Isobar (Nuklid)

Isobare sind Atome ( Nuklide ) verschiedener chemischer Elemente mit der gleichen Anzahl an Nukleonen . Entsprechend unterscheiden sich Isobare in ihrer Ordnungszahl (bzw. Protonenzahl ) , haben aber die gleiche Massenzahl . Ein Beispiel für eine Isobarereihe ist ^⁴⁰ S , ^⁴⁰Cl , ^⁴⁰ Ar , ^⁴⁰ K und ^⁴⁰Ca. Obwohl die Kerne dieser Nuklide alle 40 Nukleonen enthalten, unterscheiden sie sich in der Anzahl der Protonen und Neutronen. ^{[ 1 ]}

Der Begriff „Isobare“ (ursprünglich „Isobares“) für Nuklide wurde 1918 von dem britischen Chemiker Alfred Walter Stewart vorgeschlagen. ^{[ 2 ]} Er leitet sich vom Griechischen ἴσος (isos) „ gleich “ und βάρος (baros) „ Gewicht “ ab . ^{[ 3 ]}

Die gleiche Massenzahl impliziert weder die gleiche Masse der Atomkerne noch gleiche Atommassen der entsprechenden Nuklide. Aus der Weizsäcker-Formel für die Masse eines Atomkerns:

${\displaystyle m(A,Z)=Zm_{p}+Nm_{n}-a_{V}A+a_{S}A^{2/3}+a_{C}{\frac {Z^{2}}{A^{1/3}}}+a_{A}{\frac {(NZ)^{2}}{A}}-\delta (A,Z)}$

Wenn die Massenzahl  A der Summe aus Ordnungszahl  Z und Neutronenzahl  N entspricht und m _{_p} , m _{_n} , a _{_V} , a _{_S} , a _{_C} und a_{_A} Konstanten sind, sieht man, dass die Masse nichtlinear von Z und N abhängt, selbst bei konstanter Massenzahl. Für ungerades  A gilt δ = 0 , und die Massenabhängigkeit von  Z (oder von  N bzw. N − Z , was bei konstantem A unerheblich ist  ) ist konvex . Dies erklärt, warum der Beta-Zerfall für neutronenreiche Nuklide energetisch günstig ist und der Positronenzerfall für stark neutronenarme Nuklide. Beide Zerfallsarten ändern die Massenzahl nicht, daher sind der Ausgangskern und sein Tochterkern Isobare. In beiden Fällen zerfällt ein schwererer Kern in sein leichteres Isobar.

Für gerades  A hat der δ-  Term die Form:

${\displaystyle \delta (A,Z)=(-1)^{Z}a_{P}A^{-{\frac {1}{2}}}}$

Hierbei ist P eine weitere Konstante. Dieser Term, subtrahiert vom obigen Massenausdruck, ist für Kerne mit gerader Atomzahl positiv und für Kerne mit ungerader Atomzahl negativ. Das bedeutet _, dass Kerne mit gerader Atomzahl, die keinen starken Neutronenüberschuss oder -mangel aufweisen, eine höhere Bindungsenergie besitzen als ihre isobaren Nachbarn mit ungerader Atomzahl. Daraus folgt, dass Kerne mit gerader Atomzahl (relativ) leichter und stabiler sind. Der Unterschied ist besonders ausgeprägt für kleine  Atomzahlen . Dieser Effekt wird auch von anderen Kernmodellen (qualitativ) vorhergesagt und hat wichtige Konsequenzen.

Die Mattauch-Isobarenregel besagt, dass, wenn zwei benachbarte Elemente im Periodensystem Isotope mit gleicher Massenzahl besitzen, mindestens eines dieser Isobare ein Radionuklid (radioaktiv) sein muss. Bei drei aufeinanderfolgenden Isobaren, von denen das erste und das letzte stabil sind (was häufig bei geraden Massenzahlen-Nukliden der Fall ist, siehe oben ), kann es zu einem verzweigten Zerfall des mittleren Isobares kommen. Beispielsweise besitzt radioaktives Jod-126 nahezu gleich wahrscheinliche Zerfallsarten: Positronenemission , die zu Tellur-126 führt , und Beta-Emission , die zu Xenon-126 führt .

Für die Massenzahlen 5 (Zerfall in Helium-4 plus ein Proton oder Neutron ), 8 (Zerfall in zwei Helium-4-Kerne), 147, 151 sowie für 209 und darüber (mit Ausnahme der primordialen, aber nicht stabilen Isobare 147 ^Sm , ¹⁵¹ Eu und ²⁰⁹ Bi) existieren keine beobachtungsstabilen Isobare. Für 36, 40, 46, 50, 54, 58, 64, 70, 74, 80, 84, 86, 92, 94, 96, 98, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 120, 122, 123, 124, 126, 132, 134, 136, 138, 142, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 168, 170, 176, 180 (einschließlich eines Metazustands), 192, 196, 198 und 204 existieren jeweils zwei beobachtungsstabile Isobaren. ^{[ 4 ]}

Theoretisch haben keine zwei stabilen Nuklide die gleiche Massenzahl (da keine zwei Nuklide mit der gleichen Massenzahl sowohl gegenüber Beta-Zerfall als auch gegenüber Doppelbeta-Zerfall stabil sind), und es existieren keine stabilen Nuklide für die Massenzahlen 5, 8, 143–155, 160–162 und ≥ 165, da die Beta-Zerfalls-stabilen Nuklide für diese Massenzahlen theoretisch auch Alpha-Zerfall erleiden können .

• Isotope (Nuklide mit der gleichen Anzahl an Protonen)
• Isotone (Nuklide mit der gleichen Anzahl an Neutronen)
• Kernisomere (verschiedene angeregte Zustände desselben Nuklids)
• Magische Zahl (Physik)
• Elektroneneinfang

Sprawls, Perry (1993). „5 – Eigenschaften und Struktur der Materie“. Physikalische Grundlagen der medizinischen Bildgebung (2. Aufl.). Madison, WI : Medical Physics Publishing. ISBN 0-8342-0309-XAbgerufen am 28. April 2010 .