Un isómero nuclear ocurre cuando los protones o neutrones en un núcleo atómico se excitan, pero no se desintegran inmediatamente.
Definición de isómero nuclear
Los isómeros nucleares son átomos con el mismo número de masa y número atómico, pero con diferentes estados de excitación en el núcleo atómico. El estado más alto o más excitado se llama estado metaestable, mientras que el estado estable, no excitado se llama estado fundamental.
¿Cómo trabajan?
La mayoría de las personas son conscientes de que los electrones pueden cambiar los niveles de energía y encontrarse en estados de excitación. Un proceso análogo ocurre en el núcleo atómico cuando los protones o neutrones (los nucleones) se excitan. El nucleón excitado ocupa un orbital nuclear de mayor energía.
La mayoría de las veces, los nucleones excitados regresan inmediatamente al estado fundamental, pero si el estado excitado tiene una vida media mayor de 100 a 1000 veces la de los estados excitados normales, se considera un estado metaestable. En otras palabras, la vida media de un estado excitado suele ser del orden de 10 a 12 segundos, mientras que un estado metaestable tiene una vida media de 10 a 9 segundos o más.
Algunas fuentes definen un estado metaestable como el que tiene una vida media superior a 5 x 10 -9 segundos para evitar confusiones con la vida media de la emisión gamma. Si bien la mayoría de los estados metaestables decaen rápidamente, algunos duran minutos, horas, años o mucho más.
La razón por la que se forman los estados metaestables es porque se necesita un cambio de espín nuclear más grande para que regresen al estado fundamental. El cambio de giro alto hace que las desintegraciones sean «transiciones prohibidas» y las retrasa. La vida media de la descomposición también se ve afectada por la cantidad de energía de descomposición disponible.
La mayoría de los isómeros nucleares regresan al estado fundamental a través de la desintegración gamma. A veces, la desintegración gamma de un estado metaestable se denomina transición isomérica, pero es esencialmente lo mismo que la desintegración gamma normal de corta duración. Por el contrario, la mayoría de los estados atómicos excitados (electrones) regresan al estado fundamental a través de la fluorescencia.
Otra forma en que los isómeros metaestables pueden desintegrarse es mediante conversión interna. En la conversión interna, la energía que se libera por la desintegración acelera un electrón interno, lo que hace que salga del átomo con una energía y velocidad considerables. Existen otros modos de desintegración para los isómeros nucleares altamente inestables.
Notación metaestable y de estado fundamental
El estado fundamental se indica mediante el símbolo g (cuando se utiliza cualquier notación). Los estados excitados se indican mediante los símbolos m, n, o, etc. El primer estado metaestable se indica con la letra m. Si un isótopo específico tiene múltiples estados metaestables, los isómeros se designan m1, m2, m3, etc. La designación aparece después del número de masa (p. Ej., Cobalto 58m o 58m 27 Co, hafnio-178m2 o 178m2 72 Hf).
Puede añadirse el símbolo sf para indicar isómeros capaces de fisión espontánea. Este símbolo se utiliza en la tabla de nucleidos de Karlsruhe.
Ejemplos de estados metaestables
Otto Hahn descubrió el primer isómero nuclear en 1921. Este fue Pa-234m, que se desintegra en Pa-234.
El estado metaestable de mayor duración es el de 180m 73 Ta. No se ha visto que este estado metaestable del tantalio se descomponga y parece durar al menos 10 15 años (más que la edad del universo). Debido a que el estado metaestable perdura tanto, el isómero nuclear es esencialmente estable. El tantalio-180m se encuentra en la naturaleza en una abundancia de aproximadamente 1 por cada 8300 átomos. Se cree que quizás el isómero nuclear se produjo en supernovas.
¿Cómo se hacen?
Los isómeros nucleares metaestables se producen mediante reacciones nucleares y pueden producirse mediante fusión nuclear. Ocurren tanto de forma natural como artificial.
Isómeros de fisión e isómeros de forma
Un tipo específico de isómero nuclear es el isómero de fisión o el isómero de forma. Los isómeros de fisión se indican utilizando una posdata o un superíndice «f» en lugar de «m» (por ejemplo, plutonio-240f o 240f 94 Pu).
El término «forma de isómero» se refiere a la forma del núcleo atómico. Si bien el núcleo atómico tiende a representarse como una esfera, algunos núcleos, como los de la mayoría de los actínidos, son esferas alargadas (en forma de balón de fútbol).
Debido a los efectos de la mecánica cuántica, la desexcitación de los estados excitados al estado fundamental se ve obstaculizada, por lo que los estados excitados tienden a sufrir una fisión espontánea o bien vuelven al estado fundamental con una vida media de nanosegundos o microsegundos. Los protones y neutrones de un isómero de forma pueden estar incluso más alejados de una distribución esférica que los nucleones en el estado fundamental.
Usos de isómeros nucleares
Isómeros nucleares se pueden utilizar como fuentes de rayos gamma para los procedimientos médicos, baterías nucleares, para la investigación de rayos gamma emisión estimulada, y para los láseres de rayos gamma.
