Isômero nuclear

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Um isômero nuclear é um estado metaestável de um núcleo atômico , no qual um ou mais nucleons (prótons ou nêutrons) ocupam níveis de energia mais altos do que no estado fundamental do mesmo núcleo. "Metastable" descreve núcleos cujos estados excitados têm meias-vidas 100 a 1000 vezes mais longas do que as meias-vidas dos estados nucleares excitados que decaem com uma meia-vida "pronta" (normalmente na ordem de 10-12 segundos). O termo "metaestável" é geralmente restrito a isômeros com meia-vida de 10-9 segundos ou mais. Algumas referências recomendam 5 × 10 −9segundos para distinguir a meia-vida metaestável da meia-vida normal de emissão gama "pronta" . [1] Ocasionalmente, as meias-vidas são muito mais longas do que isso e podem durar minutos, horas ou anos. Por exemplo, o180m
73
Ta
o isômero nuclear sobrevive por tanto tempo que nunca foi observado seu decaimento (pelo menos 10 a 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 como210m
83
Bi
,242m
95
Sou
e múltiplos isômeros de hólmio .

Às vezes, o decaimento gama de um estado metaestável é referido como transição isomérica, mas esse processo normalmente se assemelha a decaimentos gama de vida mais curta em todos os aspectos externos, com exceção da natureza de vida longa do isômero nuclear de origem meta-estável. As vidas mais longas dos estados metaestáveis ​​dos isômeros nucleares são muitas vezes 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 spin 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 decaimento (urânio X 2 /urânio Z, agora conhecido como234m
91
Pai
/234
91
Pai
) foi descoberto por Otto Hahn em 1921. [2]

Núcleos de isômeros nucleares

O núcleo de um isômero nuclear ocupa um estado de energia mais alto 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 estados atômicos excitados decaem, a energia é liberada por fluorescência . Em transições eletrônicas, esse processo geralmente envolve a emissão de luz próxima à faixa do visível . A quantidade de energia liberada está relacionada à energia de dissociação de ligação ou energia de ionização e geralmente está na faixa de algumas dezenas de eV por ligação. No entanto, um tipo muito mais forte de energia de ligação , a energia de ligação nuclear , está envolvida em processos nucleares. Devido a isso, a maioria dos estados nucleares excitados decai por emissão de raios gama . Por exemplo, um isômero nuclear bem 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 meias-vidas longas porque seu decaimento gama é "proibido" da grande mudança na rotação nuclear necessária para emitir um raio gama. Por exemplo,180m
73
Ta
tem um spin de 9 e deve decair gama para180
73
Ta
com um spin de 1. Da mesma forma,99m
43
Tc
tem um spin de 1/2 e deve decair gama para99
43
Tc
com um giro de 9/2.

Enquanto a maioria dos isômeros metaestáveis ​​decaem por emissão de raios gama, eles também podem decair por 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 então saem 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 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 têm um estado isomérico metaestável. Esses fragmentos geralmente são produzidos em um estado altamente excitado, em termos de energia e momento angular , e passam por uma pronta desexcitação. Ao final deste processo, os núcleos podem povoar tanto o estado fundamental quanto o estado isomérico. Se a meia-vida dos isômeros for suficientemente longa, é possível medir sua taxa de produção e compará-la com a do estado fundamental, calculando a chamada razão de rendimento isomérica . [3]

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 pela emissão de um ou mais raios gama ou elétrons de conversão . Às vezes, a desexcitação não prossegue completamente rapidamente para o estado fundamental nuclear . Isso geralmente ocorre quando a formação de um estado excitado intermediário tem um spinmuito diferente do estado fundamental. A emissão de raios gama é prejudicada se o spin do estado pós-emissão for muito diferente do estado emissor, especialmente se a energia de excitação for baixa. O estado excitado nesta situação é um bom candidato a ser metaestável se não houver outros estados de spin intermediário com energias de excitação menores que a do estado metaestável.

Os isômeros metaestáveis ​​de um isótopo específico são geralmente designados com um "m". Esta designação é colocada após o número de massa do átomo; por exemplo, cobalto-58m1 é abreviado58m1
27
Companhia
, 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., correlacionam-se com níveis crescentes de energia de excitação armazenada em cada um dos estados isoméricos (por exemplo, háfnio-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 fundamentais 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 rugby . Essa geometria pode resultar em estados de mecânica quântica onde a distribuição de prótons e nêutrons é muito mais distante da geometria esférica que a desexcitação para o estado fundamental nuclear é fortemente dificultada. Em geral, esses estados ou são desexcitados para o estado fundamental muito mais lentamente do que um estado excitado "normal", ou sofrem fissão espontânea commeias-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 excitado nuclear mais usual. Os isômeros de fissão podem ser indicados 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 indicado como plutônio-240f ou240f
94
Pu
.

Isômeros quase estáveis

A maioria dos estados excitados nucleares são muito instáveis ​​e "imediatamente" irradiam a energia extra após existir na ordem de 10-12  segundos. Como resultado, a caracterização "isômero nuclear" geralmente é aplicada apenas a configurações com meias-vidas de 10 a 9  segundos ou mais. A mecânica quântica prevê que certas espécies atômicas devem possuir isômeros com vidas extraordinariamente longas, mesmo por esse padrão mais rigoroso, 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 é180m
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 mais longa que a idade do universo . A baixa energia de excitação do estado isomérico causa tanto desexcitação gama ao180
Ta
estado fundamental (que em si é radioativo por decaimento beta, com uma meia-vida de apenas 8 horas) e decaimento beta direto para háfnio ou tungstênio a ser suprimido devido a incompatibilidades de spin. A origem deste isômero é misteriosa, embora se acredite que tenha se formado em supernovas (assim como a maioria dos outros elementos pesados). Se relaxasse para seu estado fundamental, liberaria um fóton com uma energia de fóton de 75  keV .

Foi relatado pela primeira vez em 1988 por CB Collins [4] que180m
Ta
pode ser forçado a liberar sua energia por raios X mais fracos. Essa forma de desexcitação nunca havia sido observada; no entanto, a desexcitação de180m
Ta
por foto-excitação ressonante de níveis intermediários altos deste núcleo ( E  ~ 1 MeV) foi encontrado em 1999 por Belic e colaboradores do grupo de física nuclear de Stuttgart. [5]

178m2
72
Hf
é outro isômero nuclear razoavelmente estável. Possui uma meia-vida de 31 anos e a maior energia de excitação 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
, há relatos contestados que178m2
Hf
pode ser estimulado a liberar sua energia. Devido a isso, a substância está sendo estudada como uma 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 para emissão estimulada por raios gama . [1] [6]

Isômero nuclear do hólmio166m1
67
Ho
tem uma meia-vida de 1.200 anos, que é quase a meia-vida mais longa de qualquer radionuclídeo de hólmio. Apenas163
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. [7] Após anos de falha e um alarme falso notável, [8] [9] esse decaimento foi observado diretamente em 2016, com base em seu decaimento de conversão interna . [10] [11] Esta detecção direta permitiu uma primeira medição do tempo de vida do isômero sob decaimento de conversão interna, [12] a determinação do dipolo magnético do isômero e momento de quadrupolo elétrico via espectroscopia do invólucro eletrônico [13] e uma melhor medição da energia de excitação. [7]Devido à sua baixa energia, espera-se que o isômero permita a espectroscopia direta de laser nuclear e o desenvolvimento de um relógio nuclear de precisão sem precedentes. [14] [15]

Supressão de decaimento de alta rotação

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 ou mais unidades no momento angular são possíveis, mas os fótons emitidos carregam o momento angular adicional. Mudanças 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. [16]A maior mudança de spin conhecida de 8 unidades ocorre no decaimento de 180m Ta, que suprime seu decaimento por um fator de 10 35 daquele associado a 1 unidade. Em vez de uma meia-vida natural de decaimento gama de 10 −12 segundos, tem uma meia-vida de mais de 10 23 segundos, ou pelo menos 3 × 10 15 anos, e, portanto, ainda não foi observado o decaimento.

A emissão gama é impossível quando o núcleo começa em um estado de spin zero, pois tal emissão não conservaria o momento angular. [ citação necessária ]

Aplicativos

Os isômeros de háfnio [17] [18] (principalmente 178m2 Hf) têm sido 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 descontada. [19] A DARPA tinha um programa para investigar esse uso de ambos os isômeros nucleares. [20] O potencial para 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. [21]

Isômeros de tecnécio99m
43
Tc
(com meia-vida de 6,01 horas) e95m
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. Em um projeto de dispositivo betavoltaico, o material radioativo fica em cima de um dispositivo com camadas adjacentes de silício tipo P e tipo N. 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 ativá-los e desativá-los, desencadeando o decaimento conforme necessário. Os candidatos atuais para tal uso incluem 108 Ag , 166 Ho , 177 Lu e 242 Am. A partir de 2004, o único isômero acionado com sucesso foi o 180m Ta , que exigia mais energia de fótons para ser acionado do que a liberada. [22]

Um isótopo como o 177 Lu libera raios gama por decaimento através de uma série de níveis de energia interna dentro do núcleo, e acredita-se que, aprendendo as seções de choque de disparo com precisão suficiente, pode ser possível criar estoques de energia que são 10 6 vezes mais concentrado do que alto explosivo ou outro armazenamento de energia química tradicional. [22]

Processos de decaimento

Uma transição isomérica (IT) é o decaimento de um isômero nuclear para um estado nuclear de baixa energia. O processo real tem dois tipos (modos): [23] [24]

Os isômeros podem decair em outros elementos, embora a taxa de decaimento possa diferir entre os isômeros. Por exemplo, 177m Lu pode sofrer decaimento 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 para 177 Hf com meia -vida de 6,68 d. [22]

A emissão de um raio gama de um estado nuclear excitado permite que o núcleo perca energia e alcance um estado de energia mais baixa, 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 excitado nuclear metaestável . Alguns núcleos são capazes de permanecer neste estado excitado metaestável por minutos, horas, dias ou ocasionalmente por muito mais tempo.

O processo [ qual? ] de transição isomérica é semelhante à emissão gama de qualquer estado nuclear excitado, mas difere por envolver estados excitados metaestáveis ​​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

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Links externos