Isomería de los núcleos atómicos

La isomería de los núcleos atómicos  es el fenómeno de la existencia de estados excitados metaestables (isoméricos) en los núcleos de los átomos con un tiempo de vida suficientemente largo .

Los estados isoméricos difieren de los estados excitados ordinarios de los núcleos en que la probabilidad de transición a todos los estados subyacentes para ellos está fuertemente suprimida por las reglas de exclusión de espín y paridad . En particular, se suprimen las transiciones con una alta multipolaridad (es decir, un gran cambio de espín requerido para una transición al estado subyacente) y una energía de transición baja. A veces, la aparición de isómeros se asocia con una diferencia significativa en la forma del núcleo en diferentes estados de energía (como en 180 Hf).

Los isómeros se designan con la letra m (del inglés  metaestable ) en el índice del número de masa (por ejemplo, 80 m Br). Si el nucleido tiene más de un estado excitado metaestable, se indican en orden creciente de energía con las letras m , n , p , q y más alfabéticamente, o con la letra m con la adición de un número: m 1, m 2 , etc.

Los de mayor interés son los isómeros metaestables con vidas medias de 10 a 6 s a muchos años.

Historia

El concepto de isomería de los núcleos atómicos surgió en 1921 [1] , cuando el físico alemán O. Hahn , estudiando la desintegración beta del torio-234 , conocido en ese momento como "uranio-X1" (UX 1 ), descubrió un nuevo radioactivo sustancia "uranio-Z" (UZ), que ni en propiedades químicas ni en número de masa difería del ya conocido "uranio-X2" (UX 2 ), pero tenía una vida media diferente. En notación moderna, UZ y UX 2 corresponden a los estados isomérico y fundamental del isótopo 234 Pa [2] . En 1935 [3] B. V. Kurchatov , I. V. Kurchatov , L. V. Mysovsky y L. I. Rusinov descubrieron un isómero del isótopo artificial de bromo 80 Br, que se forma junto con el estado fundamental del núcleo cuando los neutrones son capturados por el 79 Br estable . Tres años más tarde, bajo la dirección de I. V. Kurchatov, se descubrió que la transición isomérica del bromo-80 ocurre principalmente por conversión interna , y no por la emisión de gamma quanta [4] . Todo esto sentó las bases para un estudio sistemático de este fenómeno. Teóricamente, la isomería nuclear fue descrita por Karl Weizsäcker en 1936 [5] [6] .

Propiedades físicas

El tiempo de vida de los estados isoméricos supera las fracciones de un microsegundo (y se puede medir en años), mientras que el tiempo de vida típico de los estados excitados no isoméricos es del orden de picosegundos o menos. No hay diferencia natural, excepto por el tiempo de vida, entre los dos: el límite entre los estados excitados isoméricos y no isoméricos del núcleo es una cuestión de acuerdo. Así, en el libro de referencia sobre las propiedades de los isótopos Nubase1997 [7] , se asignan a los isómeros estados excitados con una vida media de más de 1 ms, mientras que en las versiones más recientes de este libro de referencia Nubase2003 [8] y Nubase2016 [9 ] se les añaden estados con una vida media de unos 100 ns , y más. En 2016, solo se conocen 3437 nucleidos, de los cuales 1318 tienen uno o más estados isoméricos con una vida media superior a 100 ns [9] .

El decaimiento de los estados isoméricos puede llevarse a cabo mediante:

• transición isomérica al estado fundamental (por emisión de un cuanto gamma o por conversión interna );
• descomposición alfa ;
• decaimiento beta y captura de electrones ;
• fisión espontánea (para núcleos pesados);
• radiación de protones (para isómeros altamente excitados).

La probabilidad de una opción de descomposición específica está determinada por la estructura interna del núcleo y sus niveles de energía (así como los niveles de los núcleos, posibles productos de descomposición).

En algunas áreas de valores de números de masa, existen los llamados. islas de isomería (los isómeros son especialmente comunes en estas áreas). Este fenómeno se explica por el modelo de capa nuclear , que predice la existencia en núcleos impares de niveles nucleares energéticamente cercanos con una gran diferencia de espines, cuando el número de protones o neutrones se aproxima a los números mágicos .

Algunos ejemplos

• El isómero tantalio-180 ( 180m Ta) es el único isómero estable (dentro de la sensibilidad de las técnicas modernas). A diferencia de los radionúclidos cosmogénicos o radionucleidos de vida corta, ha existido en la corteza terrestre desde su formación, apareciendo en tantalio natural en una proporción de 1 a 8300. Aunque 180m Ta teóricamente puede decaer en al menos tres formas ( transición isomérica , beta- menos decaimiento , captura de electrones ), ninguno de los cuales ha sido detectado experimentalmente; el límite inferior de su vida media  es 7.1⋅10 15 años [9] . Al mismo tiempo, el estado fundamental de 180 Ta es beta-activo con una vida media de 8,154(6) horas [9] . El espín y la paridad del estado fundamental son 1 + , el isómero es 9 − [8] . Debido a la gran diferencia entre los espines de los estados y la proximidad de sus energías (el nivel isomérico se encuentra por encima del estado fundamental en 75,3(14) keV [9] ), la transición isomérica se suprime con mucha fuerza. Se espera que 180m Ta, como cualquier otro isómero nuclear, pueda transferirse artificialmente al estado fundamental mediante emisión estimulada , cuando se irradie con rayos gamma con una energía exactamente igual a la diferencia entre las energías de los estados excitado y fundamental.

• En la serie radiactiva natural del uranio-238 , hay un isómero de protactinio-234 234m Pa (vida media 1,159(11) minutos [9] ).

• Se encontró un nivel metaestable muy bajo de 235m U (vida media de 25,7(1) minutos [9] ) en el núcleo de uranio-235 , a solo 76,0(4) electronvoltios del nivel principal [9] .

• El isómero 178m2 Hf del hafnio-178 tiene una vida media de 31(1) años [9] (el subíndice 2 significa que también hay un isómero 178m1 Hf más bajo). Tiene la energía de excitación más alta entre los isómeros con una vida media de más de un año. Tres kilogramos de Hf puro de 178m2 contienen aproximadamente 4 TJ de energía, lo que equivale a una kilotonelada de TNT . Toda esta energía se libera en forma de cascada de rayos gamma y electrones de conversión con una energía de 2446 keV por núcleo. Al igual que con 180m Ta, se está discutiendo la posibilidad de transferir artificialmente 178m2 Hf al estado fundamental. Los resultados obtenidos (pero no confirmados en otros experimentos) indican una liberación de energía muy rápida (potencia del orden de los exavatios). Teóricamente , los isómeros de hafnio se pueden usar tanto para crear láseres gamma , dispositivos de almacenamiento de energía, como para desarrollar armas nucleares bastante poderosas que no crean contaminación radiactiva en el área. Sin embargo, las perspectivas aquí siguen siendo generalmente bastante vagas, ya que ni los trabajos experimentales ni teóricos sobre este tema dan respuestas inequívocas, y la producción de cantidades macroscópicas de 178m2 Hf, con el desarrollo moderno de la tecnología, es prácticamente inaccesible [10] .

• El isómero de iridio-192 192m2 Ir tiene una vida media de 241(9) años y una energía de excitación de 168,14(12) keV [9] . A veces se propone utilizarlo para los mismos fines que el isómero 178m2 Hf del hafnio-178.

• El mayor número de isómeros (seis cada uno, sin contar el estado fundamental) se encontró en los isótopos tantalio -179 ( 179 Ta) y radio -214 ( 214 Ra) [9] .

Véase también

• Elemento químico
• nucleido
• Isótopo

Notas

1. ↑ Otto Hahn. Über eine neue radioaktive Substanz im Uran  (alemán)  // Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft : tienda. - 1921. - Bd. 54 , núm. 6 _ - S. 1131-1142 . -doi : 10.1002/ cber.19210540602 .
2. ↑ DE Alburger. Isomería nuclear // Handbuch der physik / S. Flugge. - Springer-Verlag, 1957. - Pág. 1.
3. ↑ JV Kourtchatov, BV Kourtchatov, LV Misowski, LI Roussinov. Sur un cas de radioactivité artificielle provoquée par un bombardement de neutrons, sans capture du neutron  (Francés)  // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences :revista. - 1935. - Vol. 200 . - P. 1201-1203 .
4. ↑ Rusinov, 1961 , pág. 617.
5. ↑ C. von Weizsäcker. Metastabile Zustände der Atomkerne  (inglés)  // Naturwissenschaften : diario. - 1936. - Vol. 24 , núm. 51 . - Pág. 813-814 .
6. ↑ Konstantin Mujin. Física nuclear exótica para curiosos  // Ciencia y vida . - 2017. - Nº 4 . - S. 96-100 . (Ruso)
7. ↑ G. Audi et al. La evaluación NUBASE de propiedades nucleares y de desintegración. Física nuclear A, 1997, vol. 624, página 1–124. Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 17 de marzo de 2008. Archivado desde el original el 4 de mayo de 2006. (indefinido) 
8. ↑ 1 2 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH La evaluación NUBASE de las propiedades nucleares y de descomposición  // Física nuclear A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . -doi : 10.1016/ j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
9. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. La evaluación Nubase2016 de propiedades nucleares  // Chinese Physics C  . - 2017. - Vol. 41 , edición. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . -doi : 10.1088 / 1674-1137/41/3/030001 . - .
10. ↑ Tkalya E. V. Desintegración inducida del isómero nuclear 178m2 Hf y la "bomba de isómero" // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 2005. - T. 175, N° 5. - S. 555-561.

Literatura

• Rusinov L. I. Isomerismo de núcleos atómicos // Uspekhi fizicheskikh nauk  : zhurnal. - 1961. - T. 73, N° 4. - S. 615-630.

Enlaces

• El límite de la estabilidad de los protones de los núcleos puede resultar bastante borroso Copia de archivo del 11 de marzo de 2014 en la Wayback Machine
• Se prueba la falla teórica de la bomba de hafnio Copia de archivo del 10 de marzo de 2014 en Wayback Machine

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