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Definição e exemplos de isômeros nucleares

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Definição de isômero nuclear

Os isômeros nucleares são átomos com o mesmo número de massa e número atômico, mas com diferentes estados de excitação no núcleo atômico. O estado mais alto ou mais excitado é chamado de estado metaestável, enquanto o estado estável e não excitado é chamado de estado fundamental.

Como eles trabalham

A maioria das pessoas sabe que os elétrons podem alterar os níveis de energia e ser encontrados em estados excitados. Um processo análogo ocorre no núcleo atômico quando os prótons ou nêutrons (os núcleons) ficam excitados. O nucleon excitado ocupa um orbital nuclear de energia mais alta. Na maioria das vezes, os núcleos excitados retornam imediatamente ao estado fundamental, mas se o estado excitado tiver uma meia-vida superior a 100 a 1000 vezes a dos estados excitados normais, será considerado um estado metaestável. Em outras palavras, a meia-vida de um estado excitado é geralmente da ordem de 10-12 segundos, enquanto um estado metaestável tem uma meia-vida de 10-9 segundos ou mais. Algumas fontes definem um estado metaestável como tendo uma meia-vida maior que 5 x 10-9 segundos para evitar confusão com a meia-vida da emissão gama. Enquanto a maioria dos estados metaestáveis ​​decai rapidamente, alguns duram minutos, horas, anos ou muito mais.

o razão A forma de estados metaestáveis ​​ocorre porque é necessária uma mudança maior no spin nuclear para que eles retornem ao estado fundamental. Mudanças altas de rotação fazem com que os decaimentos "transições proibidas" e os atrasem. A meia-vida de deterioração também é afetada pela quantidade de energia disponível.

A maioria dos isômeros nucleares retorna ao estado fundamental via decaimento gama. Às vezes, o decaimento gama de um estado metaestável é chamado transição isomérica, mas é essencialmente o mesmo que a deterioração gama de curta duração normal. Em contraste, a maioria dos estados atômicos excitados (elétrons) retornam ao estado fundamental via fluorescência.

Outra maneira de os isômeros metaestáveis ​​decairem é por conversão interna. Na conversão interna, a energia liberada pelo decaimento acelera um elétron interno, fazendo com que ele saia do átomo com energia e velocidade consideráveis. Existem outros modos de decaimento para isômeros nucleares altamente instáveis.

Notação metaestável e de estado fundamental

O estado fundamental é indicado usando o símbolo g (quando qualquer notação é usada). Os estados excitados são indicados usando os símbolos m, n, o, etc. O primeiro estado metaestável é indicado pela letra m. Se um isótopo específico tiver vários estados metaestáveis, os isômeros são designados m1, m2, m3 etc. A designação é listada após o número de massa (por exemplo, cobalto 58m ou 58m27Co, háfnio-178m2 ou 178m272Hf).

O símbolo sf pode ser adicionado para indicar isômeros capazes de fissão espontânea. Este símbolo é usado na Tabela de Nuclídeos de Karlsruhe.

Exemplos de estados metaestáveis

Otto Hahn descobriu o primeiro isômero nuclear em 1921. Era o Pa-234m, que decai no Pa-234.

O estado metaestável de maior duração é o de 180m73 Ta. Este estado metaestável de tântalo não se deteriorou e parece durar pelo menos 1015 anos (mais que a idade do universo). Como o estado metaestável dura tanto tempo, o isômero nuclear é essencialmente estável. O tântalo-180m é encontrado na natureza em uma abundância de cerca de 1 por 8300 átomos. Pensa-se que talvez o isômero nuclear tenha sido produzido em supernovas.

Como são feitos

Isômeros nucleares metaestáveis ​​ocorrem através de reações nucleares e podem ser produzidos usando a fusão nuclear. Eles ocorrem tanto naturalmente como artificialmente.

Isômeros de fissão e isômeros de forma

Um tipo específico de isômero nuclear é o isômero de fissão ou isômero de forma. Os isômeros de fissão são indicados usando um postscript ou um sobrescrito "f" em vez de "m" (por exemplo, plutônio-240f ou 240f94Pu). O termo "isômero de forma" refere-se à forma do núcleo atômico. Enquanto o núcleo atômico tende a ser descrito como uma esfera, alguns núcleos, como os da maioria dos actinídeos, são esferas prolatadas (em forma de bola de futebol). Devido aos efeitos da mecânica quântica, a desexcitação dos estados excitados para o estado fundamental é prejudicada, de modo que os estados excitados tendem a sofrer fissão espontânea ou então retornam ao estado fundamental com uma meia-vida de nanossegundos ou microssegundos. Os prótons e nêutrons de um isômero de forma podem estar ainda mais longe de uma distribuição esférica do que os núcleons no estado fundamental.

Usos dos isômeros nucleares

Os isômeros nucleares podem ser usados ​​como fontes gama para procedimentos médicos, baterias nucleares, para pesquisa de emissão estimulada por raios gama e para lasers de raios gama.