Un isómero nuclear es un estado metaestable de un núcleo atómico , en el que uno o más nucleones (protones o neutrones) ocupan niveles de estado excitado (mayor energía). "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 se desintegran con una vida media "rápida" (normalmente del orden de 10 −12 segundos). El término "metaestable" suele restringirse a isómeros con vidas medias de 10 −9 segundos o más. Algunas referencias recomiendan 5 × 10 −9 segundos para distinguir la vida media metaestable de la vida media de emisión gamma "rápida" normal . [1] Ocasionalmente, las vidas medias son mucho más largas que esto y pueden durar minutos, horas o años. Por ejemplo, el180 m
73Ejército de reserva
El isómero nuclear sobrevive tanto tiempo (al menos 10-15 años ) que nunca se ha observado que se descomponga espontáneamente. La vida media de un isómero nuclear puede incluso superar la del estado fundamental del mismo nucleido, como lo demuestra180 m
73Ejército de reserva
así como186 m
75Re
,192m2
77Ir
,210 m
83Bi
,212 m
84Correos
,242 m
95Soy
y múltiples isómeros de holmio .
A veces, la desintegración gamma desde 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 vida larga del isómero nuclear original metaestable. Las vidas más largas de los estados metaestables de los isómeros nucleares se deben a menudo al mayor grado de cambio de espín nuclear que debe participar en su emisión gamma para alcanzar el estado fundamental. Este alto cambio de espín hace que estas desintegraciones sean transiciones prohibidas y se retrasen. Los retrasos en la emisión son causados por una energía de desintegración disponible baja o alta.
El primer isómero nuclear y sistema hijo de desintegración (uranio X 2 /uranio Z, ahora conocido como234 m
91Pensilvania
/234
91Pensilvania
) fue descubierto por Otto Hahn en 1921. [2]
El núcleo de un isómero nuclear ocupa un estado de mayor energía que el núcleo no excitado que existe 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 los estados atómicos excitados se desintegran, se libera energía por fluorescencia . 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 de 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, 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 excitados nucleares se desintegran por emisión de rayos gamma . Por ejemplo, un isómero nuclear bien conocido que se utiliza en varios procedimientos médicos es99 m
43Tc
, que se desintegra con una vida media de aproximadamente 6 horas emitiendo un rayo gamma de 140 keV de energía; esta energía es cercana a la de los rayos X de diagnóstico médico.
Los isómeros nucleares tienen vidas medias largas porque su desintegración gamma está "prohibida" debido al gran cambio en el espín nuclear necesario para emitir un rayo gamma. Por ejemplo,180 m
73Ejército de reserva
tiene un espín de 9 y debe desintegrarse en gamma para180
73Ejército de reserva
con un giro de 1. De manera similar,99 m
43Tc
tiene un giro de 1/2 y debe desintegrarse en gamma para99
43Tc
con un giro de 9/2.
Aunque 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 la 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 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 aún más modos de desintegración.
Después de la fisión, varios de los fragmentos de fisión que pueden producirse tienen un estado isomérico metaestable. Estos fragmentos se producen generalmente 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 la llamada razón de rendimiento isomérico . [3]
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 como un isómero de espín 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 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 se designan generalmente con una "m". Esta designación se coloca después del número de masa del átomo; por ejemplo, el cobalto-58m1 se abrevia58 m1
27Co
, donde 27 es el número atómico del cobalto. Para los isótopos con más de un isómero metaestable, se colocan "índices" después de la designación y la etiqueta 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 (por ejemplo, hafnio-178m2 o178m2
72alta frecuencia
).
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 más bien 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 lugar a estados mecánico-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 o bien se desexcitan al estado fundamental mucho más lentamente que un estado excitado "habitual", o bien experimentan una fisión espontánea con vidas medias del orden de nanosegundos o microsegundos , un tiempo muy corto, pero muchos órdenes de magnitud más largo que la vida media de un estado excitado nuclear 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 o240 y
94Pu
.
La mayoría de los estados nucleares excitados son muy inestables e irradian "inmediatamente" la energía sobrante después de existir en el orden de 10 −12 segundos. Como resultado, la caracterización de "isómero nuclear" se aplica generalmente sólo a configuraciones con vidas medias de 10 −9 segundos o más. La mecánica cuántica predice que ciertas especies atómicas deberían poseer isómeros con vidas medias 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 se pueden producir y observar en grandes cantidades.
El isómero nuclear más estable que se encuentra en la naturaleza es180 m
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 15 años, notablemente más larga que la edad del universo . La baja energía de excitación del estado isomérico provoca tanto la desexcitación gamma como la180
Ejército de reserva
estado fundamental (que es radiactivo por desintegración beta, con una vida media de sólo 8 horas) y captura directa de electrones al hafnio o desintegración beta al tungsteno para ser suprimido debido a desajustes de espín. El origen de este isómero es misterioso, aunque se cree que se formó en supernovas (como la mayoría de los demás elementos pesados). Si se relajara a su estado fundamental, liberaría un fotón con una energía fotónica de 75 keV .
En 1988, CB Collins [4] informó por primera vez que, teóricamente,180 metros
Ejército de reserva
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 de180 metros
Ejército de reserva
En 1999, Belic y sus colaboradores del grupo de física nuclear de Stuttgart observaron un fenómeno conocido como fotoexcitación resonante de niveles intermedios altos de este núcleo ( E ≈ 1 MeV). [5]
178m2
72alta frecuencia
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 media comparable. Un gramo de178m2
alta frecuencia
contiene aproximadamente 1,33 gigajulios de energía, el equivalente a la explosión de unos 315 kg (700 lb) de TNT . En la descomposición natural de178m2
alta frecuencia
, la energía se libera en forma de rayos gamma con una energía total de 2,45 MeV. Al igual que con180 metros
Ejército de reserva
Hay informes controvertidos de que178m2
alta frecuencia
puede ser estimulada 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, de modo que178m2
alta frecuencia
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] [6]
Isómero nuclear del holmio166 m1
67Hola
tiene una vida media de 1.200 años, que es casi la vida media más larga de cualquier radionúclido de holmio.163
Hola
, con una vida media de 4.570 años, es más estable.
229
90El
tiene un isómero metaestable de nivel notablemente bajo solamente8.355 733 554 021 (8) eV por encima del estado fundamental. [7] [8] [9] Esta baja energía produce "rayos gamma" a una longitud de onda de148,382 182 8827 (15) nm , en el ultravioleta lejano , lo que permite la espectroscopia láser nuclear directa . Sin embargo, dicha espectroscopia ultraprecisa no podría comenzar sin una estimación inicial suficientemente precisa de la longitud de onda, algo que solo se logró en 2024 después de dos décadas de esfuerzo. [10] [11] [12] [13] [14] La energía es tan baja que el estado de ionización del átomo afecta su vida media. Neutro229 m
90El
se desintegra por conversión interna con una vida media de7 ± 1 μs , pero debido a que la energía isomérica es menor que la segunda energía de ionización del torio11,5 eV , este canal está prohibido en cationes de torio y229 m
90El+
se desintegra por emisión gamma con una vida media de1740 ± 50 s . [7] Esta vida útil convenientemente moderada permite el desarrollo de un reloj nuclear de precisión sin precedentes. [15] [16] [9]
El mecanismo más común para la supresión de la desintegración gamma de los núcleos excitados, y por tanto la existencia de un isómero metaestable, es la falta de una ruta de desintegración para el estado excitado que cambie el momento angular nuclear a lo largo de cualquier dirección dada por la cantidad más común de 1 unidad cuántica ħ en el momento angular del espín . 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 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 el rayo gamma emitido debe llevar inhibe la tasa de desintegración en aproximadamente 5 órdenes de magnitud. [17] El cambio de espín más alto conocido de 8 unidades ocurre en la desintegración de 180m Ta, que suprime su desintegración por 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, y por lo tanto aún no se ha observado su desintegración.
La emisión gamma es imposible cuando el núcleo comienza en un estado de espín cero, ya que dicha emisión no conservaría el momento angular. [ cita requerida ]
Los isómeros de hafnio [18] [19] (principalmente 178m2 Hf) han sido considerados como armas que podrían usarse para eludir el Tratado de No Proliferación Nuclear , ya que se afirma que se los puede inducir a emitir una radiación gamma muy fuerte . Esta afirmación generalmente se descarta. [20] DARPA tenía un programa para investigar este uso de ambos isómeros nucleares. [21] El potencial para desencadenar una liberación abrupta de energía de los isótopos nucleares, un prerrequisito para su uso en tales armas, es discutido. No obstante, en 2003 se creó un Panel de Producción de Isómeros de Hafnio (HIPP) de 12 miembros para evaluar los medios de producción masiva del isótopo. [22]
Isómeros de tecnecio99 m
43Tc
(con una vida media de 6,01 horas) y95 m
43Tc
(con una vida media de 61 días) se utilizan en aplicaciones médicas e industriales .
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 de 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, puede ser 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 . En 2004, el único isómero activado con éxito fue 180m Ta , que requirió más energía de fotones para activarse de la que se liberó. [23]
Un isótopo como el 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 eficaces desencadenantes con suficiente precisión, puede ser posible crear depósitos de energía que sean 10 6 veces más concentrados que los explosivos de alto poder u otros depósitos de energía química tradicionales. [23]
Una transición isomérica o transición interna (TI) es la desintegración de un isómero nuclear a un estado nuclear de menor energía. El proceso real tiene dos tipos (modos): [24] [25]
Los isómeros pueden desintegrarse en otros elementos, aunque la velocidad de desintegración puede variar entre isómeros. Por ejemplo, el 177m Lu puede desintegrarse en fase beta en 177 Hf con una vida media de 160,4 días, o puede experimentar una transición isomérica a 177 Lu con una vida media de 160,4 días, que luego se desintegra en fase beta en 177 Hf con una vida media de 6,68 días. [23]
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 excitado metaestable durante minutos, horas, días o, en ocasiones, durante mucho más tiempo.
El proceso de transición isomérica es similar a la emisión gamma de cualquier estado nuclear excitado, pero se diferencia 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 fuertemente ligados , 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.
La frecuencia de transición entre el
estado fundamental
I
= 5/2 y el estado excitado
I
= 3/2
se determina como:
𝜈
Th
=
1/6 ( 𝜈 a + 2 𝜈 b + 2 𝜈 c + 𝜈 d ) =2 020 407 384 335 (2) kHz .
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