Isómero nuclear

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 un "prompt" vida media (normalmente del orden de 10⁻¹² segundos). El término "metaestable" generalmente se limita a isómeros con vidas medias de 10⁻⁹ segundos o más. Algunas referencias recomiendan 5 × 10⁻⁹ segundos para distinguir la vida media metaestable del "indicador" vida media de emisión gamma. Ocasionalmente, las vidas medias son mucho más largas que esto y pueden durar minutos, horas o años. Por ejemplo, el isómero nuclear 180m73Ta sobrevive tanto tiempo (al menos 10¹⁵ años) que nunca se ha observado que se desintegre espontáneamente. La vida media de un isómero nuclear puede incluso exceder la del estado fundamental del mismo nucleido, como se muestra en ^180m
₇₃Ta
así como 192m277Ir, 210m83Bi, 242m95Am y múltiples isómeros de holmio.

A veces, la desintegración gamma desde un estado metaestable se denomina transición isomérica, pero este proceso generalmente se asemeja a desintegraciones gamma de vida más corta en todos los aspectos externos, con la excepción de la naturaleza de vida prolongada del isómero nuclear padre metaestable.. La vida más larga de los isómeros nucleares' Los estados metaestables 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 espín hace que estos decaimientos sean transiciones prohibidas y retrasadas. Los retrasos en la emisión son causados por una energía de desintegración disponible alta o baja.

El primer isómero nuclear y sistema hijo de descomposición (uranio X₂/uranio Z, ahora conocido como ^234m
₉₁Pa
/23491Pa) fue descubierto por Otto Hahn en 1921.

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 de un núcleo ocupan un orbital nuclear de mayor energía que un orbital nuclear disponible. Estos estados son análogos a los estados excitados de los electrones en los átomos.

Cuando decaen los estados atómicos excitados, la fluorescencia libera energía. En las transiciones electrónicas, este proceso suele implicar 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 suele estar en el rango de unas pocas a unas pocas decenas de eV por enlace. Sin embargo, un tipo mucho más fuerte de energía de enlace, la energía de enlace nuclear, está involucrada en los procesos nucleares. Debido a esto, la mayoría de los estados nucleares excitados decaen por emisión de rayos gamma. Por ejemplo, un isómero nuclear muy conocido que se utiliza en diversos procedimientos médicos es el 99m43Tc, que se desintegra con una vida media de unas 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" del gran cambio en el espín nuclear necesario para emitir un rayo gamma. Por ejemplo, ^180m
₇₃Ta
tiene un giro de 9 y debe decaer gamma a ¹⁸⁰
₇₃Ta
con un giro de 1. Del mismo modo, ^{99 m}
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 mediante la emisión de rayos gamma, también pueden desintegrarse mediante 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 energética, se conocen incluso más modos de decaimiento.

Después de la fisión, varios de los fragmentos de fisión que pueden producirse tienen un estado isomérico metaestable. Estos fragmentos generalmente se producen en un estado altamente excitado, en términos de energía y momento angular, y pasan por una rápida desexcitación. Al final de este proceso, los núcleos pueden poblar tanto el estado fundamental como el isomérico. Si la vida media de los isómeros es lo suficientemente larga, es posible medir su tasa de producción y compararla con la del estado fundamental, calculando el llamado índice de rendimiento isomérico.

Isómeros metaestables

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 por completo con rapidez hasta el estado fundamental nuclear. Esto suele ocurrir cuando la formación de un estado excitado intermedio tiene un espín muy diferente al del estado fundamental. La emisión de rayos gamma se ve obstaculizada si el espín del estado posterior a la emisión difiere mucho del estado emisor, 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 la del estado metaestable.

Los isómeros metaestables de un isótopo en particular generalmente se designan con una "m". Esta designación se coloca después del número de masa del átomo; por ejemplo, cobalt-58m1 se abrevia ^{58 m1}
₂₇Co
, donde 27 es el número atómico del cobalto. Para 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. Los índices crecientes, m1, m2, etc., se correlacionan con niveles crecientes de energía de excitación almacenada en cada uno de los estados isoméricos (p. ej., hafnio-178m2 o ^178m2
₇₂Hf
).

Un tipo diferente de estado nuclear metaestable (isómero) es el isómero de fisión o 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 de rugby. Esta geometría puede dar como resultado estados mecánicos cuánticos en los que la distribución de protones y neutrones está mucho más alejada de la geometría esférica que la desexcitación al estado fundamental nuclear se ve fuertemente obstaculizada. En general, estos estados desexcitan al estado fundamental mucho más lentamente que un estado "habitual" estado excitado, o experimentan una fisión espontánea con vidas 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 excitado nuclear más habitual. Los isómeros de fisión se pueden indicar con una posdata o un superíndice "f" en lugar de "m", de modo que un isómero de fisión, p. de plutonio-240, se puede indicar como plutonio-240f o ^240f
₉₄Pu
.

Isómeros casi estables

La mayoría de los estados nucleares excitados son muy inestables y "inmediatamente" irradiar la energía adicional 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 10⁻⁹ segundos o más. La mecánica cuántica predice que ciertas especies atómicas deberían poseer isómeros con vidas inusualmente largas incluso según 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 180m73Ta, que está presente en todas las muestras de tantalio en aproximadamente 1 parte en 8300. Su vida media es de al menos 10¹⁵ años, notablemente más larga que la edad del universo. La baja energía de excitación del estado isomérico provoca tanto la desexcitación gamma como el ¹⁸⁰
Ta
estado fundamental (que en sí mismo es radiactivo por desintegración beta, con una vida media de solo 8 horas) y desintegración beta directa a hafnio o tungsteno para suprimirse 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 demás elementos pesados). Si se relajara hasta su estado fundamental, liberaría un fotón con una energía fotónica de 75 keV.

C. B. Collins informó por primera vez en 1988 que teóricamente ^180m
Ta
puede verse obligado a liberar su energía mediante rayos X más débiles, aunque en ese momento nunca se había observado este mecanismo de desexcitación. Sin embargo, la desexcitación de ^{180 m}
Ta
por resonancia La fotoexcitación de niveles intermedios altos de este núcleo (E ~ 1 MeV) fue observada en 1999 por Belic y colaboradores en el grupo de física nuclear de Stuttgart.

178m272Hf es otro isómero nuclear razonablemente estable. Posee una vida media de 31 años y la energía de excitación más alta de cualquier isómero de vida larga comparable. Un gramo de ^178m2
Hf
contiene aproximadamente 1,33 gigajulios de energía, el equivalente a la explosión de unos 315 kg (694 lb) de TNT. En el deterioro natural de ^178m2
Hf
, la energía es liberados como rayos gamma con una energía total de 2,45 MeV. Al igual que con ^180m
Ta
, hay informes cuestionados 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.

El isómero nuclear de holmio 166m167Ho tiene una vida media de 1200 años, que es casi la vida media más larga de cualquier radionúclido de holmio. Solo ¹⁶³
Ho
, con una vida media de 4570 años, es más estable.

22990Th tiene un isómero metaestable notablemente bajo, estimado en solo 8,28 ± 0,17 eV por encima del estado fundamental. Después de años de fallas y una falsa alarma notable, este decaimiento se observó directamente en 2016, en función de su decaimiento de conversión interna. Esta detección directa permitió una primera medición de la vida útil del isómero bajo el decaimiento de conversión interna, la determinación del dipolo magnético del isómero y el momento cuadripolar eléctrico a través de la espectroscopia de la carcasa electrónica y una medición mejorada de la excitación. energía. 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.

Supresión de decaimiento de alto giro

El mecanismo más común para la supresión de la desintegración gamma de los 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 unidad cuántica ħ en el momento angular de espín. Este cambio es necesario para emitir un fotón gamma, que tiene un giro de 1 unidad en este sistema. Son posibles cambios integrales de 2 y 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 espín mayor que 1 que debe transportar el rayo gamma emitido inhibe la tasa de decaimiento en aproximadamente 5 órdenes de magnitud. El mayor cambio de espín conocido de 8 unidades se produce en el decaimiento de ^180mTa, que suprime su decaimiento por un factor de 10³⁵ del asociado con 1 unidad. En lugar de una vida media de descomposición gamma natural de 10⁻¹² segundos, tiene una vida media de más de 10²³ segundos, o al menos 3 × 10¹⁵ años y, por lo tanto, aún no se ha observado que se descomponga.

La emisión gamma es imposible cuando el núcleo comienza en un estado de espín cero, ya que tal emisión no conservaría el momento angular.

Aplicaciones

Los isómeros de hafnio (principalmente ^178m2Hf) se han considerado como armas que podrían usarse para eludir el Tratado de No Proliferación Nuclear, ya que se afirma que pueden ser inducidos a emitir radiación gamma muy fuerte.. Esta afirmación generalmente se descuenta. DARPA tenía un programa para investigar este uso de ambos isómeros nucleares. Se cuestiona el potencial de 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 para producir en masa el isótopo.

Isómeros de tecnecio 99m43Tc (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 lutetium-177^m to hafnium-177

Las baterías nucleares utilizan pequeñas cantidades (miligramos y microcurios) de radioisótopos con altas densidades de energía. En un diseño de dispositivo betavoltaico, el material radiactivo se asienta sobre un dispositivo con capas adyacentes de silicio tipo P y tipo N. La radiación ionizante penetra directamente en la unión y crea pares electrón-hueco. Los isómeros nucleares podrían reemplazar a otros isótopos y, con un mayor desarrollo, es posible activarlos y desactivarlos desencadenando la descomposición según sea necesario. Los candidatos actuales para tal uso incluyen 108Ag, 166Ho, 177Lu y 242Am. A partir de 2004, el único isómero activado con éxito fue 180mTa, que requirió más energía fotónica para activarse de la que se liberó.

Un isótopo como el ¹⁷⁷Lu libera rayos gamma por descomposición 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 10⁶ veces más concentradas que el almacenamiento de energía de alto explosivo u otro químico tradicional.

Procesos de descomposición

Una transición isomérica o transición interna (IT) es la descomposición de un isómero nuclear a un estado nuclear de menor energía. El proceso real tiene dos tipos (modos):

• γ (raya gamma) emisión (emisión de un foton 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 tasa de desintegración puede diferir entre los isómeros. Por ejemplo, ^177mLu puede decaer en beta a ¹⁷⁷Hf con una vida media de 160,4 d, o puede sufrir una transición isomérica a ¹⁷⁷ Lu con una vida media de 160,4 d, que luego se desintegra en beta a ¹⁷⁷Hf con una vida media de 6,68 d.

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 excitado nuclear metaestable. Algunos núcleos pueden permanecer en este estado excitado metaestable durante minutos, horas, días o, en ocasiones, mucho más tiempo.

El proceso de transición isomérica es similar a la emisión gamma de cualquier estado nuclear excitado, pero difiere en que involucra estados metaestables excitados de núcleos con vidas medias más largas. Al igual que con otros estados excitados, el núcleo puede quedar 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, lo que hace 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.