Isomería nuclear

Ejemplo de isomería  : tantalio 179

Isómero	Energía de excitación	Período	Girar
179 Tu	0,0 k eV	1,82 años	7/2 +
179m1 Ta	30,7 k eV	1,42 µs	9 / 2-
179m2 Ta	520,2 k eV	335 ns	1/2 +
179m3 Ta	1.252,6 k eV	322 ns	21 / 2-
179m4 Ta	1317,3 k eV	9,0 ms	25/2 +
179m5 Ta	1327,9 k eV	1,6 µs	23 / 2-
179m6 Ta	2.639,3 k eV	54,1 ms	37/2 +

El isómero nuclear es el hecho de que un solo núcleo atómico puede existir en diferentes estados de energía, cada uno caracterizado por un espín y una energía de excitación específica. El estado correspondiente al nivel de energía más bajo se llama estado fundamental  : es el estado en el que todos los nucleidos se encuentran naturalmente . Los estados de mayor energía, si existen, se denominan isómeros nucleares del isótopo considerado; generalmente son muy inestables y con mayor frecuencia son el resultado de la desintegración radiactiva .

Los isómeros nucleares se anotan agregando la letra "m" - para "  metaestable  " - al isótopo considerado: así el aluminio 26 , cuyo nivel fundamental tiene un spin  5+ y es radiactivo con un período de 717.000 años, tiene un isómero, denotado 26m Al , caracterizado por un giro 0+, una energía de excitación de 6.345,2  k eV y un período de 6,35 segundos.

Si hay varios niveles de excitación para este isótopo, cada uno de ellos se indica siguiendo la letra "m" por un número de serie, por lo tanto, los isómeros de tantalio 179 presentados en la tabla de al lado.

Un isómero nuclear vuelve a su estado fundamental al experimentar una transición isomérica , que da como resultado la emisión de fotones energéticos, rayos X o rayos γ , correspondientes a la energía de excitación.

Isómeros nucleares de especial interés

Algunos isómeros nucleares son particularmente notables:

• El tecnecio-99m se utiliza en medicina por su emisión de fotones de 140 k eV correspondientes a los rayos γ empleados habitualmente en radiología .

• El hafnio de 178m2 es muy energético y bastante estable, con un período de 31 años; según algunos científicos, su transición isomérica podría desencadenarse por la radiación X incidente, lo que allanaría el camino para un método de almacenamiento con una densidad de energía muy alta, así como para la realización de armas compactas de destrucción masiva de próxima generación.

• El tantalio 180m1 tiene la distinción de ser estable durante al menos 10 15  años, lo que es aún más notable que el estado fundamental del isótopo 180 Ta es, sin embargo, muy inestable: el 180m Ta es el único isómero nuclear presente en el entorno natural. ; el mecanismo de su formación en supernovas también es bastante enigmático.

• El torio 229m puede ser el isómero conocido con la energía de excitación más baja, solo unos pocos electronvoltios  : esta energía es tan baja que es difícil de medir, el consenso sitúa la estimación en ± 7,6 0,5  eV . Esto corresponde a fotones en el ultravioleta , y si fuera posible excitar el isótopo 229 Th con un láser ultravioleta de longitud de onda adecuada, permitiría la realización de baterías de alta densidad energética, incluso de precisión de relojes nucleares .

• El americio-242 es, como tantalio 180m1, más estable que su estado fundamental; su masa crítica de unos pocos kilogramos lo convertiría en un posible combustible nuclear para aplicaciones espaciales de propulsión por fragmentos de fisión .

Isómeros de fisión

Además de la isomería nuclear resultante de una energía de excitación que modifica la distribución de los nucleones en las capas nucleares, existe una isomería de forma, conocida como "  fisión  ", definida por una conformación particular de los grandes núcleos atómicos que se desvían significativamente. Una geometría esférica: adoptan una forma de esferoide achatado o alargado según el caso, con relaciones entre diámetro y eje de simetría que pueden superar 1: 2.

A diferencia de los isómeros excitados, los isómeros de fisión pueden reabsorberse por medios distintos de la radiación γ  : una deformación excesiva del núcleo puede conducir a su fisión .

Estos isómeros de fisión se indican con la letra "f" en lugar de "m", como el isómero 242f Am, distinto del isómero 242m Am .

Notas y referencias

1. (in) BR Beck et al., "  División de energía en el doblete del estado fundamental en el núcleo 229 Th  " , Physical Review Letters , vol.  98, 6 de abril de 2007, p.  142501 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.98.142501 , leer en línea )