Isômero nuclear - Nuclear isomer

Um isômero nuclear é um estado metaestável de um núcleo atômico , no qual um ou mais núcleons (prótons ou nêutrons) ocupam níveis de energia mais elevados do que no estado fundamental do mesmo núcleo. "Metastable" descreve núcleos cujos estados excitados têm meia-vida de 100 a 1000 vezes mais do que a meia-vida dos estados nucleares excitados que decaem com uma meia-vida "imediata" (normalmente da ordem de 10-12 segundos). O termo "metaestável" geralmente é restrito a isômeros com meia-vida de 10-9 segundos ou mais. Algumas referências recomendam 5 × 10-9 segundos para distinguir a meia-vida metaestável da meia-vida normal de emissão gama "imediata" . Ocasionalmente, as meias-vidas são muito mais longas do que isso e podem durar minutos, horas ou anos. Por exemplo, o180m
73
Ta
isomeria nuclear sobrevive tanto tempo que nunca foi observada a decair (pelo menos 10 15 anos). A meia-vida de um isômero nuclear pode até exceder a do estado fundamental do mesmo nuclídeo, como mostrado por180m
73
Ta
assim como 210m
83
Bi
, 242m
95
Sou
e vários isômeros de hólmio .

Às vezes, o decaimento gama de um estado metaestável é referido como transição isomérica, mas esse processo normalmente se assemelha ao decaimento gama de vida mais curta em todos os aspectos externos, com exceção da natureza de longa duração do isômero nuclear parental metaestável. As vidas mais longas dos estados metaestáveis ​​dos isômeros nucleares são frequentemente devido ao maior grau de mudança de spin nuclear que deve estar envolvido em sua emissão gama para atingir o estado fundamental. Essa alta mudança de giro faz com que esses decaimentos sejam transições proibidas e atrasadas. Atrasos na emissão são causados ​​por baixa ou alta energia de decaimento disponível.

O primeiro isômero nuclear e sistema filho de decadência (urânio X 2 / urânio Z, agora conhecido como234m
91
Pa
/234
91
Pa
) foi descoberto por Otto Hahn em 1921.

Núcleos de isômeros nucleares

O núcleo de um isômero nuclear ocupa um estado de energia superior do que o núcleo não excitado existente no estado fundamental . Em um estado excitado, um ou mais prótons ou nêutrons em um núcleo ocupam um orbital nuclear de energia mais alta do que um orbital nuclear disponível. Esses estados são análogos aos estados excitados dos elétrons nos átomos.

Quando os estados atômicos excitados decaem, a energia é liberada pela fluorescência . Em transições eletrônicas, esse processo geralmente envolve a emissão de luz perto da faixa do visível . A quantidade de energia liberada está relacionada à energia de dissociação da ligação ou energia de ionização e geralmente está na faixa de algumas dezenas a algumas dezenas de eV por ligação.

No entanto, um tipo muito mais forte de energia de ligação , a energia de ligação nuclear , está envolvida nos processos nucleares. Devido a isso, a maioria dos estados de excitação nuclear decai pela emissão de raios gama . Por exemplo, um isômero nuclear conhecido usado em vários procedimentos médicos é99m
43
Tc
, que decai com meia-vida de cerca de 6 horas, emitindo um raio gama de 140 keV de energia; isso está próximo da energia dos raios-X de diagnóstico médico.

Os isômeros nucleares têm meia-vida longa porque seu decaimento gama é "proibido" devido à grande mudança no spin nuclear necessária para emitir um raio gama. Por exemplo,180m
73
Ta
tem um spin de 9 e deve decair em gama para 180
73
Ta
com um giro de 1. Da mesma forma, 99m
43
Tc
tem um spin de 1/2 e deve decair em gama para 99
43
Tc
com um giro de 9/2.

Enquanto a maioria dos isômeros metaestáveis ​​decai através da emissão de raios gama, eles também podem decair através da conversão interna . Durante a conversão interna, a energia de desexcitação nuclear não é emitida como um raio gama, mas é usada para acelerar um dos elétrons internos do átomo. Esses elétrons excitados partem em alta velocidade. Isso ocorre porque os elétrons atômicos internos penetram no núcleo onde estão sujeitos aos intensos campos elétricos criados quando os prótons do núcleo se reorganizam de uma maneira diferente.

Em núcleos que estão longe da estabilidade em energia, ainda mais modos de decaimento são conhecidos.

Após a fissão, vários dos fragmentos de fissão que podem ser produzidos apresentam um estado isomérico metaestável. Esses fragmentos são geralmente produzidos em um estado altamente excitado, em termos de energia e momento angular , e passam por uma desexcitação imediata. Ao final desse processo, os núcleos podem preencher tanto o estado fundamental quanto o isomérico. Se a meia-vida dos isômeros for longa o suficiente, é possível medir sua taxa de produção e compará-la com a do estado fundamental, calculando a chamada razão de rendimento isomérica .

Isômeros metaestáveis

Isômeros metaestáveis podem ser produzidos por fusão nuclear ou outras reações nucleares . Um núcleo produzido dessa forma geralmente começa sua existência em um estado excitado que relaxa através da emissão de um ou mais raios gama ou elétrons de conversão . Às vezes, a desexcitação não avança completamente rapidamente para o estado fundamental nuclear . Isso geralmente ocorre quando a formação de um estado excitado intermediário tem um spin muito diferente daquele do estado fundamental. A emissão de raios gama é prejudicada se o spin do estado de pós-emissão for muito diferente daquele do estado de emissão, especialmente se a energia de excitação for baixa. O estado excitado nesta situação é um bom candidato a metaestável se não houver outros estados de spin intermediário com energias de excitação menores do que o estado metaestável.

Os isômeros metaestáveis ​​de um isótopo particular são geralmente designados com um "m". Esta designação é colocada após o número de massa do átomo; por exemplo, cobalto-58m1 é abreviado58m1
27
Co
, onde 27 é o número atômico do cobalto. Para isótopos com mais de um isômero metaestável, os "índices" são colocados após a designação e a marcação se torna m1, m2, m3 e assim por diante. Índices crescentes, m1, m2, etc., se correlacionam com níveis crescentes de energia de excitação armazenada em cada um dos estados isoméricos (por exemplo, háfnium-178m2, ou178m2
72
Hf
)

Um tipo diferente de estado nuclear metaestável (isômero) é o isômero de fissão ou isômero de forma . A maioria dos núcleos de actinídeos em seus estados básicos não são esféricos, mas sim esferoidais prolatos , com um eixo de simetria mais longo que os outros eixos, semelhante a uma bola de futebol americano ou rúgbi . Essa geometria pode resultar em estados quânticos onde a distribuição de prótons e nêutrons está muito mais distante da geometria esférica que a desexcitação para o estado fundamental nuclear é fortemente prejudicada. Em geral, esses estados ou se desexcitam para o estado fundamental muito mais lentamente do que um estado excitado "normal", ou sofrem fissão espontânea com meias-vidas da ordem de nanossegundos ou microssegundos - um tempo muito curto, mas muitas ordens de magnitude maior do que a meia-vida de um estado de excitação nuclear mais comum. Os isômeros de fissão podem ser denotados com um pós-escrito ou sobrescrito "f" em vez de "m", de modo que um isômero de fissão, por exemplo, de plutônio -240, pode ser denotado como plutônio-240f ou240f
94
Pu
.

Isômeros quase estáveis

A maioria dos estados nucleares excitados são muito instáveis ​​e "imediatamente" irradiam a energia extra após existir na ordem de 10-12  segundos. Como resultado, a caracterização "isômero nuclear" é geralmente aplicada apenas a configurações com meia-vida de 10-9  segundos ou mais. A mecânica quântica prevê que certas espécies atômicas devem possuir isômeros com vidas excepcionalmente longas, mesmo por esse padrão mais rígido, e ter propriedades interessantes. Alguns isômeros nucleares têm vida tão longa que são relativamente estáveis ​​e podem ser produzidos e observados em quantidade.

O isômero nuclear mais estável que ocorre na natureza é 180m
73
Ta
, que está presente em todas as amostras de tântalo em cerca de 1 parte em 8.300. Sua meia-vida é de pelo menos 10 15 anos marcadamente maior do que a idade do universo . A baixa energia de excitação do estado isomérico causa tanto a desexcitação gama para o180
Ta
estado fundamental (que é radioativo por decaimento beta, com meia-vida de apenas 8 horas) e decaimento beta direto para háfnio ou tungstênio para ser suprimido devido a incompatibilidades de spin. A origem desse isômero é misteriosa, embora se acredite que tenha sido formado em supernovas (como a maioria dos outros elementos pesados). Se ele relaxasse ao seu estado fundamental, ele liberaria um fóton com uma energia de fóton de 75  keV .

Foi relatado pela primeira vez em 1988 por CB Collins que 180m
Ta
pode ser forçado a liberar sua energia por raios-X mais fracos. Essa forma de desexcitação nunca foi observada; no entanto, a desexcitação de180m
Ta
por fotoexcitação ressonante de níveis intermediários altos deste núcleo ( E  ~ 1 MeV) foi encontrado em 1999 por Belic e colegas de trabalho no grupo de física nuclear de Stuttgart.

178m2
72
Hf
é outro isômero nuclear razoavelmente estável. Possui meia-vida de 31 anos e a energia de excitação mais alta de qualquer isômero de vida longa. Um grama de puro178m2
Hf
contém aproximadamente 1,33 gigajoules de energia, o equivalente a explodir cerca de 315 kg (694 lb) de TNT . Na decadência natural de178m2
Hf
, a energia é liberada como raios gama com uma energia total de 2,45 MeV. Como com180m
Ta
, existem relatórios disputados que 178m2
Hf
pode ser estimulado a liberar sua energia. Por conta disso, a substância está sendo estudada como possível fonte de lasers de raios gama . Esses relatórios indicam que a energia é liberada muito rapidamente, de modo que178m2
Hf
pode produzir potências extremamente altas (da ordem de exawatts ). Outros isômeros também foram investigados como possíveis meios de emissão estimulada por raios gama .

Isômero nuclear de hólmio166m1
67
Ho
tem meia-vida de 1.200 anos, que é quase a meia-vida mais longa de qualquer radionuclídeo de hólmio. Somente163
Ho
, com meia-vida de 4.570 anos, é mais estável.

229
90
º
tem um isômero metaestável notavelmente baixo, estimado em apenas 8,28 ± 0,17 eV acima do estado fundamental. Após anos de falha e um alarme falso notável, essa queda foi observada diretamente em 2016, com base em sua queda de conversão interna . Essa detecção direta permitiu uma primeira medição da vida útil do isômero sob decaimento de conversão interna, a determinação do dipolo magnético do isômero e do momento quadrupolo elétrico por meio de espectroscopia do invólucro eletrônico e uma medição aprimorada da energia de excitação. Devido à sua baixa energia, espera-se que o isômero permita a espectroscopia de laser nuclear direto e o desenvolvimento de um relógio nuclear de precisão sem precedentes.

Supressão de alta rotação de decadência

O mecanismo mais comum para a supressão do decaimento gama de núcleos excitados e, portanto, a existência de um isômero metaestável, é a falta de uma rota de decaimento para o estado excitado que mudará o momento angular nuclear ao longo de qualquer direção pela quantidade mais comum de 1 quantum unidade ħ no momento angular de rotação . Essa mudança é necessária para emitir um fóton gama, que tem um spin de 1 unidade neste sistema. Mudanças integrais de 2 e mais unidades no momento angular são possíveis, mas os fótons emitidos carregam o momento angular adicional. Alterações de mais de 1 unidade são conhecidas como transições proibidas . Cada unidade adicional de mudança de spin maior que 1 que o raio gama emitido deve carregar inibe a taxa de decaimento em cerca de 5 ordens de magnitude. A maior mudança de spin conhecida de 8 unidades ocorre na decadência de 180m Ta, que suprime sua decadência por um fator de 10 35 a partir daquele associado a 1 unidade. Em vez de uma meia-vida de decaimento gama natural de 10-12 segundos, ele tem uma meia-vida de mais de 10 23 segundos, ou pelo menos 3 × 10 15 anos e, portanto, ainda não foi observado para decair.

A emissão gama é impossível quando o núcleo começa em um estado de rotação zero, pois tal emissão não conservaria o momento angular.

Formulários

Os isômeros de háfnio (principalmente Hf de 178m2 ) foram considerados como armas que poderiam ser usadas para contornar o Tratado de Não-Proliferação Nuclear , uma vez que se afirma que eles podem ser induzidos a emitir radiação gama muito forte . Esta reivindicação é geralmente desconsiderada. A DARPA tinha um programa para investigar o uso de ambos os isômeros nucleares. O potencial de desencadear uma liberação abrupta de energia de isótopos nucleares, um pré-requisito para seu uso em tais armas, é contestado. No entanto, um Painel de Produção de Isômero de Háfnio (HIPP) de 12 membros foi criado em 2003 para avaliar os meios de produção em massa do isótopo.

tecnécio isómeros99m
43
Tc
(com meia-vida de 6,01 horas) e 95m
43
Tc
(com meia-vida de 61 dias) são usados ​​em aplicações médicas e industriais .

Baterias nucleares

Vias de decaimento nuclear para a conversão de lutécio-177 m em háfnio-177

As baterias nucleares usam pequenas quantidades (miligramas e microcuries ) de radioisótopos com altas densidades de energia. Numa forma de dispositivo betavoltaic, material radioactivo fica no topo de um dispositivo com as camadas adjacentes de tipo P e tipo N silício . A radiação ionizante penetra diretamente na junção e cria pares elétron-buraco . Os isômeros nucleares podem substituir outros isótopos e, com mais desenvolvimento, pode ser possível ligá-los e desligá-los, desencadeando a decadência, conforme necessário. Candidatos atuais para tal uso incluem 108 Ag , 166 Ho , 177 Lu e 242 Am . Em 2004, o único isômero disparado com sucesso era 180m Ta , que exigia mais energia do fóton para disparar do que era liberado.

Um isótopo como 177 Lu libera raios gama por decaimento através de uma série de níveis de energia internos dentro do núcleo, e acredita-se que, ao aprender as seções transversais de ativação com precisão suficiente, pode ser possível criar estoques de energia que são 10 6 vezes mais concentrado do que o alto explosivo ou outro armazenamento de energia química tradicional.

Processos de decadência

Uma transição isomérica (IT) é a decadência de um isômero nuclear para um estado nuclear de baixa energia. O processo real tem dois tipos (modos):

  • emissão γ (gama) (emissão de um fóton de alta energia),
  • conversão interna (a energia é usada para ejetar um dos elétrons do átomo).

Os isômeros podem decair em outros elementos, embora a taxa de decaimento possa diferir entre os isômeros. Por exemplo, 177m Lu pode decair beta para 177 Hf com meia-vida de 160,4 d, ou pode sofrer transição isomérica para 177 Lu com meia-vida de 160,4 d, que então decai beta para 177 Hf com meia -vida de 6,68 d.

A emissão de um raio gama a partir de um estado nuclear excitado permite que o núcleo perca energia e alcance um estado de energia inferior, às vezes seu estado fundamental . Em certos casos, o estado nuclear excitado após uma reação nuclear ou outro tipo de decaimento radioativo pode se tornar um estado nuclear excitado metaestável . Alguns núcleos são capazes de permanecer neste estado excitado metaestável por minutos, horas, dias ou ocasionalmente por muito mais tempo.

O processo de transição isomérica é semelhante à emissão gama de qualquer estado nuclear excitado, mas difere por envolver estados metaestáveis ​​excitados de núcleos com meias-vidas mais longas. Tal como acontece com outros estados excitados, o núcleo pode ser deixado em um estado isomérico após a emissão de uma partícula alfa , partícula beta ou algum outro tipo de partícula.

O raio gama pode transferir sua energia diretamente para um dos elétrons mais fortemente ligados , fazendo com que esse elétron seja ejetado do átomo, um processo denominado efeito fotoelétrico . Isso não deve ser confundido com o processo de conversão interna , no qual nenhum fóton de raios gama é produzido como partícula intermediária.

Veja também

Referências

links externos