Die unzähligen Dinge im Atomkern: geheimnisvolle und faszinierende Kernisomere

Seit der Entdeckung der ersten Kernisomere sind mehr als 100 Jahre vergangen. Aus praktischer Anwendungsperspektive könnte dieser mysteriöse Zustand, der im Atomkern auftritt, in Zukunft eine wichtige Rolle bei nuklearen Zeitskalen, Kernbatterien, sauberer Kernenergie und nuklearen Gammastrahlenlasern spielen. Dennoch kämpfen Wissenschaftler bis heute damit, ihre geheimnisvollen Eigenschaften zu entschlüsseln.

Geschrieben von Jiang Lijia (Fakultät für Physik, Northwestern University)

Bei demselben Element ist die Anzahl der Protonen und Neutronen in seinem Kern unterschiedlich, und wir nennen sie Isotope des Elements. Sind sie also bei gleichem Isotop alle gleich? Tatsächlich haben Wissenschaftler schon vor langer Zeit entdeckt, dass beim Zerfall instabiler Isotope auch der Atomkern unterschiedliche Zustände einnimmt und dass dieser Zustand sogar noch wichtigere Anwendungen hat. Dies öffnet eine neue Tür für unser Verständnis des Atomkerns – es handelt sich um Kernisomere.

Kernisomere (auch Isomere genannt) sind langlebige „metastabile“ Kerne. Ein oder mehrere Nukleonen (Protonen oder Neutronen) in diesem Kerntyp werden angeregt und nehmen einen höheren Energiezustand als den Grundzustand ein. Typischerweise haben die meisten angeregten Kernzustände eine sehr kurze Halbwertszeit in der Größenordnung von 10^(-12) Sekunden und zerfallen schnell wieder in den Grundzustand. Wenn die Halbwertszeit eines angeregten Zustands 100- bis 1000-mal länger ist als die eines normalen angeregten Zustands, wird er als metastabil angesehen. Obwohl es keine klare Definition gibt, geht die wissenschaftliche Gemeinschaft derzeit davon aus, dass die Halbwertszeit von Kernisomeren größer als 5 x 10^(-9) Sekunden sein sollte, um sie zeitlich und räumlich vom normalen Strahlungszerfall zu unterscheiden. Unter den bekannten Kernisomeren können einige Nuklide innerhalb von Minuten, Stunden, Jahren oder sogar noch länger zerfallen. Das langlebigste in der Natur vorkommende Kernisomer ist beispielsweise Tantal-180m, dessen Halbwertszeit über 10^15 Jahre beträgt und damit länger ist als das theoretisch geschätzte Alter des Universums.

Abbildung 1. Verteilung natürlicher Nuklide (blaue Punkte) und Kernisomere (rote Punkte) mit Anregungsenergien > 2 MeV und Halbwertszeiten von mehr als 5 x 10^(-7)s. (Vertikale Achse – Protonenzahl Z, horizontale Achse – Neutronenzahl N). Bildquelle: Referenz [1]

Die Entdeckung von Kernisomeren

Aus historischer Sicht dauerte es von der Konzeption der Kernisomere bis zur experimentellen und theoretischen Entwicklung fast hundert Jahre.

Radioaktive Elemente wurden im frühen 20. Jahrhundert entdeckt. Damals verwendeten Wissenschaftler die Halbwertszeit eines Elements – die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der ursprünglichen Menge eines radioaktiven Elements in etwas anderes zerfällt – als eines der Kriterien für die Entdeckung und Beschreibung eines neuen radioaktiven Elements.

Im Jahr 1917 schlug der britische Chemiker Frederick Soddy vor, dass es für denselben Atomkern zwei oder mehr langlebige (oder stabile) Zustände geben könnte, Zustände von „Isotopen mit gleichem Atomgewicht und gleichen chemischen Eigenschaften, die sich in ihrer Stabilität und in der Art und Weise ihrer Zersetzung unterscheiden“, ein „feineres Isotop“. Tatsächlich ist Soddys Vorhersage das, was wir heute als Kernisomere bezeichnen, obwohl Wissenschaftshistoriker nicht sicher sind, ob die spätere wissenschaftliche Forschung direkt von Soddys Arbeit inspiriert wurde.

Uran ist ein radioaktives Element mit vielen Isotopen, von denen zwei natürlich auf der Erde vorkommen. Diese natürlichen Uranisotope zerfallen in das Element Thorium, das wiederum in Protactinium zerfällt, jedes mit seinen eigenen Isotopen. Hahn und Meitner hatten alle von ihnen entdeckten Isotope sorgfältig klassifiziert, aber es gab eine Ausnahme.

Abbildung 2. Zerfallsprozess von UI (Uran-238). UI zerfällt durch α-Zerfall in UX1 und geht dann durch β-Zerfall in den Zustand UX2 oder UZ über. Sowohl UX2 als auch UZ gehen durch β-Zerfall in den UII-Zustand über. Bildquelle: Referenz [4]

Hahns Arbeit markierte die Entdeckung von Kernisomeren und die Geburt eines neuen Zweigs der Kernstrukturforschung. Unser Verständnis von Kernisomeren hat sich jedoch nur langsam weiterentwickelt. Zur Zeit der „Hahn“-Experimente in den 1920er Jahren glaubten die Wissenschaftler noch, dass Atome aus einer Masse von Protonen bestehen, die eine gleiche Anzahl von Elektronen umkreisen.

Erst als der britische Physiker James Chadwick im Jahr 1932 entdeckte, dass Neutronen auch Teil des Atomkerns sind, gelang es den Physikern, den Atomkern und sogar Kernisomere sowohl theoretisch als auch experimentell besser zu verstehen.

Drei Arten von Kernisomeren

Der Begriff „Kernisomere“ tauchte erstmals 1934 in einer Arbeit des berühmten Physikers George Gamow auf. Gamow glaubte, dass der Kern – ähnlich wie bei Isomeren in der Chemie – durch die unterschiedliche Anordnung der Protonen und Neutronen auch unterschiedliche Energiezustände aufweisen würde.

Die allgemein akzeptierte Erklärung für Kernisomere wurde 1936 vom deutschen Physiker Carl von Weizsäcker vorgeschlagen. Von Weizsäcker erkannte, dass alle Nukleonen einen Spin besitzen (mit Spin ist hier speziell der Drehimpuls gemeint) und dass unterschiedliche Anordnungen von Protonen und Neutronen in ihren Umlaufbahnen unterschiedliche Rotationszustände der Umlaufbahnen erzeugen können. Wenn der angeregte Zustand eines Atomkerns einen stark vom Grundzustand abweichenden Spin und eine sehr nahe Übergangsenergie aufweist, verzögert sich der elektromagnetische Übergang. Entsprechend kann sich auch die Halbwertszeit des angeregten Zustands verlängern, wodurch ein Spinisomer entsteht.

Später erkannten die Physiker, dass der Atomkern auch nicht kugelförmig sein könnte, und entwickelten daher eine Theorie zur Beschreibung der Formänderungen von Atomkernen mit axialer Symmetrie. Im Jahr 1955 wurden das Konzept der K-Quantenzahl und die Theorie des K-verbotenen Übergangs vorgeschlagen. K stellt die Projektion des gesamten Drehimpulses auf die Symmetrieachse des Kerns dar. K ist keine absolut erhaltene Größe, daher werden K-verbotene Übergänge beim Kernzerfall nur unterdrückt, nicht streng verboten. Daher ist nicht nur der Betrag des Drehimpulses, sondern auch die Richtung des Drehimpulsvektors wichtig, der das K- Isomer definiert. Tatsächlich wurden K-Isomere (Osmium-190 und Hafnium-180) 1950 bzw. 1951 experimentell beobachtet, bevor die K-Quantenzahl vorgeschlagen wurde. Die Entwicklung der K-Isomerentheorie basiert auf der Analyse der Rotationseigenschaften von Atomkernen während experimentell beobachteter Isomeriezerfallsprozesse.

Im Jahr 1962 veröffentlichten Polikanov et al. entdeckte den dritten Typ von Isomeren – Spalt-/ Formisomere . Die Anzahl der Nukleonen in Spaltisomeren liegt üblicherweise im Bereich der Protonenzahl 90 ≤ Z ≤ 97 und der Neutronenzahl 141 ≤ N ≤ 151, was zu einer breiteren Kategorie von „Formisomeren“ gehört. Man hat herausgefunden, dass eine sehr große Veränderung der Form eines Nukleons beim Zerfall eines Atomkerns, wie etwa eine enorme Veränderung der Orbitalverteilung eines einzelnen Nukleons, auch zur Unterdrückung der Wahrscheinlichkeit von Atomkernübergängen und zur Entstehung von Formisomeren führt.

Abbildung 3. Schematische Darstellung der drei Hauptklassen von Kernisomeren. Bildquelle: Referenz [2]

Das Obige unterscheidet drei Hauptkategorien von Isomeren aufgrund von Änderungen in Spin, K und Kernform, aber sie treten normalerweise nicht allein auf und das gleiche Kernisomer enthält oft gemischte Effekte verschiedener Art. Ein typisches Beispiel ist Hafnium-178, das sowohl die Eigenschaften von Spin-Isomeren als auch von K-Isomeren aufweist.

Magische Zahlen zur Beschreibung der Kernstruktur

Das ursprüngliche „Kernschalenmodell“ zur Beschreibung des Atomkerns wurde 1949 unabhängig voneinander von Maria Mayer sowie von Otto Haxel, Hans Jensen und Hans Suess entwickelt. So wie im Elektronenschalenmodell jede Schicht nicht mehr als eine bestimmte Anzahl an Elektronen aufnehmen kann, unterliegt auch die Anzahl an Protonen und Neutronen, die in jeder Kernschale des aus Neutronen und Protonen bestehenden Atomkerns untergebracht werden kann, ähnlichen Beschränkungen. Der entscheidende Schritt besteht darin, der Wechselwirkung den Spin-Bahn-Kopplungsterm hinzuzufügen. Die Anzahl der in jeder Kernschale untergebrachten Nukleonen wird als „magische Zahl“ bezeichnet. Ab der ersten Schicht kann jede Schicht maximal 2, 8, 20, 28, 50 bzw. 82 Kerne aufnehmen. Im Gegensatz zu Protonen haben Neutronen eine zusätzliche magische Zahl: 126. Das Kernschalenmodell kann den Grundzustandsspin und die Parität der meisten Atomkerne recht gut erklären und vorhersagen. Allerdings sind die Elektronen- und Kernschalenmodelle nicht genau gleich. Die Spin-Bahn-Kraft zwischen Elektronen ist eine schwache Abstoßungskraft, während die Spin-Bahn-Kraft im Kern eine starke Anziehungskraft ist. Die unmittelbarste Auswirkung besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Kernisomeren größer ist, wenn die Kernhülle voll oder fast voll mit Nukleonen ist.

Gleichzeitig haben Physiker auch entdeckt, dass die magische Zahl der Protonen auch von der Zahl der Neutronen beeinflusst wird und umgekehrt. Da die ursprüngliche Definition der magischen Zahlen auf Untersuchungen stabiler Kerne beruhte, zwingt uns die Tatsache, dass sie möglicherweise doch nicht so magisch sind, dazu, die Struktur instabiler Kerne neu zu untersuchen. Metastabile Kernisomere werden bei dieser Untersuchung eine Schlüsselrolle spielen.

Anwendungsaussichten von Kernisomeren

Experimente haben ergeben, dass Kernisomere auf besondere Weise mit ihrer atomaren Umgebung interagieren können, was den Weg für die Forschung auf der Ebene der Kernatome geebnet hat. Wir wissen, dass sich der Grundzustand eines radioaktiven Kerns durch Betazerfall, manchmal auch durch Alphazerfall, Kernspaltung und Protonenzerfall ändern kann. Zusätzlich zu diesen Zerfallsprozessen können Kernisomere auch elektromagnetisch durch Gammastrahlen- und Konversionselektronenemission zerfallen. Daher können Menschen elektromagnetische Manipulationen an Kernisomeren durchführen, um deren Erforschung und Anwendung zu erreichen. Tatsächlich sind in einigen Branchen bereits industrielle Anwendungen möglich.

Medizinische Diagnose und Behandlung: In der Medizin werden viele radioaktive Isotope zur Diagnose und Behandlung eingesetzt, unter denen Technetium-99-Isomere am häufigsten verwendet werden. Technetium-99 zerfällt, indem es ausschließlich Gammastrahlen mit einer Energie von 141 keV ohne begleitende Partikel aussendet, was es ideal für die Untersuchung des menschlichen Skeletts, Gehirns und Herzens macht. Gleichzeitig hat es eine Halbwertszeit von sechs Stunden, was lang genug ist, um bestimmte Organe zu scannen, zerfällt jedoch schnell. Beim Zerfall gewöhnlicher radioaktiver Elemente und Isotope werden geladene Teilchen freigesetzt, die menschliche Gewebezellen schädigen. Isomere wie Technetium emittieren jedoch jeweils nur ein Photon mit sehr geringer Energie und sind für die medizinische Verwendung sehr sicher.

Kernuhr: Obwohl die Protonen und Neutronen im Atomkern durch die starke Kernkraft aneinander gebunden sind, besetzen sie im Wesentlichen wie Elektronen diskrete Energieniveaus. Theoretisch können daher die physikalischen Eigenschaften des Atomkerns genutzt werden, um eine Kernuhr mit höherer Zeitgenauigkeit zu schaffen. Gleichzeitig sind die Übergänge zwischen den Energieniveaus der Kerne regelmäßiger und stabiler als die der äußeren Elektronen, da der Atomkern dem Einfluss von elektrischen oder magnetischen Streufeldern, die Atomuhren stören können, widerstehen kann. Theoretisch sind Kernuhren genauer und stabiler als Atomuhren. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Thorium-229 ein Paar benachbarter Energieniveaus enthält, die nahe genug beieinander liegen, um ihren Übergang durch einen Laser auszulösen. Damit ist Thorium-299 ein hervorragender Kandidat für die Herstellung von Kernuhren.

Nukleare „Batterien“: In Kernisomeren können große Energiemengen gespeichert werden. Wenn eine effiziente Methode gefunden werden könnte, diese Energie kontrolliert freizusetzen, wäre es möglich, eine nukleare „Batterie“ zu bauen, deren Energiedichte möglicherweise millionenfach höher wäre als die der bestehenden chemischen Batterien. Eine Möglichkeit zur Herstellung nuklearer „Batterien“ besteht darin, durch extern angelegte Strahlung die Energiefreisetzung aus Kernisomeren herbeizuführen. Unter ihnen sind die sehr stabilen Isomere von Tantal-180 und Hafnium-178 gute Kandidaten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Atomkern anzuregen, um durch Elektronenemission oder Elektroneneinfang Energie freizusetzen. Die theoretische und experimentelle Forschung zu dieser Methode ist noch im Gange.

Neue Materiezustände und Gammastrahlenlaser: Eine weitere interessante Möglichkeit besteht darin, dass aus Kernisomeren ein neuer Materiezustand erzeugt werden könnte. Wenn ein Gas aus isomeren Cäsiumatomen auf eine Temperatur von 100 Nanokelvin abgekühlt wird, kann sich ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Die Atome befinden sich jetzt in ihrem „kondensierten“ Zustand mit der niedrigsten Energie, aber die Isomere selbst sind per Definition angeregt. Daher könnte bei Experimenten mit Kernisomeren ein neuer Materiezustand entstanden sein. Die Forschung zu diesem Status muss fortgesetzt werden. Zusätzlich zu diesem seltsamen und kontraintuitiven Materiezustand haben Wissenschaftler auch vorgeschlagen, dass kohärente Gammastrahlen durch die Kontrolle des Zerfalls von Isomeren in einem Bose-Einstein-Kondensat von Cäsium-135 erzeugt werden können, was die Entwicklung ultrastarker „Gammastrahlenlaser“ einen Schritt näher bringt.

Zusammenfassung

Ein Jahrhundert nach Hahns erster Entdeckung sind Kernisomere für uns immer noch ein Rätsel, und Wissenschaftler arbeiten mit Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt daran, neue Isomere zu untersuchen und zu finden. Die derzeit größte Versuchsanlage ist die Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) der Michigan State University. Wissenschaftler erwarten, mehr als 1.000 neue Isotope und Isomere freizusetzen, wenn die Anlage im Mai 2022 online geht.

Aufgrund ihrer einzigartigen und vielfältigen Eigenschaften hat die Untersuchung von Kernisomeren nicht nur große praktische Bedeutung, sondern gibt uns auch die Möglichkeit, Prozesse wie die Explosion von Sternen und die Synthese von Lebenselementen zu erforschen. Auf atomarer und nuklearer Ebene bieten die besonderen Eigenschaften von Kernisomeren einzigartige Forschungsmöglichkeiten zur Erforschung unbekannter Bereiche der Kernphysik, und in Zukunft werden noch außergewöhnliche Entdeckungen gemacht.

Verweise

[1] Philip Walker und Zsolt Podolyák, Phys. Scr. 95 (2020) 044004 (11 Seiten).

[2] Nature Band 399, Seiten 35–40 (1999).

[3] http://en.wiki.hancel.org/wiki/Nuclear_isomer

[4] https://physicsworld.com/a/celebrating-a-century-of-nuclear-isomers/

[5]http://phys.org/news/2022-05-nuclear-isomers-years-physicists-unraveling.html

[6] http://www.thoughtco.com/nuclear-isomer-definition-4129399

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

Besondere Tipps

1. Gehen Sie zur „Featured Column“ unten im Menü des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“, um eine Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zu verschiedenen Themen zu lesen.

2. „Fanpu“ bietet die Funktion, Artikel nach Monat zu suchen. Folgen Sie dem offiziellen Account und antworten Sie mit der vierstelligen Jahreszahl + Monat, also etwa „1903“, um den Artikelindex für März 2019 zu erhalten, usw.

Copyright-Erklärung: Einzelpersonen können diesen Artikel gerne weiterleiten, es ist jedoch keinem Medium und keiner Organisation gestattet, ihn ohne Genehmigung nachzudrucken oder Auszüge daraus zu verwenden. Für eine Nachdruckgenehmigung wenden Sie sich bitte an den Backstage-Bereich des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“.