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2024-10-14T20:52:55Z

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Der physikalische Effekt der '''Isomerieverschiebung''' äußert sich darin, dass die Lagen der [[Spektrallinie]]n in [[Atomspektrum|Atomspektren]] verschiedener [[Isomer (Kernphysik)|Isomere]] eines [[Chemisches Element|chemischen Elements]] sich unterscheiden. Weisen die Spektrallinien infolge der [[Magnetisches Moment|magnetischen Momente]] der [[Atomkern]]e auch [[Hyperfeinstruktur]] auf, bezieht sich die Verschiebung auf die Schwerpunkte der Linien.

Der Effekt tritt auch bei [[Gammastrahlung|Gammaspektren]] auf und heißt dann auch '''[[Mößbauer]]-Isomerieverschiebung'''.

Die Isomerieverschiebung liefert wichtige Informationen über Kernstruktur und über das physikalische, chemische und biologische Umfeld von Atomen. Es wurde vorgeschlagen, den Effekt auch zur Untersuchung etwaiger zeitlicher Änderungen von Naturkonstanten zu verwenden.<ref>{{Literatur |Autor=J. C. Berengut, V. V. Flambaum |Titel=Testing Time-Variation of Fundamental Constants using a 229Th Nuclear Clock |Sammelwerk=Nuclear Physics News |Band=20 |Nummer=3 |Datum=2010-08-31 |Seiten=19–22 |DOI=10.1080/10619127.2010.506119}}</ref>

== Isomerieverschiebung der Atomspektren ==
Die Isomerieverschiebung der Atomspektren ist die [[Energie]]- oder [[Frequenz]]verschiebung in den Atomspektren als Folge der Substitution eines Kernisomers durch ein anderes. Der Effekt wurde 1956 von [[Richard M. Weiner|Weiner]] vorausgesagt<ref name="WNuovoCimento">{{Literatur |Autor=R. Weiner |Titel=Nuclear isomeric shift on spectral lines |Sammelwerk=Il Nuovo Cimento |Band=4 |Nummer=6 |Datum=1956-12 |Seiten=1587–1589 |DOI=10.1007/BF02746390}}</ref><ref name="WPhysRev114">R. M. Weiner: ''Phys. Rev.'' 114. (1959) 256; Zhur. Eksptl. I Teoret. Fiz. 35 (1958) 284, englische Übersetzung: Soviet Phys. JETP. 35(8) (1959) 196.</ref>) und 1959 zum ersten Mal experimentell beobachtet.<ref name="MDPhysRev115">{{Literatur |Autor=Adrian C. Melissinos, Sumner P. Davis |Titel=Dipole and Quadrupole Moments of the Isomeric Hg<sup>197</sup> Nucleus; Isomeric Isotope Shift |Sammelwerk=Physical Review |Band=115 |Nummer=1 |Datum=1959-06-01 |Seiten=130–137 |DOI=10.1103/PhysRev.115.130}}</ref> Die von Weiner entwickelte Theorie kommt auch in der Erklärung der Mößbauer-Isomerieverschiebung zum Tragen.

== Terminologie ==
Die ersten Arbeiten über Isomerieverschiebung bezogen sich auf Atomspektren und verwendeten den Begriff ''Kernisomerieverschiebung von Spektrallinien ({{lang|en|nuclear isomeric shift on spectral lines}})''. Nach der Entdeckung des [[Mößbauer-Effekt]]s wurde die Isomerieverschiebung auch in Gammaspektren nachgewiesen und wird dort auch ''Mößbauer-Isomerieverschiebung'' genannt. Weitere Einzelheiten über die Entdeckungsgeschichte und die verwendete Terminologie finden sich bei Weiner.<ref> {{Literatur|Autor=Richard M Weiner|Titel=Analogies in physics and life a scientific autobiography|Verlag=World Scientific|Ort=New Jersey|Datum=2008|Seiten=|ISBN=978-981-279-082-8}}</ref><ref>{{Literatur|Autor=G. K Shenoy, F. E Wagner|Titel=Mössbauer isomer shifts|Verlag=North-Holland Pub. Co.|Ort=Amsterdam / New York|Datum=1978|Seiten=1|ISBN=0-444-10802-5}}</ref>

== Isomerie- versus Isotopieverschiebung in Atomspektren ==
Atomare Spektrallinien entstehen bei Übergängen von [[Elektron]]en zwischen verschiedenen atomaren [[Energieniveau]]s <math>E</math>, die von [[Photon]]enemission begleitet werden. Atomare Niveaus sind eine Manifestation der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]] zwischen Elektronen und Kernen. Die Energieniveaus zweier Atome, deren Kerne verschiedene [[Isotop]]e desselben [[Chemisches Element|Elements]] sind, unterscheiden sich, trotz gleicher [[Kernladungszahl]] <math>Z</math>, wegen der verschiedenen [[Neutronenzahl]]en <math>N</math>. Diese Unterschiede führen zur [[Isotopieverschiebung]] der Spektrallinien.

Bei Kernisomeren sind Protonen- und Neutronenzahlen gleich, aber der [[Quantenzustand]] der Kerne ist verschieden. Die elektrischen Ladungsverteilungen im Kern unterscheiden sich. Dies bewirkt eine Differenz <math>\delta \varphi</math> der entsprechenden elektrostatischen Kernpotentiale <math>\varphi</math>, die zu einer Differenz <math>\Delta E</math> in den atomaren Energieniveaus führt. Die Isomerieverschiebung der atomaren Spektrallinien ist gegeben durch

:<math>\Delta E = -\text{e} \int \delta \varphi \left| \psi \right|^2 \text{d} \tau</math>

Hier ist <math>\psi</math> die [[Wellenfunktion]] des am Übergang beteiligten Elektrons mit seiner elektrischen Ladung <math>-e</math> (negative [[Elementarladung]]). Die Integration wird über die Elektronenkoordinaten durchgeführt.

Isotopie- und Isomerieverschiebung sind beide Folgen der endlichen Dimensionen des Atomkerns. Die Isotopieverschiebung wurde experimentell entdeckt und dann theoretisch erklärt. Die Isomerieverschiebung hingegen wurde vorausgesagt und erst später im Experiment nachgewiesen.<ref>Fizicheskii Encyclopeditskii Slovar, Sovietskaia Encyclopaedia, (Physikalisches Enzyklopädisches Wörterbuch, Sowjetenzyklopädie) Moskau 1962, S. 144.</ref> Bei der Isotopieverschiebung ist die Berechnung der Wechselwirkungsenergie zwischen Elektronen und Kernen ein relativ einfaches elektromagnetisches Problem. Bei Isomeren ist sie schwieriger, weil die Isomerieanregung von der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] bedingt wird. Dies erklärt zum Teil, warum die Isomerieverschiebung nicht früher entdeckt wurde: die adäquate Theorie und insbesondere das [[Schalenmodell (Kernphysik)|Schalenmodell]] wurde erst Ende der 1940er und Anfang der 1950er Jahre entwickelt. Auch der experimentelle Nachweis dieses Effekts wurde erst durch eine neue Technik ermöglicht – die [[Spektroskopie]] von metastabilen, isomeren Kernzuständen – die ebenfalls erst in den 1950er Jahren entwickelt wurde.

Zum Unterschied von der Isotopieverschiebung, die (in erster Näherung) unabhängig von der Struktur der Kerne ist, hängt die Isomerieverschiebung von dieser Struktur ab. Deshalb erhält man aus der Isomerieverschiebung weitergehende Information als aus der Isotopieverschiebung. Die über die Isomerieverschiebung mögliche Messung der Differenz der Kernradien zwischen angeregtem und Grundzustand ist einer der empfindlichsten Tests von Kernmodellen. Darüber hinaus stellt die Isomerieverschiebung in Kombination mit dem [[Mößbauereffekt]] ein einzigartiges Instrument dar, das auch in vielen anderen Gebieten außerhalb der Physik Anwendungen gefunden hat.

== Die Isomerieverschiebung und das Schalenmodell ==
Im Rahmen des Schalenmodells gibt es eine Klasse von Isomeren, bei denen ein einzelnes (als „optisches“" bezeichnetes) [[Nukleon]] die Differenz der Ladungsverteilungen von zwei isomeren Zuständen bewirkt.<ref name="WNuovoCimento" /><ref name="WPhysRev114" /> Das gilt insbesondere für Kerne mit ungeraden Protonen und geraden Neutronenzahlen in der Nähe geschlossener Schalen, zum Beispiel bei [[Indium|In-115]], für das der Effekt von Weimer<ref name="WNuovoCimento" /> berechnet und vorausgesagt wurde, dass er weit größer als die natürliche Linienbreite und somit messbar sein sollte.

Der Wert der drei Jahre später gemessenen<ref name="MDPhysRev115" /> Verschiebung bei [[Quecksilber|Hg-197]] lag ziemlich nahe an dem für In115 berechneten. Bei [[Quecksilber|Hg-197]], im Unterschied zu In-115, ist jedoch das optische Nukleon ein Neutron und nicht ein Proton, und die Wechselwirkung Elektron – freies Neutron ist viel kleiner ist als die Wechselwirkung Elektron – freies Proton; daher war ein hundertmal kleinerer Effekt erwartet worden. Diese Diskrepanz erklärt sich dadurch, dass optische Nukleonen nicht freie, sondern gebundene Teilchen sind. Die Messergebnisse konnten im Rahmen der Weimerschen Theorie erklärt werden, indem man dem optischen Neutron eine effektive elektrische Ladung <math>Z/A</math> zuschrieb.<ref>D. A. Shirley: ''Nuclear Applications of Isomeric Shifts.'' In: D. H. Compton, A.H. Schoen (Hrsg.): ''Proc. Int. Conf. on the Mössbauer Effect, Saclay 1961.'' John Wiley & Sons, New York 1961, S. 258.</ref>

== Mößbauer-Isomerieverschiebung ==
Die Mößbauer-Isomerieverschiebung ist die in der [[Gammaspektroskopie]] beobachtete Verschiebung von Spektrallinien beim Vergleich zweier verschiedener Kernisomeriezustände in zwei verschiedenen physikalischen, chemischen oder biologischen Umgebungen. Sie ist eine Folge des kombinierten Effekts des rückstoßfreien Mößbauerübergangs zwischen zwei Kernisomeriezuständen und des Übergangs zwischen zwei atomaren Zuständen in dem gegebenen Medium.

Die Isomerieverschiebung der atomaren Spektrallinien hängt von der Elektronenwellenfunktion <math>\psi</math> und der Differenz <math>\delta \varphi</math> der elektrostatischen Potentiale φ der zwei Isomeriezuständen ab. Für ein gegebenes Kernisomer in zwei verschiedenen Umgebungen (z. B. verschiedene physikalische [[Phase (Materie)|Phasen]] oder verschieden chemische Kombinationen) unterscheiden sich auch die entsprechenden Elektronenwellenfunktionen. Aus diesem Grunde gibt es zusätzlich zur Isomerieverschiebung der Spektrallinien, die vom Unterschied der Isomeriezustände der Kerne bedingt ist, eine Verschiebung infolge der zwei verschiedenen Umgebungen.<ref>{{Literatur |Autor=D. A. Shirley |Titel=Application and Interpretation of Isomer Shifts |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=36 |Nummer=1 |Verlag= |Ort= |Datum=1964-01-01 |Seiten=339–351 |DOI=10.1103/RevModPhys.36.339}}</ref> Aus experimentellen Gründen werden die letzteren Quelle beziehungsweise Absorber genannt. Diese kombinierte Verschiebung ist die Mößbauer-Isomerieverschiebung. Sie wird mathematisch mit dem gleichen Formalismus wie die Kernisomerieverschiebung der Atomspektren beschrieben, außer dass man jetzt statt einer zwei Elektronenwellenfunktionen (von Quelle <math>\psi_{\text{Quelle}}</math> und Absorber <math>\psi_{\text{Absorber}}</math>) und die Differenz zwischen den jeweiligen Verschiebungen zu betrachten hat:

:<math>\Delta E = \Delta E_{\text{Quelle}}-\Delta E_{\text{Absorber}}=-\text{e} \int \delta\varphi\,\left( |\psi_{\text{Quelle}}|^2-|\psi_{\text{Absorber}}|^2\right)\,\mathrm{d}\tau</math>

Die erste Messung der Isomerieverschiebung in der Gammaspektroskopie mit Hilfe des Mößbauer-Effekts erfolgte 1960.<ref>{{Literatur |Autor=O. C. Kistner, A. W. Sunyar |Titel=Evidence for Quadrupole Interaction of Fe<sup>57m</sup>, and Influence of Chemical Binding on Nuclear Gamma-Ray Energy |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=4 |Nummer=8 |Datum=1960-03-15 |Seiten=412–415 |DOI=10.1103/PhysRevLett.4.412}}</ref> Dieser Effekt liefert wichtige und äußerst genaue Informationen sowohl über die Isomeriezustände als auch über die physikalischen, chemischen und biologischen Umgebungen der Atome. Damit fand die Isomerieverschiebung wichtige Anwendungen in so verschiedenen Gebieten wie [[Atomphysik]], Festkörperphysik, Kernphysik, Chemie, Biologie, Metallurgie, Mineralogie, Geologie, Mond- und Marsforschung.<ref>{{Literatur|Autor=G. K Shenoy, F. E Wagner|Titel=Mössbauer isomer shifts|Verlag=North-Holland Pub. Co.|Ort=Amsterdam / New York|Datum=1978|Seiten=|ISBN=0-444-10802-5}}</ref>

Die Kernisomerieverschiebung wurde auch in [[myon]]ischen Atomen nachgewiesen.<ref>siehe auch: J. Hüfner F. Scheck, C. S. Wu: ''Muonic Atoms.'' In: V. W. Hughes, C. S. Wu (Hrsg.): ''Muon Physics.'' Band 1, Academic Press, 1977, S. 202–304.</ref> In diesen Atomen wird ein Myon vom angeregten Kern eingefangen und es findet dann ein Übergang vom angeregten Atomzustand in den Grundzustand statt, in einem Zeitintervall, das kleiner ist als die Lebensdauer des angeregten Kernisomeriezustandes.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektromagnetisches Spektrum]]
[[Kategorie:Kernphysik]]
[[Kategorie:Atomphysik]]

Isomerieverschiebung - Versionsgeschichte

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