/19911 |Seiten=35–40 |Online=https://www.nature.com/articles/19911 |Abruf=2025-09-28}}</ref> Sie wurden zum Beispiel bei neutronenreichen Isotopen von [[Hafnium]] und [[Tantalum|Tantal]] gefunden und bei [[Yrast|Hochspin-Zuständen]].

Das [[Thorium]]<nowiki>isomer</nowiki> <sup>229m</sup>Th kann durch Anregung mittels UV-[[Laser]] aus <sup>229</sup>Th erzeugt werden, was Anwendung in einer möglichen [[Atomkernuhr]] finden kann.<ref>{{Literatur |Autor=Nadine Hilmar |Titel=The first ultra precised nuclear clock is built |Online=https://thoriumclock.eu/uncategorized/the-first-ultra-precised-nuclear-clock-is-built/ |Datum=2024-09-05 |Abruf=2025-11-07 |Sprache=en}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Isomerie]] in der Chemie

== Literatur ==
{{Siehe auch|Kernphysik}}
* {{Literatur |Autor=G D Dracoulis, P M Walker, F G Kondev |Titel=Review of metastable states in heavy nuclei |Sammelwerk=Reports on Progress in Physics |Band=79 |Nummer=7 |Datum=2016-07-01 |Sprache=en |DOI=10.1088/0034-4885/79/7/076301 |Seiten=076301}}
* {{Literatur |Autor=Philip Walker, Zsolt Podolyák |Titel=100 years of nuclear isomers—then and now |Sammelwerk=Physica Scripta |Band=95 |Nummer=4 |Datum=2020-04-01 |Sprache=en |Umfang=en |DOI=10.1088/1402-4896/ab635d |Seiten=044004}}
* {{Literatur |Autor=Philip Walker, Zsolt Podolyák |Titel=A century of nuclear isomers |Sammelwerk=Physics World |Band=34 |Nummer=4 |Datum=2021-06-01 |Sprache=en |DOI=10.1088/2058-7058/34/04/28 |Seiten=29–32}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Isomer}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernphysik|Isomer]]