Isómero nuclear

Estado excitado metaestable de un nucleido

Física nuclear
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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
al igual que 210m 83Bi, 242m 95Soyy múltiples isómeros de holmio .

A veces, la desintegración gamma de un estado metaestable se denomina transición isomérica, pero este proceso se asemeja típicamente 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 a 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 prolados , 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 se pueden denotar 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
por fotoexcitación resonante de niveles intermedios altos de este núcleo ( E  ~ 1 MeV) fue encontrado en 1999 por Belic y sus colaboradores en el grupo de física nuclear de Stuttgart. ^[4]

178m2 72Hfes otro isómero nuclear razonablemente estable. Posee una vida media de 31 años y la energía de excitación más alta de cualquier isómero de vida relativamente larga. Un gramo de puro^178m2
Hf
contiene aproximadamente 1,33 gigajulios de energía, el equivalente a explotar alrededor de 315 kg (694 lb) de TNT . En la decadencia natural de^178m2
Hf
, la energía se libera en forma de rayos gamma con una energía total de 2,45 MeV. Al igual que con^{El 180m}
Ejército de reserva
, hay informes controvertidos que ^178m2
Hf
puede ser estimulado para que libere su energía. Debido a esto, la sustancia se está estudiando como una posible fuente de láseres de rayos gamma . Estos informes indican que la energía se libera muy rápidamente, por lo que^178m2
Hf
puede producir potencias extremadamente altas (del orden de exavatios ). También se han investigado otros isómeros como posibles medios para la emisión estimulada por rayos gamma . ^{[1] [5]}

Isómero nuclear del holmio166m1 67Hotiene una vida media de 1200 años, que es casi la vida media más larga de cualquier radionúclido de holmio. Solamente¹⁶³
Ho
, con una vida media de 4.570 años, es más estable.

229 90Thtiene un isómero metaestable notablemente bajo, estimado en solo 8,28 ± 0,17 eV por encima del estado fundamental. ^[6] Después de años de fallas y una falsa alarma notable, ^{[7] [8]} este deterioro se observó directamente en 2016, basado en su deterioro de conversión interna . ^{[9] [10]} Esta detección directa permitió una primera medición de la vida útil del isómero bajo la desintegración de conversión interna, ^[11] la determinación del momento dipolar magnético y cuadrupolo eléctrico del isómero mediante espectroscopía de la carcasa electrónica ^[12] y una mejora medición de la energía de excitación. ^[6]Debido a su baja energía, se espera que el isómero permita la espectroscopia láser nuclear directa y el desarrollo de un reloj nuclear de una precisión sin precedentes. ^{[13] [14]}

Supresión de decaimiento de alto giro

El mecanismo más común para la supresión de la desintegración gamma de núcleos excitados, y por lo tanto la existencia de un isómero metaestable, es la falta de una ruta de desintegración para el estado excitado que cambiará el momento angular nuclear a lo largo de cualquier dirección dada en la cantidad más común de 1 cuanto. unidad ħ en el momento angular de giro . Este cambio es necesario para emitir un fotón gamma, que tiene un espín de 1 unidad en este sistema. Son posibles cambios integrales de 2 o más unidades en el momento angular, pero los fotones emitidos se llevan el momento angular adicional. Los cambios de más de 1 unidad se conocen como transiciones prohibidas . Cada unidad adicional de cambio de giro mayor que 1 que debe transportar el rayo gamma emitido inhibe la tasa de desintegración en aproximadamente 5 órdenes de magnitud. ^[15]El cambio de espín más alto conocido de 8 unidades ocurre en la desintegración de ^180m Ta, que suprime su desintegración en un factor de 10 ³⁵ del asociado con 1 unidad. En lugar de una vida media de desintegración gamma natural de ^10-12 segundos, tiene una vida media de más de 10 ²³ segundos, o al menos 3 × 10 ¹⁵ años, por lo que aún no se ha observado que se desintegra.

La emisión gamma es imposible cuando el núcleo comienza en un estado de giro cero, ya que tal emisión no conservaría el momento angular. ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones

Los isómeros de hafnio ^{[16] [17]} (principalmente ^178m2 Hf) se han considerado armas que podrían usarse para eludir el Tratado de No Proliferación Nuclear , ya que se afirma que pueden inducirse a emitir radiación gamma muy fuerte . Este reclamo generalmente se descuenta. ^[18] DARPA tenía un programa para investigar este uso de ambos isómeros nucleares. ^[19] Se discute el potencial para desencadenar una liberación abrupta de energía de los isótopos nucleares, un requisito previo para su uso en tales armas. No obstante, en 2003 se creó un Panel de producción de isómeros de hafnio (HIPP) de 12 miembros para evaluar los medios de producción en masa del isótopo. ^[20]

Isómeros de tecnecio99m 43Tc (con una vida media de 6,01 horas) y ^95m
₄₃Tc
(con una vida media de 61 días) se utilizan en aplicaciones médicas e industriales .

Baterías nucleares

Vías de desintegración nuclear para la conversión de lutecio-177 ^m en hafnio-177

Las baterías nucleares utilizan pequeñas cantidades (miligramos y microcurios ) de radioisótopos con altas densidades de energía. En un diseño dispositivo betavoltaica, el material radioactivo se sienta encima de un dispositivo con las capas adyacentes de tipo P y tipo N de silicio . La radiación ionizante penetra directamente en la unión y crea pares de electrones y huecos . Los isómeros nucleares podrían reemplazar a otros isótopos y, con un mayor desarrollo, es posible activarlos y desactivarlos desencadenando la desintegración según sea necesario. Los candidatos actuales para tal uso incluyen 108 Ag , 166 Ho , 177 Lu y 242 Am. A partir de 2004, el único isómero activado con éxito fue 180m Ta , que requirió más energía fotónica para activarse de la que se liberó. ^[21]

Un isótopo como ¹⁷⁷ Lu libera rayos gamma por desintegración a través de una serie de niveles de energía internos dentro del núcleo, y se cree que al aprender las secciones transversales de activación con suficiente precisión, puede ser posible crear reservas de energía que son 10 ⁶ veces mayores. más concentrado que el almacenamiento de energía de alto explosivo u otros productos químicos tradicionales. ^[21]

Procesos de descomposición

Una transición isomérica (IT) es la desintegración de un isómero nuclear a un estado nuclear de menor energía. El proceso real tiene dos tipos (modos): ^{[22] [23]}

• emisión γ (gamma) (emisión de un fotón de alta energía),
• conversión interna (la energía se utiliza para expulsar uno de los electrones del átomo).

Los isómeros pueden descomponerse en otros elementos, aunque la velocidad de descomposición puede diferir entre los isómeros. Por ejemplo, ^177m Lu puede desintegrarse beta a ¹⁷⁷ Hf con una vida media de 160,4 d, o puede experimentar una transición isomérica a ¹⁷⁷ Lu con una vida media de 160,4 d, que luego se desintegra beta a ¹⁷⁷ Hf con la mitad -vida de 6.68 d. ^[21]

La emisión de un rayo gamma desde un estado nuclear excitado permite que el núcleo pierda energía y alcance un estado de menor energía, a veces su estado fundamental . En ciertos casos, el estado nuclear excitado que sigue a una reacción nuclear u otro tipo de desintegración radiactiva puede convertirse en un estado nuclear excitado metaestable . Algunos núcleos pueden permanecer en este estado de excitación metaestable durante minutos, horas, días o, en ocasiones, mucho más tiempo.

El proceso ^{[ ¿cuál? ]} de transición isomérica es similar a la emisión de rayos gamma de cualquier estado nuclear excitado, pero difiere al involucrar estados metaestables excitados de núcleos con vidas medias más largas. Al igual que con otros estados excitados, el núcleo se puede dejar en un estado isomérico después de la emisión de una partícula alfa , una partícula beta o algún otro tipo de partícula.

El rayo gamma puede transferir su energía directamente a uno de los electrones más unidos , provocando que ese electrón sea expulsado del átomo, un proceso denominado efecto fotoeléctrico . Esto no debe confundirse con el proceso de conversión interna , en el que no se produce ningún fotón de rayos gamma como partícula intermedia.

Ver también

• Emisión gamma inducida
• Desplazamiento isomérico

Referencias

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3. CB Collins; et al. (1988). "Despoblación del estado isomérico 180 Ta m por la reacción 180 Ta m (γ, γ ′) 180 Ta" (PDF) . Physical Review C . 37 (5): 2267–2269. Código Bibliográfico : 1988PhRvC..37.2267C . doi : 10.1103 / PhysRevC.37.2267 . PMID 9954706 . Archivado desde el original (PDF) el 21 de enero de 2019.  
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enlaces externos

• Grupo de investigación que presentó las reivindicaciones iniciales del control de la desexcitación del isómero nuclear de hafnio. - El Centro de Electrónica Cuántica de la Universidad de Texas en Dallas.
• Informe del Grupo Asesor de Defensa de JASON sobre materiales nucleares de alta energía mencionados en la historia del Washington Post anterior
• Bertram Schwarzschild (mayo de 2004). "Los resultados contradictorios sobre un isómero nuclear de larga vida del hafnio tienen implicaciones más amplias" . La física hoy . 57 (5): 21-24. Código Bibliográfico : 2004PhT .... 57e..21S . doi : 10.1063 / 1.1768663 . ¿Necesario iniciar sesión?
• Confianza para la activación de isómeros de hafnio en 2006. - Centro de Electrónica Cuántica, Universidad de Texas en Dallas.
• Reimpresiones de artículos sobre isómeros nucleares en revistas revisadas por pares. - El Centro de Electrónica Cuántica de la Universidad de Texas en Dallas.