Mudança isomérica - Isomeric shift
O deslocamento isomérico (também chamado de deslocamento do isômero) é o deslocamento nas linhas espectrais atômicas e nas linhas espectrais gama, que ocorre como consequência da substituição de um isômero nuclear por outro. Geralmente é chamado de deslocamento isomérico nas linhas espectrais atômicas e deslocamento isomérico Mössbauer, respectivamente. Se os espectros também tiverem uma estrutura hiperfina, o deslocamento se refere ao centro de gravidade dos espectros. A mudança isomérica fornece informações importantes sobre a estrutura nuclear e o ambiente físico, químico ou biológico dos átomos. Mais recentemente, o efeito também foi proposto como uma ferramenta na busca pela variação no tempo de constantes fundamentais da natureza.
Mudança isomérica em linhas espectrais atômicas
A mudança isomérica nas linhas espectrais atômicas é a mudança de energia ou frequência nos espectros atômicos, que ocorre quando um isômero nuclear é substituído por outro. O efeito foi previsto por Richard M. Weiner em 1956, cujos cálculos mostraram que deveria ser mensurável por espectroscopia atômica (óptica) (veja também). Foi observado experimentalmente pela primeira vez em 1958. A teoria do deslocamento isomérico atômico também é usada na interpretação do deslocamento isomérico de Mössbauer.
Terminologia
A noção de isômero também aparece em outras áreas, como química e meteorologia . Portanto, nas primeiras publicações dedicadas a este efeito , foi usado o nome de deslocamento isomérico nuclear nas linhas espectrais . Antes da descoberta do efeito Mössbauer , o deslocamento isomérico referia-se exclusivamente aos espectros atômicos ; isso explica a ausência da palavra atômico na definição inicial do efeito. Posteriormente, o deslocamento isomérico também foi observado na espectroscopia gama através do efeito Mössbauer e foi denominado deslocamento isomérico Mössbauer . Para obter mais detalhes sobre a história da mudança isomérica e a terminologia usada, consulte.
Mudança isotópica versus isomérica nas linhas espectrais atômicas
As linhas espectrais atômicas são devidas a transições de elétrons entre diferentes níveis de energia atômica E , seguidas pela emissão de fótons. Os níveis atômicos são uma manifestação da interação eletromagnética entre elétrons e núcleos. Os níveis de energia de dois átomos, cujos núcleos são diferentes isótopos do mesmo elemento, são deslocados um em relação ao outro, embora as cargas elétricas Z dos dois isótopos sejam idênticas. Isso ocorre porque os isótopos diferem pelo número de nêutrons e, portanto, as massas e os volumes de dois isótopos são diferentes; essas diferenças dão origem ao deslocamento isotópico nas linhas espectrais atômicas.
No caso de dois isômeros nucleares, o número de prótons e o número de nêutrons são idênticos, mas os estados quânticos e, em particular, os níveis de energia dos dois isômeros nucleares diferem. Essa diferença induz uma diferença nas distribuições de carga elétrica de dois isômeros e, portanto, uma diferença δφ nos potenciais nucleares eletrostáticos correspondentes φ, o que acaba levando a uma diferença Δ E nos níveis de energia atômica. O deslocamento isomérico nas linhas espectrais atômicas é então dado por
onde ψ é a função de onda do elétron envolvido na transição, e sua carga elétrica, e a integração é realizada sobre as coordenadas do elétron.
O deslocamento isotópico e o isomérico são semelhantes no sentido de que ambos são efeitos em que o tamanho finito do núcleo se manifesta e ambos são devidos a uma diferença na energia de interação eletromagnética entre os elétrons e o núcleo do átomo. O deslocamento isotópico era conhecido décadas antes do deslocamento isomérico e fornecia informações úteis, mas limitadas, sobre os núcleos atômicos. Ao contrário do deslocamento isomérico, o deslocamento isotópico foi inicialmente descoberto no experimento e então interpretado teoricamente (veja também). Enquanto no caso do deslocamento isotópico a determinação da energia de interação entre elétrons e núcleos é um problema eletromagnético relativamente simples, para os isômeros o problema é mais complicado, uma vez que é a interação forte, que explica a excitação isomérica do núcleo e portanto, para a diferença de distribuições de carga dos dois estados isoméricos. Essa circunstância explica em parte por que a mudança isomérica nuclear não foi descoberta antes: a teoria nuclear apropriada e, em particular, o modelo de invólucro nuclear foram desenvolvidos apenas no final dos anos 1940 e no início dos anos 1950. Quanto à observação experimental dessa mudança, também teve que aguardar o desenvolvimento de uma nova técnica, que permitisse a espectroscopia com isômeros, que são núcleos metaestáveis. Isso também aconteceu apenas na década de 1950.
Enquanto o deslocamento isomérico é sensível à estrutura interna do núcleo, o deslocamento isotópico (em uma boa aproximação) não é. Portanto, a informação da física nuclear que pode ser obtida a partir da investigação do deslocamento isomérico é superior ao que pode ser obtido a partir de estudos de deslocamento isotópico. As medições através do deslocamento isomérico de, por exemplo, a diferença dos raios nucleares do estado excitado e do estado fundamental constituem um dos testes mais sensíveis de modelos nucleares. Além disso, combinado com o efeito Mössbauer, o deslocamento isomérico constitui atualmente uma ferramenta única em muitos outros campos além da física.
O modelo de escudo nuclear
De acordo com o modelo de camada nuclear, existe uma classe de isômeros, para os quais, em uma primeira aproximação, é suficiente considerar um único nucleon, denominado nucleon "óptico", para obter uma estimativa da diferença entre as distribuições de carga de os dois estados isômeros, o resto dos núcleons sendo filtrados . Isso se aplica em particular para isômeros em núcleos de prótons-pares-ímpares, com cascas quase fechadas. O índio -115, para o qual o efeito foi calculado, é um exemplo. O resultado do cálculo foi que o deslocamento isomérico nas linhas espectrais atômicas, embora bastante pequeno, acabou sendo duas ordens de magnitude maior do que a largura de uma linha natural típica, o que constitui o limite da mensurabilidade óptica.
A mudança medida três anos depois em Hg-197 foi muito próxima daquela calculada para In-115, embora em Hg-197, ao contrário de In-115, o nucleon óptico é um nêutron em vez de um próton, e o elétron-livre- a interação de nêutrons é muito menor do que a interação elétron-próton livre. Isso é consequência do fato de que os núcleos ópticos não são livres, mas partículas ligadas. Assim, os resultados podem ser explicados dentro da teoria pela associação com o neutrão óptico estranho uma carga eléctrica eficaz de Z / A .
A mudança isomérica Mössbauer
O deslocamento isomérico Mössbauer é o deslocamento visto na espectroscopia de raios gama quando se compara dois estados isoméricos nucleares em dois ambientes físicos, químicos ou biológicos diferentes, e é devido ao efeito combinado da transição Mössbauer livre de recuo entre os dois isoméricos nucleares estados e a transição entre dois estados atômicos nesses dois ambientes.
O deslocamento isomérico nas linhas espectrais atômicas depende da função de onda do elétron ψ e da diferença δφ dos potenciais eletrostáticos φ dos dois estados isoméricos.
Para um determinado isômero nuclear em dois ambientes físicos ou químicos diferentes (diferentes fases físicas ou diferentes combinações químicas), as funções de onda do elétron também são diferentes. Portanto, além do deslocamento isomérico nas linhas espectrais atômicas, que é devido à diferença dos dois estados do isômero nuclear, haverá um deslocamento entre os dois ambientes (por causa do arranjo experimental, estes são chamados de fonte (s) e absorvedor (a)). Este deslocamento combinado é o deslocamento isomérico Mössbauer, e é descrito matematicamente pelo mesmo formalismo que o deslocamento isomérico nuclear nas linhas espectrais atômicas, exceto que em vez de uma função de onda de elétron, que na fonte ψ s , trata-se da diferença entre a função de onda dos electrões na ψ fonte s e a função de onda de electrões no absorvedor ψ um :
A primeira medição do desvio isomérico na espectroscopia gama com a ajuda do efeito Mössbauer foi relatada em 1960, dois anos após sua primeira observação experimental em espectroscopia atômica. Ao medir esse deslocamento, obtém-se informações importantes e extremamente precisas, tanto sobre os estados dos isômeros nucleares quanto sobre o ambiente físico, químico ou biológico dos átomos, representados pelas funções de onda eletrônica.
Sob sua variante Mössbauer, a mudança isomérica encontrou aplicações importantes em domínios tão diferentes como física atômica , física do estado sólido , física nuclear , química , biologia , metalurgia , mineralogia , geologia e pesquisa lunar. Para obter mais literatura, consulte também.
O deslocamento isomérico nuclear também foi observado em átomos muônicos, ou seja, átomos em que um múon é capturado pelo núcleo excitado e faz uma transição de um estado atômico excitado para o estado fundamental atômico em um tempo menor que o tempo de vida do excitado estado nuclear isomérico.