O que são isômeros nucleares? E por que eles são tão incríveis?

O Prêmio Nobel Otto Hahn é creditado com a descoberta da fissão nuclear. A fissão é uma das descobertas mais importantes do século 20, mas Hahn considerou outra coisa como sua melhor trabalho científico.

Em 1921, ele estudava radioatividade no Instituto Kaiser Wilhelm de Química em Berlim, Alemanha, quando notou algo que não conseguia explicar. Um dos elementos com os quais ele estava trabalhando não estava se comportando como deveria. Hahn descobriu sem saber o primeiro isômero nuclear, um núcleo atômico cujos prótons e nêutrons estão dispostos de forma diferente da forma comum do elemento, fazendo com que ele tenha propriedades incomuns. Foram necessários mais 15 anos de descobertas em física nuclear para poder explicar as observações de Hahn.

Nós somos dois professores de nuclear física que estudam núcleos raros, incluindo isômeros nucleares.

O lugar mais comum para encontrar isômeros é dentro das estrelas, onde eles desempenham um papel na reações nucleares que criam novos elementos. Nos últimos anos, os pesquisadores começaram a explorar como os isômeros podem ser usados ​​em benefício da humanidade. Eles já estão usado na medicina e poderia um dia oferecer opções poderosas para armazenamento de energia na forma de baterias nucleares.

Em busca de isótopos radioativos

No início de 1900, os cientistas estavam em busca de novos elementos radioativos. Um elemento é considerado radioativo se ele libera partículas espontaneamente em um processo chamado decaimento radioativo. Quando isso acontece, o elemento é transformado ao longo do pace em um elemento diferente.

Naquela época, os cientistas contavam com três critérios para descobrir e descrever um novo elemento radioativo. Uma delas technology observar as propriedades químicas – como o novo elemento reage com outras substâncias. Eles também mediram o tipo e a energia das partículas liberadas durante o decaimento radioativo. Finalmente, eles mediriam a rapidez com que um elemento decaía. As velocidades de decaimento são descritas usando o termo meia-vida, que é a quantidade de pace que leva para metade do elemento radioativo inicial decair em outra coisa.

Na década de 1920, os físicos descobriram algumas substâncias radioativas com propriedades químicas idênticas, mas com meias-vidas diferentes. Estes são chamados de isótopos. Isótopos são versões diferentes do mesmo elemento que têm o mesmo número de prótons em seu núcleo, mas diferentes números de nêutrons.

O urânio é um elemento radioativo com muitos isótopos, dois dos quais ocorrem naturalmente na Terra. Esses isótopos naturais de urânio decaem no elemento tório, que por sua vez decai em protactínio, e cada um tem seus próprios isótopos. Hahn e seu colega Lise Meitner foram os primeiros a descobrir e identificar muitos isótopos diferentes originários do decaimento do elemento urânio.

Todos os isótopos estudados se comportaram como esperado, exceto um. Este isótopo parecia ter as mesmas propriedades que um dos outros, mas sua meia-vida technology mais longa. Isso não fazia sentido, pois Hahn e Meitner haviam colocado todos os isótopos conhecidos de urânio em uma classificação clara e não havia espaços vazios para acomodar um novo isótopo. Eles chamaram essa substância de “urânio Z”.

O sinal radioativo do urânio Z technology de cerca de 500 vezes mais fraco do que a radioatividade dos outros isótopos na amostra, então Hahn decidiu confirmar suas observações usando mais subject matter. Ele comprou e separou quimicamente o urânio de 100 quilos de sal de urânio altamente tóxico e raro. O resultado surpreendente desse segundo experimento mais preciso sugeriu que o misterioso urânio Z, agora conhecido como protactínio-234, technology um isótopo já conhecido, mas com meia-vida muito diferente. Este foi o primeiro caso de um isótopo com duas meias-vidas diferentes. Hahn publicou sua descoberta do primeiro isômero nuclearembora não pudesse explicá-lo completamente.

Os nêutrons completam a história

Na época dos experimentos de Hahn na década de 1920, os cientistas ainda pensavam nos átomos como um aglomerado de prótons cercado por um número igual de elétrons. Não foi até 1932 que James Chadwick sugeriu que uma terceira partícula – nêutrons – também parte do núcleo.

Com essas novas informações, os físicos conseguiram explicar imediatamente os isótopos – são núcleos com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons. Com esse conhecimento, a comunidade científica finalmente teve as ferramentas para entender o urânio Z.

Em 1936 Carl Friedrich von Weizsäcker propôs que duas substâncias diferentes podem ter o mesmo número de prótons e nêutrons em seus núcleos, mas em arranjos diferentes e com meias-vidas diferentes. O arranjo de prótons e nêutrons que resulta na energia mais baixa é o subject matter mais estável e é chamado de ‘estado basic’. Arranjos que resultam em energias mais altas e menos estáveis ​​de um isótopo são chamados de estados isoméricos.

No início, os isômeros nucleares eram úteis na comunidade científica apenas como meio de entender como os núcleos se comportavam. Mas uma vez que você entenda as propriedades de um isômero, é possível começar a perguntar como eles podem ser usados.