Definizione ed esempi di isomeri nucleari

Definizione di isomero nucleare

Gli isomeri nucleari sono atomi con lo stesso numero di massa e numero atomico, ma con diversi stati di eccitazione nel nucleo atomico. Lo stato superiore o più eccitato è chiamato stato metastabile, mentre lo stato stabile e non eccitato è chiamato stato fondamentale.

Come funzionano

La maggior parte delle persone è consapevole che gli elettroni possono cambiare i livelli di energia e trovarsi negli stati eccitati. Un processo analogo si verifica nel nucleo atomico quando protoni o neutroni (i nucleoni) si eccitano. Il nucleone eccitato occupa un orbitale nucleare di maggiore energia. Il più delle volte, i nucleoni eccitati tornano immediatamente allo stato fondamentale, ma se lo stato eccitato ha un’emivita più lunga da 100 a 1000 volte quella degli stati eccitati normali, è considerato uno stato metastabile. In altre parole, l’emivita di uno stato eccitato è solitamente dell’ordine di 10-12 secondi, mentre uno stato metastabile ha un’emivita di 10-9 secondi o più. Alcune fonti definiscono uno stato metastabile come avente un’emivita maggiore di 5 x 10-9 secondi per evitare confusione con l’emivita dell’emissione gamma. Sebbene la maggior parte degli stati metastabili decadano rapidamente, alcuni durano minuti, ore, anni o molto più a lungo.

Il motivo per cui si formano gli stati metastabili è perché è necessario un cambiamento di rotazione nucleare più ampio affinché possano tornare allo stato fondamentale. Un cambio di rotazione elevato rende i decadimenti “transizioni proibite” e li ritarda. L’emivita di decadimento è anche influenzata dalla quantità di energia di decadimento disponibile.

La maggior parte degli isomeri nucleari ritorna allo stato fondamentale tramite il decadimento gamma. A volte il decadimento gamma da uno stato metastabile è chiamato transizione isomerica, ma è essenzialmente lo stesso del normale decadimento gamma di breve durata. Al contrario, la maggior parte degli stati atomici eccitati (elettroni) ritornano allo stato fondamentale tramite fluorescenza.

Un altro modo in cui gli isomeri metastabili possono decadere è la conversione interna. Nella conversione interna, l’energia rilasciata dal decadimento accelera un elettrone interno, facendolo uscire dall’atomo con notevole energia e velocità. Esistono altre modalità di decadimento per isomeri nucleari altamente instabili.

Notazione metastabile e dello stato fondamentale

Lo stato fondamentale è indicato utilizzando il simbolo g (quando viene utilizzata una qualsiasi notazione). Gli stati eccitati sono indicati utilizzando i simboli m, n, o, ecc. Il primo stato metastabile è indicato dalla lettera m. Se un isotopo specifico ha più stati metastabili, gli isomeri sono designati m1, m2, m3, ecc. La designazione è elencata dopo il numero di massa (ad esempio, cobalto 58m o 58m27Co, afnio-178m2 o 178m272Hf).

Il simbolo sf può essere aggiunto per indicare isomeri capaci di fissione spontanea. Questo simbolo è utilizzato nella Carta dei Nuclidi di Karlsruhe.

Esempi di stati metastabili

Otto Hahn scoprì il primo isomero nucleare nel 1921. Questo era Pa-234m, che decade in Pa-234.

Lo stato metastabile più longevo è quello di 180m73 Ta. Questo stato metastabile del tantalio non è stato visto decadere e sembra durare almeno 1015 anni (più dell’età dell’universo). Poiché lo stato metastabile dura così a lungo, l’isomero nucleare è essenzialmente stabile. Il tantalio-180m si trova in natura con un’abbondanza di circa 1 su 8300 atomi. Si pensa che forse l’isomero nucleare sia stato prodotto nelle supernove.

Come sono fatti

Gli isomeri nucleari metastabili si verificano tramite reazioni nucleari e possono essere prodotti utilizzando la fusione nucleare. Si verificano sia naturalmente che artificialmente.

Isomeri di fissione e isomeri di forma

Un tipo specifico di isomero nucleare è l’isomero di fissione o isomero di forma. Gli isomeri di fissione sono indicati utilizzando un poscritto o un apice “f” invece di “m” (ad esempio, plutonio-240f o 240f94Pu). Il termine “isomero di forma” si riferisce alla forma del nucleo atomico. Mentre il nucleo atomico tende a essere rappresentato come una sfera, alcuni nuclei, come quelli della maggior parte degli attinidi, sono sfere prolate (a forma di calcio). A causa degli effetti della meccanica quantistica, la diseccitazione degli stati eccitati allo stato fondamentale è ostacolata, quindi gli stati eccitati tendono a subire la fissione spontanea oppure a tornare allo stato fondamentale con un’emivita di nanosecondi o microsecondi. I protoni e neutroni di un isomero di forma possono essere anche più lontani da una distribuzione sferica rispetto ai nucleoni allo stato fondamentale.

Usi degli isomeri nucleari

Gli isomeri nucleari possono essere utilizzati come sorgenti gamma per procedure mediche, batterie nucleari, per la ricerca sull’emissione stimolata da raggi gamma e per laser a raggi gamma.