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 (energía superior). "Metastable" 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" 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 normal "rápida" de emisión gamma . [1] En ocasiones, las vidas medias son mucho más largas y pueden durar minutos, horas o años. Por ejemplo, el180m
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El isómero nuclear sobrevive tanto tiempo (al menos 10 15 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 lo muestra180m
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así como192m2
77ir
,210m
83Bi
,242m
95Soy
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 larga vida del isómero nuclear 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 retrasadas. Los retrasos en la emisión se deben a una energía de desintegración disponible baja o alta.
El primer isómero nuclear y sistema hijo de desintegración (uranio X 2 /uranio Z, ahora conocido como234m
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 existente en el estado fundamental . En un estado excitado, uno o más 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 decaen, 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 del enlace o la energía de ionización y suele estar en el rango de unas pocas decenas de eV por enlace. Sin embargo, en los procesos nucleares interviene un tipo mucho más fuerte de energía de enlace , la energía de enlace nuclear . Debido a esto, la mayoría de los estados excitados nucleares decaen por emisión de rayos gamma . Por ejemplo, un isómero nuclear muy conocido utilizado en diversos procedimientos médicos es99m
43tc
, que decae con una vida media de unas 6 horas emitiendo 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" debido al gran cambio en el espín nuclear necesario para emitir un rayo gamma. Por ejemplo,180m
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tiene un giro de 9 y debe decaer gamma para180
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con un giro de 1. De manera similar,99m
43tc
tiene un giro de 1/2 y debe decaer gamma para99
43tc
con un giro de 9/2.
Si bien la mayoría de los isómeros metaestables se desintegran mediante emisión de rayos gamma, también pueden descomponerse mediante conversión interna . Durante la conversión interna, la energía de desexcitación nuclear no se emite en forma de rayos 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 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 isómero metaestable. Estos fragmentos suelen producirse en un estado muy excitado, en términos de energía y momento angular , y pasan por una pronta desexcitación. Al final de este proceso, los núcleos pueden poblar tanto el estado terrestre 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 . [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 conversión de electrones . A veces, la desexcitación no avanza completamente y rápidamente 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 giro 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 a 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 particular suelen designarse con una "m". Esta designación se coloca después del número másico del átomo; por ejemplo, cobalto-58m1 se abrevia58m1
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 pasa a ser 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
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 demás 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 tan alejada de la geometría esférica que la desexcitación al estado fundamental nuclear se ve fuertemente obstaculizada. En general, estos estados se desexcitan hasta el estado fundamental mucho más lentamente que un estado excitado "habitual", o sufren una fisión espontánea con vidas medias del orden de nanosegundos o microsegundos (un tiempo muy corto, pero de muchos órdenes de duración). magnitud más larga que la vida media de un estado excitado nuclear 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, puede indicarse como plutonio-240f o240f
94PU
.
La mayoría de los estados excitados nucleares son muy inestables e "inmediatamente" irradian la energía extra después de existir del orden de 10 −12 segundos. Como resultado, la caracterización de "isómero nuclear" generalmente se aplica 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 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 es180m
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, que está presente en todas las muestras de tantalio en aproximadamente 1 parte en 8300. Su vida media es de al menos 10 a 15 años, notablemente más larga que la edad del universo . La baja energía de excitación del estado isomérico provoca tanto desexcitación gamma al180
Ejército de reserva
estado fundamental (que a su vez es radiactivo por desintegración beta, con una vida media de solo 8 horas) y la captura directa de electrones en hafnio o la desintegración beta en tungsteno se suprimirán 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 .
CB Collins [4] informó por primera vez en 1988 que teóricamente180m
Ejército de reserva
puede verse obligado a liberar su energía mediante rayos X más débiles, aunque en aquel momento nunca se había observado este mecanismo de desexcitación. Sin embargo, la desexcitación de180m
Ejército de reserva
por fotoexcitación resonante de niveles intermedios altos de este núcleo ( E ~ 1 MeV) fue observado en 1999 por Belic y sus colaboradores en el grupo de física nuclear de Stuttgart. [5]
178m2
72hf
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 comparablemente larga. Un gramo de puro178m2
hf
Contiene aproximadamente 1,33 gigajulios de energía, el equivalente a explotar unos 315 kg (694 lb) de TNT . En la decadencia natural de178m2
hf
, la energía se libera en forma de rayos gamma con una energía total de 2,45 MeV. Al igual que con180m
Ejército de reserva
, hay informes controvertidos que178m2
hf
puede ser estimulado para que libere su energía. Debido a esto, la sustancia se está estudiando como posible fuente de láseres de rayos gamma . Estos informes indican que la energía se libera muy rápidamente, por lo que178m2
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 . [dieciséis ]
Isómero nuclear del holmio166m1
67Ho
tiene una vida media de 1.200 años, que es casi la vida media más larga de cualquier radionucleido de holmio. Solo163
Ho
, con una vida media de 4.570 años, es más estable.
229
90Th
tiene un isómero metaestable notablemente bajo, estimado en solo 8,28 ± 0,17 eV por encima del estado fundamental. [7] Después de años de fallas y una notable falsa alarma, [8] [9] esta decadencia se observó directamente en 2016, en base a su decadencia de conversión interna . [10] [11] Esta detección directa permitió una primera medición de la vida útil del isómero bajo desintegración de conversión interna, [12] la determinación del momento dipolar magnético y cuadripolar eléctrico del isómero mediante espectroscopia de la capa electrónica [13] y una mejora Medición de la energía de excitación. [7] Debido a su baja energía, se espera que el isómero permita la espectroscopia láser nuclear directa y el desarrollo de un reloj nuclear de precisión sin precedentes. [14] [15]
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 en la cantidad más común de 1 cuanto. unidad ħ en el momento angular de 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 debe transportar el rayo gamma emitido inhibe la tasa de desintegración en aproximadamente 5 órdenes de magnitud. [16] El mayor cambio de espín conocido de 8 unidades se produce en la desintegración de 180 m Ta, que suprime su desintegración en un factor de 10 35 del asociado con 1 unidad. En lugar de una vida media natural de desintegración gamma 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 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 necesaria ]
Los isómeros del hafnio [17] [18] (principalmente 178m2 Hf) han sido considerados como armas que podrían usarse para eludir el Tratado de No Proliferación Nuclear , ya que se afirma que pueden ser inducidos a emitir radiaciones gamma muy fuertes . Esta afirmación generalmente se descuenta. [19] DARPA tenía un programa para investigar este uso de ambos isómeros nucleares. [20] Se discute 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 de producir en masa el isótopo. [21]
Isómeros de tecnecio99m
43tc
(con una vida media de 6,01 horas) y95m
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 el diseño de un dispositivo betavoltaico, el material radiactivo se asienta encima de 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, tal vez sea posible activarlos y desactivarlos provocando su 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 el 180m Ta , que requirió más energía fotónica para activarse que la liberada. [22]
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 transversales de activación con suficiente precisión, puede ser posible crear reservas de energía que sean 10 6 veces mayores. más concentrado que los explosivos potentes u otros almacenamientos de energía química tradicionales. [22]
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): [23] [24]
Los isómeros pueden descomponerse en otros elementos, aunque la velocidad de desintegración 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 sufrir una transición isomérica a 177 Lu con una vida media de 160,4 d, que luego desintegra beta a 177 Hf con una vida media. -vida de 6,68 d. [22]
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 y, en ocasiones, mucho más tiempo.
El proceso de transición isomérica es similar a la emisión gamma de cualquier estado nuclear excitado, pero se diferencia porque involucra estados metaestables excitados de núcleos con vidas medias más largas. Como ocurre con otros estados excitados, el núcleo puede quedar en un estado isomérico tras 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 estrechamente 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.
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