Bombardeo de núcleos atómicos para emitir luz de longitud de onda muy corta
En física , la emisión gamma inducida ( EGI ) se refiere al proceso de emisión fluorescente de rayos gamma desde núcleos excitados, que generalmente involucra un isómero nuclear específico . Es análoga a la fluorescencia convencional , que se define como la emisión de un fotón (unidad de luz) por un electrón excitado en un átomo o molécula. En el caso de la EGI, los isómeros nucleares pueden almacenar cantidades significativas de energía de excitación durante tiempos lo suficientemente largos como para que sirvan como materiales fluorescentes nucleares. Hay más de 800 isómeros nucleares conocidos [1] pero casi todos son demasiado intrínsecamente radiactivos para ser considerados para aplicaciones. A partir de 2006, [actualizar]había dos isómeros nucleares propuestos [ cita requerida ] que parecían ser físicamente capaces de fluorescencia EGI en configuraciones seguras: tantalio-180m y hafnio-178m2 .
Historia
Energética de IGE a partir de 115 In. Las flechas son fotones, (arriba) absorción, (abajo) emisión. Las líneas horizontales representan estados excitados de In involucrados en IGE.
La emisión gamma inducida es un ejemplo de investigación interdisciplinaria que linda tanto con la física nuclear como con la electrónica cuántica. Vista como una reacción nuclear , pertenecería a una clase en la que solo los fotones estaban involucrados en la creación y destrucción de estados de excitación nuclear. Es una clase que generalmente se pasa por alto en las discusiones tradicionales. En 1939, Pontecorvo y Lazard [2] informaron el primer ejemplo de este tipo de reacción. El indio era el objetivo y en la terminología moderna que describe las reacciones nucleares se escribiría 115 In(γ,γ ' ) 115m In. El nucleido producto lleva una "m" para indicar que tiene una vida media lo suficientemente larga (4,5 h en este caso) como para calificar como un isómero nuclear . Eso es lo que hizo posible el experimento en 1939 porque los investigadores tenían horas para retirar los productos del entorno irradiador y luego estudiarlos en una ubicación más apropiada.
En el caso de los fotones proyectiles, el momento y la energía sólo se pueden conservar si el fotón incidente, de rayos X o gamma, tiene exactamente la energía correspondiente a la diferencia de energía entre el estado inicial del núcleo objetivo y algún estado excitado que no sea demasiado diferente en términos de propiedades cuánticas, como el espín. No hay comportamiento umbral y el proyectil incidente desaparece y su energía se transfiere a la excitación interna del núcleo objetivo. Se trata de un proceso resonante poco común en las reacciones nucleares , pero normal en la excitación de la fluorescencia a nivel atómico. Sólo en 1988 se demostró finalmente la naturaleza resonante de este tipo de reacción. [3] Estas reacciones resonantes se describen más fácilmente mediante las formalidades de la fluorescencia atómica y su posterior desarrollo se vio facilitado por un enfoque interdisciplinario de la IGE.
Hay poca diferencia conceptual en un experimento de IGE cuando el objetivo es un isómero nuclear . Una reacción como m X(γ,γ ' )X donde m X es uno de los cinco candidatos enumerados anteriormente, solo es diferente porque hay estados de energía más bajos para que el nucleido producto ingrese después de la reacción que los que había al comienzo. Las dificultades prácticas surgen de la necesidad de garantizar la seguridad de la desintegración radiactiva espontánea de los isómeros nucleares en cantidades suficientes para la experimentación. Las vidas medias deben ser lo suficientemente largas como para que las dosis de la desintegración espontánea de los objetivos siempre permanezcan dentro de límites seguros. En 1988, Collins y colaboradores [4] informaron la primera excitación de IGE a partir de un isómero nuclear. Excitaron la fluorescencia del isómero nuclear tantalio -180m con rayos X producidos por un acelerador lineal de radioterapia de haz externo . Los resultados fueron sorprendentes y se consideraron controvertidos hasta que se identificaron los estados resonantes excitados en el objetivo. [5]
Rasgos distintivos
Si un fotón incidente es absorbido por un estado inicial de un núcleo objetivo, dicho núcleo se elevará a un estado de excitación más energético. Si ese estado puede irradiar su energía solo durante una transición de regreso al estado inicial, el resultado es un proceso de dispersión como el que se ve en la figura esquemática. Ese no es un ejemplo de IGE.
Si un fotón incidente es absorbido por un estado inicial de un núcleo objetivo, dicho núcleo se elevará a un estado de excitación más energético. Si existe una probabilidad distinta de cero de que, en ocasiones, ese estado inicie una cascada de transiciones como la que se muestra en el esquema, ese estado se ha denominado "estado de entrada", "nivel de activación" o "estado intermedio". Se emiten uno o más fotones fluorescentes, a menudo con diferentes retrasos después de la absorción inicial, y el proceso es un ejemplo de IGE.
Si el estado inicial del núcleo objetivo es su estado fundamental (el de menor energía), los fotones fluorescentes tendrán menos energía que el fotón incidente (como se ve en la figura esquemática). Dado que el canal de dispersión suele ser el más fuerte, puede "cegar" a los instrumentos que se utilizan para detectar la fluorescencia, y los primeros experimentos preferían estudiar la IGE pulsando la fuente de fotones incidentes mientras los detectores estaban apagados y luego concentrándose en los fotones de fluorescencia retardados cuando los instrumentos podían volver a encenderse de forma segura.
Si el estado inicial del núcleo objetivo es un isómero nuclear (que comienza con más energía que el fundamental), también puede soportar IGE. Sin embargo, en ese caso, el diagrama esquemático no es simplemente el ejemplo visto para 115 In, sino que se lee de derecha a izquierda con las flechas giradas hacia el otro lado. Tal "inversión" requeriría la absorción simultánea (con una precisión de <0,25 ns) de dos fotones incidentes de energías diferentes para volver del isómero 4 h al "estado de entrada". Por lo general, el estudio de IGE desde un estado fundamental a un isómero del mismo núcleo enseña poco sobre cómo se comportaría el mismo isómero si se usara como estado inicial para IGE. Para soportar IGE, se tendría que encontrar una energía para un fotón incidente que "coincidiera" con la energía necesaria para alcanzar algún otro estado de entrada no mostrado en el esquema que pudiera lanzar su propia cascada hacia el estado fundamental.
Si el objetivo es un isómero nuclear que almacena una cantidad considerable de energía, la IGE podría producir una cascada que contenga una transición que emita un fotón con más energía que la del fotón incidente. Este sería el análogo nuclear de la conversión ascendente en la física láser .
Si el objetivo es un isómero nuclear que almacena una cantidad considerable de energía, la IGE podría producir una cascada a través de un par de estados excitados cuyas vidas medias están "invertidas", de modo que en una colección de tales núcleos, la población se acumularía en el nivel superior de vida más larga mientras se vaciaría rápidamente del miembro inferior de vida más corta del par. La inversión de población resultante podría sustentar alguna forma de emisión coherente análoga a la emisión espontánea amplificada (ASE) en la física láser . Si las dimensiones físicas de la colección de núcleos de isómeros objetivo fueran largas y delgadas, entonces podría resultar una forma de láser de rayos gamma .
Aplicaciones potenciales
Dosímetros específicos de energía
Dado que la IGE de los núcleos en estado fundamental requiere la absorción de energías de fotones muy específicas para producir fotones fluorescentes retardados que se cuentan fácilmente, existe la posibilidad de construir dosímetros de energía específica combinando varios nucleidos diferentes. Esto se demostró [6] para la calibración del espectro de radiación del simulador nuclear pulsado DNA-PITHON. Un dosímetro de este tipo podría ser útil en radioterapia , donde los rayos X pueden contener muchas energías. Dado que los fotones de diferentes energías depositan sus efectos a diferentes profundidades en el tejido que se está tratando, podría ayudar a calibrar qué cantidad de la dosis total se depositaría en el volumen objetivo real.
En febrero de 2003, la revista New Scientist, que no es revisada por pares, escribió sobre la posibilidad de un avión propulsado por IGE, una variante de la propulsión nuclear . [7] La idea era utilizar 178 m2 de Hf (presumiblemente debido a su alta relación energía-peso) que se activaría para liberar rayos gamma que calentarían el aire en una cámara para la propulsión a chorro. Esta fuente de energía se describe como un "reactor nucleónico cuántico", aunque no está claro si este nombre existe solo en referencia al artículo de New Scientist .
Armamento nuclear
En parte, es esta densidad teórica la que ha hecho que todo el campo de los IGE sea tan controvertido . Se ha sugerido que los materiales podrían estar construidos de modo que permitan que toda la energía almacenada se libere muy rápidamente en una "explosión". La posible liberación de energía de los rayos gamma por sí sola convertiría a los IGE en un potencial "explosivo" de alta potencia por sí solo, o en un posible arma radiológica .
Ignición de bomba de fusión
La densidad de los rayos gamma producidos en esta reacción sería lo suficientemente alta como para permitir su uso para comprimir el combustible de fusión de una bomba de fusión . Si resulta ser así, podría permitir la construcción de una bomba de fusión sin material fisionable en su interior (es decir, un arma de fusión pura ); es el control del material fisionable y los medios para fabricarlo lo que subyace a la mayoría de los intentos de detener la proliferación nuclear .
^ "Tabla de isótopos". Archivado desde el original el 5 de febrero de 2006. Consultado el 1 de septiembre de 2006 .
^ B. Pontecorvo; A. Lazard (1939). "Isomérie nucléaire produite par les rayons X du specter continu". CR Acad. Ciencia . 208 (2): 99-101. Archivado desde el original el 18 de abril de 2023 . Consultado el 29 de enero de 2021 .
^ CB Collins; JA Anderson; Y. Paiss; CD Eberhard; RJ Peterson; WL Hodge (1988). "Activación de 115 In m por pulsos individuales de radiación de frenado intensa". Phys. Rev. C . 38 (4): 1852–1856. Bibcode :1988PhRvC..38.1852C. doi :10.1103/PhysRevC.38.1852. PMID 9954995.
^ CB Collins; CD Eberhard; JW Glesener; JA Anderson (1988). "Despoblación del estado isomérico 180 Ta m por la reacción 180 Ta m (γ,γ′) 180 Ta". Phys. Rev. C . 37 (5): 2267–2269. Bibcode :1988PhRvC..37.2267C. doi :10.1103/PhysRevC.37.2267. PMID 9954706.
^ CB Collins; JJ Carroll; TW Sinor; MJ Byrd; DG Richmond; KN Taylor; M. Huber; N. Huxel; P. v. Neumann-Cosle; A. Richter; C. Spieler; W. Ziegler (1990). "Excitación resonante de la reacción 180 Ta m (γ,γ') 180 Ta". Phys. Rev. C . 42 (5): 1813–1816. Código Bibliográfico :1990PhRvC..42.1813C. doi :10.1103/PhysRevC.42.R1813. PMID 9966920.
^ JA Anderson; CB Collins (1988). "Calibración de espectros de rayos X pulsados". Rev Sci Instrum . 59 (3): 414. Bibcode :1988RScI...59..414A. doi :10.1063/1.1140219.
^ "Avión no tripulado propulsado por energía nuclear en fase de diseño - 19 de febrero de 2003 - New Scientist". Archivado desde el original el 12 de mayo de 2008 . Consultado el 1 de septiembre de 2017 .
Literatura
CB Collins; NC Zoita; F. Davanloo; Y. Yoda; T. Uruga; JM Pouvesle; II Popescu (2005). "Espectroscopia de resonancia nuclear del isómero de 31 años de Hf-178". Laser Physics Letters . 2 (3): 162. Bibcode :2005LaPhL...2..162C. doi :10.1002/lapl.200410154. S2CID 121707178.
I. Ahmad; et al. (2001). "Búsqueda de la aceleración inducida por rayos X de la desintegración del isómero de 31 años de 178Hf utilizando radiación de sincrotrón". Physical Review Letters . 87 (7): 072503. Bibcode :2001PhRvL..87g2503A. doi :10.1103/PhysRevLett.87.072503. PMID 11497887.
I. Ahmad; et al. (2003). "Búsqueda de la desintegración inducida por rayos X del isómero de 31 años de 178Hf a bajas energías de rayos X". Physical Review C . 67 (4): 041305R. Bibcode :2003PhRvC..67d1305A. doi :10.1103/PhysRevC.67.041305. S2CID 209833094.
CB Collins (1990). "Prueba de la viabilidad de esquemas coherentes e incoherentes para bombear un láser de rayos gamma" (pdf) . DTIC. Informe n.º GRL/9001. Archivado desde el original el 1 de junio de 2022.
Página de resumen de resultados del isómero Hf Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine , CB Collins, Universidad de Texas, Dallas
"¿El avión a reacción Global Hawk de propulsión atómica se prepara para despegar?", una entrada del blog de SciScoop | Archivado el 4 de noviembre de 2021 en Wayback Machine
Resultados contradictorios sobre un isómero nuclear de hafnio de larga duración tienen implicaciones más amplias Este artículo de Physics Today ofrece una visión equilibrada desde 2004.
Reimpresiones de artículos sobre isómeros nucleares en revistas arbitradas. Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine . Centro de Electrónica Cuántica, Universidad de Texas en Dallas.
