ไอโซเมอร์นิวเคลียร์คือ สถานะ กึ่งเสถียรของนิวเคลียสอะตอมซึ่ง มี นิวคลีออน (โปรตอนหรือนิวตรอน) หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นอยู่ในระดับสถานะกระตุ้น (ระดับพลังงานที่สูงกว่า) คำว่า "กึ่งเสถียร" อธิบายถึงนิวเคลียสที่มีสถานะกระตุ้นซึ่งมีครึ่งชีวิต 10 ⁻⁹วินาทีหรือนานกว่านั้น^{[ 1 ]}นานกว่าครึ่งชีวิตของสถานะนิวเคลียร์กระตุ้นที่สลายตัวด้วยครึ่งชีวิต "ทันที" (โดยปกติประมาณ 10 ⁻¹²วินาที) ถึง 100 ถึง 1000 เท่า เอกสารอ้างอิงบางฉบับแนะนำให้ใช้เกณฑ์ของ5 × 10 ⁻⁹วินาทีเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างครึ่งชีวิตของเมตาเสถียรกับครึ่งชีวิตของการปล่อยแกมมา "ทันที" ปกติ ^{[ 2 ]}

ครึ่งชีวิตของไอโซเมอร์จำนวนหนึ่งนั้นยาวนานกว่านี้มาก และอาจเป็นนาที ชั่วโมง หรือปี ตัวอย่างที่รุนแรงคือ^180ม. ไอโซเมอร์นิวเคลียร์ Taซึ่งคงอยู่ได้นานมาก (อย่างน้อย)2.9 × 10 ¹⁷ปี^{[ 3 ]} ) ว่าไม่เคยถูกสังเกตว่าสลายตัวโดยธรรมชาติ และเกิดขึ้นตามธรรมชาติเป็นนิวไคลด์ดั้งเดิมแม้ว่าจะพบได้ไม่บ่อยนักเพียง 1/8000 ของแทนทาลัมทั้งหมด ไอโซเมอร์ที่เสถียรที่สุดอันดับสองคือ^210ม. Biซึ่งไม่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ มีครึ่งชีวิตคือ3.04 × 10⁶ ^ปีถึงการสลายตัวแบบอัลฟาครึ่งชีวิตของไอโซเมอร์นิวเคลียร์อาจมากกว่าครึ่งชีวิตของสถานะพื้นฐานของนิวไคลด์เดียวกัน ดังเช่นสองกรณีข้างต้น รวมถึงตัวอย่างเช่น^186ม. อีกครั้ง ,^{192 ตร.ม.} อิร ,^212ม. โป ,^242ม. แอมและร์ของโฮลเมียม หลายชนิด

การสลายตัวแบบแกมมา จากสถานะกึ่งเสถียรเรียกว่าการเปลี่ยนผ่านไอโซเมอร์ (IT) หรือการเปลี่ยนผ่านภายในแม้ว่าจะมีลักษณะคล้ายกับการสลายตัวแบบแกมมา "ทันที" ที่มีอายุสั้นกว่าในทุกแง่มุมภายนอก ยกเว้นอายุที่ยาวนานกว่า โดยทั่วไปแล้วสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับ การเปลี่ยนแปลง สปินนิวเคลียร์ สูง หรือ"การถูกห้าม"ซึ่งจำเป็นสำหรับการปล่อยรังสีแกมมาเพื่อไปถึงสถานะพื้นฐาน และสิ่งนี้จะเป็นจริงมากยิ่งขึ้นสำหรับการสลายตัวแบบเบตา พลังงานการเปลี่ยนผ่านที่ต่ำจะทำให้ความเร็วในการเปลี่ยนผ่านช้าลงและทำให้มีโอกาสมากขึ้นที่จะมีเพียงการสลายตัวที่ถูกห้ามอย่างมากเท่านั้น ดังนั้นไอโซเมอร์ที่มีอายุยืนยาวส่วนใหญ่จึงมีพลังงานกระตุ้นค่อนข้างต่ำเหนือสถานะพื้นฐาน (ในกรณีสุดขั้วของธอร์เรียม-229mพลังงานกระตุ้นต่ำเพียงอย่างเดียวก็ทำให้มีอายุยืนยาวอย่างเห็นได้ชัด)^210ม. สำหรับ Biนั้น การห้ามการสลายตัวแบบเบตาและแกมมาที่มีอยู่มีสูงมาก ทำให้สังเกตได้เฉพาะการสลายตัวแบบอัลฟาเท่านั้น ถึงแม้ว่าการสลายตัวแบบอัลฟาจะช้ากว่าสถานะพื้นฐานก็ตาม สำหรับไอโซเมอร์ที่เบากว่าส่วนใหญ่ รวมถึง^180ม. Taการสลายตัวแบบอัลฟาแทบจะเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ แต่การสลายตัวแบบอื่น ๆ นั้นไม่ได้ถูกห้ามอย่างเด็ดขาดเหมือนสองแบบนั้น

ไอโซเมอร์นิวเคลียร์ตัวแรกและระบบลูกที่เกิดจากการสลายตัว (ยูเรเนียม X /ยูเรเนียม Z ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ...)^234ม. ปา /²³⁴ Pa ) ถูกค้นพบโดย Otto Hahnในปี พ.ศ. 2464 ^{[ 4 ]}

ไอโซเมอร์ที่ไม่เสถียรสามารถเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ใดๆ รวมถึง การสลาย ตัวของกัมมันตรังสีการจับนิวตรอนการแตกตัวของนิวเคลียสและการชนด้วย อนุภาคประจุ ที่เร่งความเร็วนิวเคลียสที่เกิดขึ้นด้วยวิธีนี้โดยทั่วไปจะเริ่มต้นการดำรงอยู่ในสถานะกระตุ้น ซึ่งจะสูญเสียพลังงานส่วนเกินผ่านการปล่อยรังสีแกมมา หนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งรังสี หรืออิเล็กตรอนแปลงสภาพกระบวนการนี้โดยปกติจะเป็นกระบวนการที่ "รวดเร็ว" แต่บางครั้งก็ไม่สามารถกลับไปสู่สถานะพื้นฐาน ของนิวเคลียสได้อย่างรวดเร็ว ในกรณีเช่นนี้ ไอโซเมอร์ที่ไม่เสถียรได้เกิดขึ้นแล้ว โดยปกติแล้วจะเกิดขึ้นเป็นไอโซเมอร์สปินเมื่อการก่อตัวของสถานะกระตุ้นระดับกลางมีสปินที่แตกต่างจากสปินของสถานะพื้นฐานอย่างมาก การปล่อยรังสีแกมมาจะถูกขัดขวางหากสปินของสถานะหลังการปล่อยแตกต่างจากสปินของสถานะที่ปล่อยรังสีอย่างมาก และหากพลังงานกระตุ้นต่ำ สถานะกระตุ้นดังกล่าวโดยทั่วไปจะมีอายุยืนยาวและถือว่าเป็นสถานะที่ไม่เสถียร

หลังจากเกิดการแตกตัวแล้วชิ้นส่วนที่แตกตัว หลายชิ้น อาจถูกสร้างขึ้นในสถานะไอโซเมอร์ที่ไม่เสถียร หลังจากที่พลังงานลดลงอย่างรวดเร็ว ในตอนท้ายของกระบวนการนี้ นิวเคลียสสามารถมีประชากรได้ทั้งในสถานะพื้นฐานและสถานะไอโซเมอร์ หากครึ่งชีวิตของไอโซเมอร์ยาวนานพอ ก็สามารถวัดอัตราการผลิตได้ และการเปรียบเทียบกับสถานะพื้นฐานจะให้สิ่งที่เรียกว่าอัตราส่วนผลผลิตไอโซเมอร์^{[ 5 ]}

ไอโซเมอร์ชนิดหนึ่งที่อยู่ในสถานะกึ่งเสถียรคือไอโซเมอร์ฟิชชันหรือไอโซเมอร์รูปร่าง นิวเคลียสของธาตุแอ คติ ไนด์ ส่วนใหญ่ในสถานะพื้นฐานไม่ได้มีรูปร่างทรงกลม แต่มีรูปร่างเป็นทรงรีแบบยาวโดยมีแกนสมมาตรยาวกว่าแกนอื่นๆ คล้ายกับลูกอเมริกันฟุตบอลหรือลูกรักบี้รูปทรงเรขาคณิตนี้สามารถส่งผลให้เกิดสถานะทางกลศาสตร์ควอนตัมที่การกระจายตัวของโปรตอนและนิวตรอนอยู่ห่างจากรูปทรงเรขาคณิตทรงกลมมากจนการลดระดับพลังงานกลับสู่สถานะพื้นฐานของนิวเคลียสถูกขัดขวางอย่างมาก โดยทั่วไป สถานะเหล่านี้จะกลับสู่สถานะพื้นฐาน หรือเกิดการฟิชชันโดยธรรมชาติโดยมีครึ่งชีวิตอยู่ในระดับนาโนวินาทีหรือไมโครวินาทีซึ่งหมายความว่าเป็นสถานะกึ่งเสถียร ไอโซเมอร์ฟิชชันอาจระบุด้วยตัวห้อย "f" หรือตัวยกแทน "m" ดังนั้น ไอโซเมอร์ฟิชชัน เช่นพลูโทเนียม -240 อาจเขียนแทนด้วย พลูโทเนียม-240f หรือ^240f ปู .

ไอโซเมอร์ที่ไม่เสถียรของ ไอโซโทปหนึ่งๆมักจะถูกกำหนดด้วยตัวอักษร "m" โดยจะวางไว้หลังเลขมวลของอะตอม

ตัวอย่างเช่นโคบอลต์-58m1หรือ^58ม. Coเป็นไอโซเมอร์ของโคบอลต์-58 โดยที่ 27 คือเลขอะตอมของโคบอลต์ 58 คือจำนวนนิวคลีออนทั้งหมด (หมายความว่ามีนิวตรอน 31 ตัว) "m" หมายถึงเป็นไอโซเมอร์ และ "m1" หมายถึงเป็นไอโซเมอร์เสถียรลำดับแรก (ต่ำที่สุดเหนือสถานะพื้นฐาน)

สำหรับไอโซโทปที่มีไอโซเมอร์เสถียรมากกว่าหนึ่งชนิด จะมีการเพิ่ม "ดัชนี" ต่อท้ายชื่อ และการติดฉลากจะเป็น m1, m2, m3 และอื่นๆ ดัชนีที่เพิ่มขึ้น เช่น m1, m2 เป็นต้น จะสัมพันธ์กับระดับพลังงานกระตุ้นที่สะสมอยู่ในแต่ละสถานะไอโซเมอร์ (เช่น แฮฟเนียม-178m2 หรือ^{178 ตร.ม.} (Hf ) สามารถละเว้นดัชนีได้หากมีไอโซเมอร์เพียงตัวเดียวที่เกี่ยวข้องในบริบทนั้น

สำหรับไอโซเมอร์ฟิชชัน ให้ใช้ "f" แทน "m"

^{180 เมตร}Taสามารถถูกบังคับให้ปลดปล่อยพลังงานโดยรังสีเอ็กซ์ได้ สิ่งนี้ได้รับการทำนายทางทฤษฎีในปี 1988 โดย CB Collins ^[ 6 ^{] แม้ว่า}ในขณะนั้นกลไกการลดพลังงานนี้จะไม่เคยถูกสังเกตมาก่อน สิ่งนี้ถูกสังเกตใน^{180 เมตร}Taโดยการกระตุ้นด้วยแสงแบบเรโซแนนซ์ของระดับสูงปานกลางของนิวเคลียสนี้ ( E  ≈  1  MeV) ในปี 1999 โดย Belic และเพื่อนร่วมงานในกลุ่มฟิสิกส์นิวเคลียร์ของ Stuttgart ^{[ 7 ]}

^{178 ตร.ม.} Hfเป็นไอโซเมอร์นิวเคลียร์ที่มีเสถียรภาพพอสมควรอีกชนิดหนึ่ง มีครึ่งชีวิต 31 ปี และมีพลังงานกระตุ้นสูงมากเมื่อเทียบกับครึ่งชีวิตนั้น ในการสลายตัวตามธรรมชาติ จะปล่อยรังสีแกมมาออกมา 2.45 MeV เช่นเดียวกับ^{180 เมตร}เชื่อกันว่าTa^{178 ตารางเมตร}Hfสามารถถูกกระตุ้นให้ปล่อยพลังงานออกมาได้ ด้วยเหตุนี้ สารนี้จึงถูกศึกษาในฐานะแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาสำหรับเลเซอร์และมีรายงานระบุว่าพลังงานสามารถถูกปล่อยออกมาได้อย่างรวดเร็วมาก^{178 ตารางเมตร}ไฮโดรคาร์บอน (Hf)สามารถผลิตพลังงานได้สูงมาก (ในระดับเอ็กซาวัตต์ ) มีการกล่าวอ้างว่าตรวจพบได้จากการทดลองในช่วงปี 2000 แต่ก็เป็นเรื่องที่ถกเถียงกันและยังไม่มีการยืนยันอย่างเป็นอิสระ

ไอโซเมอร์อื่นๆ ยังได้รับการตรวจสอบในฐานะสื่อที่เป็นไปได้สำหรับการปล่อยรังสีแกมมาที่ถูกกระตุ้น^{[ 2 ] [ 8 ]}

ไอโซเมอร์นิวเคลียร์ของโฮลเมียม^166ม.1 โฮลเมียม (Ho)มีครึ่งชีวิต 1,133 ปี ซึ่งเกือบจะเป็นครึ่งชีวิตที่ยาวนานที่สุดของไอโซโทปโฮลเมียมทั้งหมด มีเพียง...¹⁶³โฮล (Ho ) มีครึ่งชีวิต 4,570 ปี จึงมีความเสถียรมากกว่า ทั้งพลังงานกระตุ้นของธาตุแรกและพลังงานการสลายตัวของธาตุหลังนั้นมีค่าน้อยกว่า 10 keV

^229ม. Thเป็นไอโซเมอร์กึ่งเสถียรที่มีพลังงานต่ำมากอย่างน่าทึ่ง เพียงเท่านั้น8.355 733 554 021 (8)  eVเหนือสถานะพื้นฐาน^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} พลังงานต่ำนี้สร้างแสงที่ความยาวคลื่นของ148.382 182 8827 (15)  นาโนเมตรในย่านอัลตราไวโอเลตไกลแทนที่จะเป็นย่านรังสีแกมมาทั่วไป ซึ่งทำให้สามารถทำการสเปกโทรสโกปี ด้วยเลเซอร์นิวเคลียร์โดยตรงได้ อย่างไรก็ตาม การสเปกโทรสโกปีที่มีความแม่นยำสูงเช่นนี้ไม่สามารถเริ่มต้นได้หากไม่มีการประมาณค่าความยาวคลื่นเริ่มต้นที่แม่นยำเพียงพอ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำได้สำเร็จในปี 2024 หลังจากความพยายามกว่าสองทศวรรษ (ตั้งแต่ปี 2003 ถึง 2024) ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 10 ]}พลังงานต่ำมากจนสถานะการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมส่งผลต่อครึ่งชีวิต เป็นกลาง^229ม. ธาตุ Thสลายตัวโดยการแปลงภายในด้วยครึ่งชีวิต7 ± 1  μsแต่เนื่องจากพลังงานไอโซเมอร์น้อยกว่าพลังงานไอออนไนเซชันที่สองของธอร์เรียม11.5  eVช่องทางนี้ถูกห้ามในไอออนทอเรียมและ^229ม. ไทย⁺สลายตัวโดยการปล่อยรังสีแกมมาด้วยครึ่งชีวิต1740 ± 50  วินาที^{[ 9 ]}อายุ การใช้งานปานกลางที่เหมาะสมนี้ช่วยให้สามารถพัฒนานาฬิกานิวเคลียร์ที่มีความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน^{[ 17 ] [ 18 ] [ 11 ]}

ไอโซเมอร์ ของแฮฟเนียม^{[ 21 ] [ 22 ]} (ส่วนใหญ่คือ^178m2 Hf) ได้รับการพิจารณาว่าเป็นอาวุธที่สามารถใช้เพื่อหลีกเลี่ยงสนธิสัญญาไม่แพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์ได้เนื่องจากมีการอ้างว่าสามารถกระตุ้นให้ปล่อยรังสีแกมมาที่รุนแรงมากได้ข้ออ้างนี้โดยทั่วไปไม่ได้รับการยอมรับ^{[ 23 ]} DARPAมีโครงการเพื่อตรวจสอบการใช้ไอโซเมอร์นิวเคลียร์ทั้งสองชนิดนี้^{[ 24 ]}ศักยภาพในการกระตุ้นให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานอย่างฉับพลันจากไอโซโทปนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการใช้ในอาวุธดังกล่าว ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ อย่างไรก็ตาม คณะกรรมการการผลิตไอโซเมอร์แฮฟเนียม (HIPP) ซึ่งประกอบด้วยสมาชิก 12 คน ได้ถูกสร้างขึ้นในปี 2546 เพื่อประเมินวิธีการผลิตไอโซโทปในปริมาณมาก^{[ 25 ]}

ไอโซเมอร์ของเทคนีเซียม^99ม. Tc (ซึ่งมีครึ่งชีวิต 6.01 ชั่วโมง) และ^95ม. เทคนีเซียม (Tc ) (มีครึ่งชีวิต 61  วัน) ถูกนำไปใช้ในทางการแพทย์และอุตสาหกรรม

แบตเตอรี่นิวเคลียร์

แบตเตอรี่นิวเคลียร์ใช้ไอโซโทปรังสีใน ปริมาณเล็กน้อย (มิลลิกรัมและ ไมโครคูรี ) ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ในการออกแบบอุปกรณ์เบตาโวลต์แบบหนึ่ง วัสดุกัมมันตรังสีจะอยู่ด้านบนของอุปกรณ์ที่มีชั้น ซิลิคอนชนิด P และชนิด N อยู่ติดกัน รังสีไอออนไนซ์จะแทรกซึมเข้าไปในรอยต่อโดยตรงและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล ไอ โซเมอร์นิวเคลียร์สามารถใช้แทนไอโซโทปอื่น ได้ และ ด้วย การพัฒนา เพิ่มเติมอาจเป็นไปได้ที่จะเปิดและปิดไอโซโทปเหล่านี้โดยการกระตุ้นการสลายตัวตามต้องการ ไอโซโทปที่เป็นตัวเลือกในปัจจุบันสำหรับการใช้งานดังกล่าว ได้แก่108Ag ^, 166Ho ^, 177Lu ^และ 242Am ^ณปี 2004 ไอโซเมอร์เดียวที่ถูกกระตุ้นได้สำเร็จคือ180mTa ^ซึ่งต้องใช้พลังงานโฟตอนในการกระตุ้นมากกว่าที่ปล่อยออกมา^{[ 26 ]}

ไอโซโทปเช่น¹⁷⁷ Lu ปล่อยรังสีแกมมาโดยการสลายตัวผ่านชุดระดับพลังงานภายในนิวเคลียส และเชื่อกันว่าการเรียนรู้ภาคตัดขวางการกระตุ้นด้วยความแม่นยำที่เพียงพออาจทำให้สามารถสร้างแหล่งเก็บพลังงานที่มีความเข้มข้นมากกว่าวัตถุระเบิดแรงสูงหรือแหล่งเก็บพลังงานเคมีแบบดั้งเดิมอื่นๆ ถึง 10 ^{6 เท่า [ 26 ]}