Isómero nuclear

Metastable excited state of a nuclide

Física nuclear
Nucleus  · nucleones  ( p , n )  · la materia nuclear  · fuerza nuclear  · estructura Nuclear  · reacción Nuclear
Modelos del núcleo Gota de líquido  · Modelo de capa nuclear  · Modelo de bosón interactivo  · Ab initio
Clasificación de nucleidos Isótopos - iguales Z Isobaras - iguales A Isótonos - iguales N Isodiaphers - iguales N  -       Isómeros Z - iguales todos los anteriores Núcleos espejo  - Z ↔ N Estable  · Magia  · Par / impar  · Halo  ( Borromeo )
Estabilidad nuclear Energía de unión  · Relación p – n  · Línea de goteo  · Isla de estabilidad  · Valle de estabilidad  · Nuclido estable
Desintegración radioactiva Alfa α  · Beta β  ( 2β ( 0v ), β + )  · Captura de K / L  · Isomérico  ( Gamma γ  · Conversión interna )  · Fisión espontánea  · Desintegración de racimos  · Emisión de neutrones  · Emisión de protones Energía de desintegración  · cadena de desintegración  · producto de desintegración  · nucleido radiogénica
Fisión nuclear Espontáneo  · Productos  ( ruptura de pares )  · Photofission
Captura de procesos electrón ( 2 × )  · neutrón  ( s  · r )  · protón  ( p  · rp )
Procesos de alta energía Espalación ( por rayos cósmicos )  · Fotodisintegración
Nucleosíntesis y astrofísica nuclear Procesos de fusión nuclear : Estelar  · Big Bang  · Supernova Nuclides: Primordial  · Cosmogénico  · Artificial
Física nuclear de alta energía Plasma de quark-gluón  · RHIC  · LHC
Científicos Álvarez  · Becquerel  · Bethe  · A. Bohr  · N. Bohr  · Chadwick  · Cockcroft  · Ir. Curie  · P. Curie  · Pi. Curie  · Skłodowska-Curie  · Davisson  · Fermi  · Hahn  · Jensen  · Lawrence  · Mayer  · Meitner  · Oliphant  · Oppenheimer  · Proca  · Purcell  · Rabi  · Rutherford  · Soddy · Strassmann  · Świątecki  · Szilárd  · Teller  · Thomson  · Walton  · Wigner
v t mi

Un isómero nuclear es un estado metaestable de un núcleo atómico , en el que uno o más nucleones (protones o neutrones) ocupan niveles de energía más altos que en el estado fundamental del mismo núcleo. "Metaestable" describe núcleos cuyos estados excitados tienen vidas medias de 100 a 1000 veces más largas que las vidas medias de los estados nucleares excitados que decaen con una vida media "rápida" (normalmente del orden de ^10-12 segundos). El término "metaestable" generalmente se restringe a los isómeros con vidas medias de 10 a ⁹ segundos o más. Algunas referencias recomiendan 5 × 10 ⁻⁹segundos para distinguir la vida media metaestable de la vida media de emisión gamma "inmediata" normal . ^[1] Ocasionalmente, las vidas medias son mucho más largas y pueden durar minutos, horas o años. Por ejemplo, el180m 73Ejército de reservaEl isómero nuclear sobrevive tanto tiempo que nunca se ha observado que se descomponga (al menos 10 ¹⁵ años). La vida media de un isómero nuclear puede incluso exceder la del estado fundamental del mismo nucleido, como lo muestra^180m
₇₃Ejército de reserva
así como 210m 83Bi, 242m 95Soyy múltiples isómeros de holmio .

A veces, la desintegración gamma de un estado metaestable se denomina transición isomérica, pero este proceso típicamente se asemeja a desintegraciones gamma de vida más corta en todos los aspectos externos, con la excepción de la naturaleza de larga duración del isómero nuclear parental metaestable. Las vidas más largas de los estados metaestables de los isómeros nucleares a menudo se deben al mayor grado de cambio de espín nuclear que debe estar involucrado en su emisión gamma para alcanzar el estado fundamental. Este alto cambio de giro hace que estas desintegraciones sean transiciones prohibidas y retardadas. Los retrasos en la emisión se deben a una baja o alta energía de desintegración disponible.

El primer isómero nuclear y el sistema hijo de la desintegración (uranio X ₂ / uranio Z, ahora conocido como^234m
₉₁Pensilvania
/234 91Pensilvania) fue descubierto por Otto Hahn en 1921. ^[2]

Núcleos de isómeros nucleares

El núcleo de un isómero nuclear ocupa un estado de mayor energía que el núcleo no excitado existente en el estado fundamental . En un estado excitado, uno o más de los protones o neutrones en un núcleo ocupan un orbital nuclear de mayor energía que un orbital nuclear disponible. Estos estados son análogos a los estados excitados de electrones en átomos.

Cuando los estados atómicos excitados decaen, la energía se libera por fluorescencia . En las transiciones electrónicas, este proceso generalmente implica la emisión de luz cerca del rango visible . La cantidad de energía liberada está relacionada con la energía de disociación del enlace o la energía de ionización y generalmente está en el rango de unas pocas a unas pocas decenas de eV por enlace.

Sin embargo, en los procesos nucleares interviene un tipo de energía de enlace mucho más fuerte , la energía de enlace nuclear. Debido a esto, la mayoría de los estados nucleares excitados decaen por emisión de rayos gamma . Por ejemplo, un isómero nuclear bien conocido utilizado en varios procedimientos médicos es99m 43Tc, que decae con una vida media de aproximadamente 6 horas al emitir un rayo gamma de 140 keV de energía; esto está cerca de la energía de los rayos X de diagnóstico médico.

Los isómeros nucleares tienen vidas medias largas porque su desintegración gamma está "prohibida" por el gran cambio en el giro nuclear necesario para emitir un rayo gamma. Por ejemplo,^180m
₇₃Ejército de reserva
tiene un giro de 9 y debe decaer gamma para ¹⁸⁰
₇₃Ejército de reserva
con un giro de 1. Del mismo modo, ^99m
₄₃Tc
tiene un giro de 1/2 y debe decaer gamma a ⁹⁹
₄₃Tc
con un giro de 9/2.

Si bien la mayoría de los isómeros metaestables se desintegran por emisión de rayos gamma, también pueden desintegrarse por conversión interna . Durante la conversión interna, la energía de desexcitación nuclear no se emite como un rayo gamma, sino que se utiliza para acelerar uno de los electrones internos del átomo. Estos electrones excitados luego salen a gran velocidad. Esto ocurre porque los electrones atómicos internos penetran en el núcleo donde están sujetos a los intensos campos eléctricos creados cuando los protones del núcleo se reorganizan de una manera diferente.

En núcleos que están lejos de la estabilidad en energía, se conocen aún más modos de desintegración.

Isómeros metaestables

Los isómeros metaestables se pueden producir mediante fusión nuclear u otras reacciones nucleares . Un núcleo producido de esta manera generalmente comienza su existencia en un estado excitado que se relaja mediante la emisión de uno o más rayos gamma o electrones de conversión . A veces, la desexcitación no avanza completamente rápidamente al estado fundamental nuclear . Esto suele ocurrir cuando la formación de un estado excitado intermedio tiene un giro.muy diferente de la del estado fundamental. La emisión de rayos gamma se ve obstaculizada si el giro del estado posterior a la emisión difiere mucho del estado de emisión, especialmente si la energía de excitación es baja. El estado excitado en esta situación es un buen candidato para ser metaestable si no hay otros estados de espín intermedio con energías de excitación menores que las del estado metaestable.

Los isómeros metaestables de un isótopo particular se designan habitualmente con una "m". Esta designación se coloca después del número de masa del átomo; por ejemplo, cobalt-58m1 se abrevia^58m1
₂₇Co
, donde 27 es el número atómico del cobalto. Para los isótopos con más de un isómero metaestable, los "índices" se colocan después de la designación y el etiquetado se convierte en m1, m2, m3, etc. Índices crecientes, m1, m2, etc., se correlacionan con niveles crecientes de energía de excitación almacenada en cada uno de los estados isoméricos (por ejemplo, hafnio-178m2, o^178m2
₇₂Hf
).

Un tipo diferente de estado nuclear metaestable (isómero) es el isómero de fisión o el isómero de forma . La mayoría de los núcleos de actínidos en sus estados fundamentales no son esféricos, sino esferoidales alargados , con un eje de simetría más largo que los otros ejes, similar a una pelota de fútbol americano o rugby . Esta geometría puede resultar en estados de mecánica cuántica donde la distribución de protones y neutrones está mucho más lejos de la geometría esférica que la desexcitación al estado fundamental nuclear se ve fuertemente obstaculizada. En general, estos estados o se desexcitan al estado fundamental mucho más lentamente que un estado excitado "habitual", o se someten a una fisión espontánea convidas medias del orden de nanosegundos o microsegundos: un tiempo muy corto, pero muchos órdenes de magnitud más largos que la vida media de un estado nuclear excitado más habitual. Los isómeros de fisión pueden indicarse con una posdata o superíndice "f" en lugar de "m", de modo que un isómero de fisión, por ejemplo, de plutonio -240, se puede denotar como plutonio-240f o^240f
₉₄Pu
.

Isómeros casi estables

La mayoría de los estados de excitación nuclear son muy inestables y "inmediatamente" irradian la energía extra después de existir en el orden de ^10-12  segundos. Como resultado, la caracterización "isómero nuclear" generalmente se aplica solo a configuraciones con vidas medias de 10 a ⁹  segundos o más. La mecánica cuántica predice que ciertas especies atómicas deberían poseer isómeros con vidas inusualmente largas incluso con este estándar más estricto y tener propiedades interesantes. Algunos isómeros nucleares tienen una vida tan larga que son relativamente estables y pueden producirse y observarse en cantidad.

El isómero nuclear más estable que se encuentra en la naturaleza es 180m 73Ejército de reserva, que está presente en todas las muestras de tantalio en aproximadamente 1 parte en 8.300. Su vida media es de al menos 10 a ¹⁵ años, marcadamente más larga que la edad del universo . La baja energía de excitación del estado isomérico causa tanto la desexcitación gamma al¹⁸⁰
Ejército de reserva
estado fundamental (que a su vez es radiactivo por desintegración beta, con una vida media de sólo 8 horas) y desintegración beta directa a hafnio o tungsteno para ser suprimido debido a desajustes de espín. El origen de este isómero es misterioso, aunque se cree que se formó en supernovas (al igual que la mayoría de los otros elementos pesados). Si se relajara a su estado fundamental, liberaría un fotón con una energía fotónica de 75  keV .

CB Collins ^[3] informó por primera vez en 1988 que^{El 180m}
Ejército de reserva
puede verse obligado a liberar su energía mediante rayos X más débiles. Esta forma de desexcitación nunca se había observado; sin embargo, la desexcitación de^{El 180m}
Ejército de reserva
by resonant photo-excitation of intermediate high levels of this nucleus (E ~ 1 MeV) was found in 1999 by Belic and co-workers in the Stuttgart nuclear physics group.^[4]

178m272Hf is another reasonably stable nuclear isomer. It possesses a half-life of 31 years and the highest excitation energy of any comparably long-lived isomer. One gram of pure ^178m2
Hf
contains approximately 1.33 gigajoules of energy, the equivalent of exploding about 315 kg (694 lb) of TNT. In the natural decay of ^178m2
Hf
, the energy is released as gamma rays with a total energy of 2.45 MeV. As with ^180m
Ta
, there are disputed reports that ^178m2
Hf
can be stimulated into releasing its energy. Due to this, the substance is being studied as a possible source for gamma-ray lasers. These reports indicate that the energy is released very quickly, so that ^178m2
Hf
can produce extremely high powers (on the order of exawatts). Other isomers have also been investigated as possible media for gamma-ray stimulated emission.^[1][5]

Holmium's nuclear isomer 166m167Ho has a half-life of 1,200 years, which is nearly the longest half-life of any holmium radionuclide. Only ¹⁶³
Ho
, with a half-life of 4,570 years, is more stable.

22990Th has a remarkably low-lying metastable isomer, estimated at only 8.28 ± 0.17 eV above the ground state.^[6] After years of failure and one notable false alarm,^[7][8] this decay was directly observed in 2016, based on its internal conversion decay.^[9][10] This direct detection allowed for a first measurement of the isomer's lifetime under internal-conversion decay,^[11] the determination of the isomer's magnetic dipole and electric quadrupole moment via spectroscopy of the electronic shell^[12] and an improved measurement of the excitation energy.^[6] Due to its low energy, the isomer is expected to allow for direct nuclear laser spectroscopy and the development of a nuclear clock of unprecedented accuracy.^[13][14]

High-spin suppression of decay

The most common mechanism for suppression of gamma decay of excited nuclei, and thus the existence of a metastable isomer, is lack of a decay route for the excited state that will change nuclear angular momentum along any given direction by the most common amount of 1 quantum unit ħ in the spin angular momentum. This change is necessary to emit a gamma photon, which has a spin of 1 unit in this system. Integral changes of 2 and more units in angular momentum are possible, but the emitted photons carry off the additional angular momentum. Changes of more than 1 unit are known as forbidden transitions. Each additional unit of spin change larger than 1 that the emitted gamma ray must carry inhibits decay rate by about 5 orders of magnitude.^[15] The highest known spin change of 8 units occurs in the decay of ^180mTa, which suppresses its decay by a factor of 10³⁵ from that associated with 1 unit. Instead of a natural gamma-decay half-life of 10⁻¹² seconds, it has a half-life of more than 10²³ seconds, or at least 3 × 10¹⁵ years, and thus has yet to be observed to decay.

Gamma emission is impossible when the nucleus begins in a zero-spin state, as such an emission would not conserve angular momentum.^{[citation needed]}

Applications

Hafnium^[16][17] isomers (mainly ^178m2Hf) have been considered as weapons that could be used to circumvent the Nuclear Non-Proliferation Treaty, since it is claimed that they can be induced to emit very strong gamma radiation. This claim is generally discounted.^[18] DARPA had a program to investigate this use of both nuclear isomers.^[19] The potential to trigger an abrupt release of energy from nuclear isotopes, a prerequisite to their use in such weapons, is disputed. Nonetheless a 12-member Hafnium Isomer Production Panel (HIPP) was created in 2003 to assess means of mass-producing the isotope.^[20]

Technetium isomers 99m43Tc (with a half-life of 6.01 hours) and ^95m
₄₃Tc
(with a half-life of 61 days) are used in medical and industrial applications.

Nuclear batteries

Nuclear decay pathways for the conversion of lutetium-177^m to hafnium-177

Nuclear batteries use small amounts (milligrams and microcuries) of radioisotopes with high energy densities. In one betavoltaic device design, radioactive material sits atop a device with adjacent layers of P-type and N-type silicon. Ionizing radiation directly penetrates the junction and creates electron–hole pairs. Nuclear isomers could replace other isotopes, and with further development, it may be possible to turn them on and off by triggering decay as needed. Current candidates for such use include 108Ag, 166Ho, 177Lu, and 242Am. As of 2004, the only successfully triggered isomer was 180mTa, which required more photon energy to trigger than was released.^[21]

An isotope such as ¹⁷⁷Lu releases gamma rays by decay through a series of internal energy levels within the nucleus, and it is thought that by learning the triggering cross sections with sufficient accuracy, it may be possible to create energy stores that are 10⁶ times more concentrated than high explosive or other traditional chemical energy storage.^[21]

Decay processes

An isomeric transition (IT) is the decay of a nuclear isomer to a lower-energy nuclear state. The actual process has two types (modes):^[22][23]

• γ (gamma) emission (emission of a high-energy photon),
• internal conversion (the energy is used to eject one of the atom's electrons).

Isomers may decay into other elements, though the rate of decay may differ between isomers. For example, ^177mLu can beta-decay to ¹⁷⁷Hf with a half-life of 160.4 d, or it can undergo isomeric transition to ¹⁷⁷Lu with a half-life of 160.4 d, which then beta-decays to ¹⁷⁷Hf with a half-life of 6.68 d.^[21]

The emission of a gamma ray from an excited nuclear state allows the nucleus to lose energy and reach a lower-energy state, sometimes its ground state. In certain cases, the excited nuclear state following a nuclear reaction or other type of radioactive decay can become a metastable nuclear excited state. Some nuclei are able to stay in this metastable excited state for minutes, hours, days, or occasionally far longer.

The process^[which?] of isomeric transition is similar to gamma emission from any excited nuclear state, but differs by involving excited metastable states of nuclei with longer half-lives. As with other excited states, the nucleus can be left in an isomeric state following the emission of an alpha particle, beta particle, or some other type of particle.

The gamma ray may transfer its energy directly to one of the most tightly bound electrons, causing that electron to be ejected from the atom, a process termed the photoelectric effect. This should not be confused with the internal conversion process, in which no gamma-ray photon is produced as an intermediate particle.

See also

• Induced gamma emission
• Isomeric shift

References

1. Walker, Philip M.; Carroll, James J. (2007). "Nuclear Isomers: Recipes from the Past and Ingredients for the Future" (PDF). Nuclear Physics News. 17 (2): 11–15. doi:10.1080/10506890701404206.
2. Hahn, Otto (1921). "Über ein neues radioaktives Zerfallsprodukt im Uran". Die Naturwissenschaften. 9 (5): 84. Bibcode:1921NW......9...84H. doi:10.1007/BF01491321.
3. C. B. Collins; et al. (1988). "Depopulation of the isomeric state 180Tam by the reaction 180Tam(γ,γ′)180Ta" (PDF). Physical Review C. 37 (5): 2267–2269. Bibcode:1988PhRvC..37.2267C. doi:10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID 9954706. Archived from the original (PDF) on 21 January 2019.
4. D. Belic; et al. (1999). "Photoactivation of ¹⁸⁰Ta^m and Its Implications for the Nucleosynthesis of Nature's Rarest Naturally Occurring Isotope". Physical Review Letters. 83 (25): 5242–5245. Bibcode:1999PhRvL..83.5242B. doi:10.1103/PhysRevLett.83.5242.
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7. Shaw, R. W.; Young, J. P.; Cooper, S. P.; Webb, O. F. (8 February 1999). "Spontaneous Ultraviolet Emission from 233Uranium/229Thorium Samples". Physical Review Letters. 82 (6): 1109–1111. Bibcode:1999PhRvL..82.1109S. doi:10.1103/PhysRevLett.82.1109.
8. Utter, S.B.; et al. (1999). "Reexamination of the Optical Gamma Ray Decay in 229Th". Phys. Rev. Lett. 82 (3): 505–508. Bibcode:1999PhRvL..82..505U. doi:10.1103/PhysRevLett.82.505.
9. von der Wense, Lars; Seiferle, Benedict; Laatiaoui, Mustapha; Neumayr, Jürgen B.; Maier, Hans-Jörg; Wirth, Hans-Friedrich; Mokry, Christoph; Runke, Jörg; Eberhardt, Klaus; Düllmann, Christoph E.; Trautmann, Norbert G.; Thirolf, Peter G. (5 May 2016). "Direct detection of the 229Th nuclear clock transition". Nature. 533 (7601): 47–51. arXiv:1710.11398. Bibcode:2016Natur.533...47V. doi:10.1038/nature17669. PMID 27147026.
10. "Results on 229mThorium published in "Nature"" (Press release). Ludwig Maximilian University of Munich. 6 May 2016. Archived from the original on 27 August 2016. Retrieved 1 August 2016.
11. Seiferle, B.; von der Wense, L.; Thirolf, P.G. (2017). "Lifetime measurement of the ²²⁹Th nuclear isomer". Phys. Rev. Lett. 118: 042501. arXiv:1801.05205. doi:10.1103/PhysRevLett.118.042501. PMID 28186791.
12. Thielking, J.; Okhapkin, M.V.; Przemyslaw, G.; Meier, D.M.; von der Wense, L.; Seiferle, B.; Düllmann, C.E.; Thirolf, P.G.; Peik, E. (2018). "Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer ^229mTh". Nature. 556 (7701): 321–325. arXiv:1709.05325. doi:10.1038/s41586-018-0011-8. PMID 29670266.
13. Peik, E.; Tamm, Chr. (15 January 2003). "Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in 229Th" (PDF). Europhysics Letters. 61 (2): 181–186. Bibcode:2003EL.....61..181P. doi:10.1209/epl/i2003-00210-x. Archived from the original (PDF) on 16 December 2013. Retrieved 12 September 2019.
14. Campbell, C.; Radnaev, A.G.; Kuzmich, A.; Dzuba, V.A.; Flambaum, V.V.; Derevianko, A. (2012). "A single ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place". Phys. Rev. Lett. 108 (12): 120802. arXiv:1110.2490. Bibcode:2012PhRvL.108l0802C. doi:10.1103/PhysRevLett.108.120802. PMID 22540568.
15. Leon van Dommelen, Quantum Mechanics for Engineers Archived 5 April 2014 at the Wayback Machine (Chapter 14).
16. David Hambling (16 August 2003). "Gamma-ray weapons". Reuters EurekAlert. New Scientist. Retrieved 12 December 2010.
17. Jeff Hecht (19 June 2006). "A perverse military strategy". New Scientist. Retrieved 12 December 2010.
18. Davidson, Seay. "Superbomb Ignites Science Dispute". Archived from the original on 10 May 2005.
19. S. Weinberger (28 March 2004). "Scary things come in small packages". Washington Post.
20. "Superbomb ignites science dispute". San Francisco Chronicle. 28 September 2003. Archived from the original on 15 June 2012.
21. M. S. Litz & G. Merkel (December 2004). "Controlled extraction of energy from nuclear isomers" (PDF).
22. Darling, David. "isomeric transition". Encyclopedia of Science. Retrieved 16 August 2019.
23. Gardiner, Steven (12 August 2017). "How to read nuclear decay schemes from the WWW Table of Radioactive Isotopes" (PDF). University of California. Retrieved 16 August 2019.

External links

• Research group which presented initial claims of hafnium nuclear isomer de-excitation control. – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
• JASON Defense Advisory Group report on high energy nuclear materials mentioned in the Washington Post story above
• Bertram Schwarzschild (May 2004). "Conflicting Results on a Long-Lived Nuclear Isomer of Hafnium Have Wider Implications". Physics Today. 57 (5): 21–24. Bibcode:2004PhT....57e..21S. doi:10.1063/1.1768663. login required?
• Confidence for Hafnium Isomer Triggering in 2006. – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.
• Reprints of articles about nuclear isomers in peer reviewed journals. – The Center for Quantum Electronics, The University of Texas at Dallas.