Tuumaisomeeri määratlus ja näited

Tuumaisomeerid on ühesugused aatomid massinumber ja aatomnumber, kuid erineva ergutusseisundiga aatomituuma. Mida kõrgem või rohkem erutatud olek nimetatakse metastabiilseks olekuks, samas kui stabiilset, kasutamata olekut nimetatakse aluseisundiks.

Enamik inimesi on sellest teadlikud elektronid võivad muuta energia taset ja neid võib leida erutatud olekutest. Analoogne protsess toimub aatomituumas, kui prootonid või neutronid (nukleonid) erutuvad. Ergastatud tuum hõivab suurema energiaga tuumaorbitaali. Enamasti naasevad erutatud nukleonid kohe põhiseisundisse, kuid kui ergastatud olekus on poolväärtusaeg pikem kui 100–1000 korda tavalistest ergastatud olekutest, peetakse seda metastabiilseks olekuks. Teisisõnu, erutatud oleku poolestusaeg on tavaliselt suurusjärgus 10^-12 sekundit, samas kui metastabiilse oleku poolväärtusaeg on 10^-9 sekundit või kauem. Mõnede allikate järgi on metastabiilne olek poolestusajaga üle 5 x 10^-9 sekundit, et vältida segiajamist gammaemissiooni poolestusajaga. Enamik metastabiilseid seisundeid laguneb kiiresti, mõned püsivad minutite, tundide, aastate või palju kauem.

põhjus metastabiilsed olekud tekivad seetõttu, et tuumarelva keerdumiseks on vaja suuremat muutust, et nad naaseksid põhiseisundisse. Suur spinnimuutus muudab lagunemised "keelatud üleminekuteks" ja lükkab need edasi. Kõdunevat poolestusaega mõjutab ka see, kui palju lagunemisenergiat on saadaval.

Enamik tuumaisomeere naaseb põhiseisundisse gamma lagunemise kaudu. Mõnikord nimetatakse metastabiilse oleku gamma lagunemist isomeerne üleminek, kuid see on põhimõtteliselt sama mis tavaline lühiajaline gamma lagunemine. Seevastu enamus ergastatud aatomi olekuid (elektronid) naasevad f-i kaudu põhiseisundisselutsents.

Teine võimalus, kuidas metastabiilsed isomeerid lagunevad, on sisemine muundamine. Sisemise muundamise korral kiirendab lagunemise käigus vabanev energia sisemist elektroni, põhjustades selle väljumise aatomist märkimisväärse energia ja kiirusega. Muud ebastabiilsete tuumaisomeeride lagunemisrežiimid on olemas.

Maapinna olekut tähistatakse sümboliga g (kui kasutatakse mis tahes märget). Ergastatud olekuid tähistatakse sümbolitega m, n, o jne. Esimest metastabiilset olekut tähistab täht m. Kui konkreetsel isotoobil on mitu metastabiilset olekut, tähistatakse isomeere m1, m2, m3 jne. See nimetus loetletakse massinumbri järel (nt koobalt 58m või 58m) ^58m₂₇Co, hafnium-178m2 või ^178m2₇₂Hf).

Sümboli sf võib lisada isomeerideks, mis on võimelised iseeneslikuks lõhustumiseks. Seda sümbolit kasutatakse Karlsruhe nukliidide diagrammis.

Esimese tuumaisomeeri avastas Otto Hahn 1921. aastal. See oli Pa-234m, mis laguneb Pa-234-s.

Pikima elueaga metastabiilne olek on ^180m₇₃ Ta. See tantaali metastabiilne olek ei ole langenud ja näib, et see kestab vähemalt 10¹⁵ aastat (kauem kui universumi vanus). Kuna metastabiilne olek püsib nii kaua, on tuumaisomeer põhimõtteliselt stabiilne. Tantaal-180m leidub looduses arvukusega umbes 1 8300 aatomi kohta. Arvatakse, et tuumaisomeer tehti supernoovades.

Metastabiilsed tuumaisomeerid tekivad tuumareaktsioonide kaudu ja neid saab toota kasutades tuumasüntees. Need esinevad nii looduslikult kui ka kunstlikult.

Tuumaisomeeri spetsiifiline tüüp on lõhustumis- või kujuisomeer. Lõhustumisisomeeride tähistamiseks kasutatakse m-i asemel kas postskripti või ülakomaga "f" (nt plutoonium-240f või ^240f₉₄Pu). Termin "kujuisomeer" tähistab aatomituuma kuju. Kuigi aatomituuma kiputakse kujutama kerana, on mõned tuumad, näiteks enamiku aktiniidide tuum, prolaatsfäärid (jalgpallikujulised). Kvantmehaaniliste mõjude tõttu on ergastatud olekute de-ergastamine põhiseisundisse takistatud, seega ergastatud osariigid kipuvad iseeneslikult lõhustuma või naasevad põhiseisundisse nanosekundite poolestusajaga või mikrosekundid. Kujuisomeeri prootonid ja neutronid võivad olla sfäärilisest jaotusest veelgi kaugemal kui põhiseisundi nukleonid.

Tuumaisomeere võib kasutada gammaallikatena meditsiiniliste protseduuride, tuumapatareide, teadusuuringute jaoks gammakiir stimuleeritud emissioon ja gammakiirguse laserite jaoks.