Παρότι οι ισομερείς πυρήνες ανακαλύφθηκαν πριν από έναν αιώνα, οι φυσικοί εξακολουθούν να ξετυλίγουν τα μυστήριά τους

Ο βραβευμένος με Νόμπελ Otto Hahn πιστώνεται με την ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσης. H σχάση των πυρήνων ήταν μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις του 20ου αιώνα, ωστόσο ο Hahn θεωρούσε μια άλλη ανακάλυψη ως το σημαντικότερο επιτεύγμά του.

Το 1921, όταν μελετούσε το φαινόμενο της ραδιενέργειας στο Ινστιτούτο Χημείας Kaiser Wilhelm στο Βερολίνο της Γερμανίας, παρατήρησε κάτι που δεν μπορούσε να εξηγήσει. Ένα από τα στοιχεία με τα οποία δούλευε δεν συμπεριφερόταν όπως θα έπρεπε. Ο Hahn είχε ανακαλύψει εν αγνοία του το πρώτο πυρηνικό ισομερές, έναν ατομικό πυρήνα του οποίου τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι διατεταγμένα διαφορετικά από την συνηθισμένη μορφή του στοιχείου, με αποτέλεσμα να έχει ασυνήθιστες ιδιότητες. Χρειάστηκαν άλλα 15 χρόνια ανακαλύψεων στην πυρηνική φυσική για να ερμηνευθούν οι παρατηρήσεις του Hahn.

Το πιο συνηθισμένο μέρος όπου βρίσκει κανείς ισομερείς πυρήνες είναι το εσωτερικό των άστρων, όπου διαμέσου διαδοχικών πυρηνικών αντιδράσεων δημιουργούνται τα στοιχεία του περιδικού πίνακα. Οι επιστήμονες δεν παύουν να να διερευνούν το πώς τα ισομερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν προς όφελος της ανθρωπότητας. Ήδη χρησιμοποιούνται στην ιατρική και θα μπορούσαν μια μέρα να προσφέρουν καλύτερες εναλλακτικές αποθήκευσης ενέργειας στην μορφή πυρηνικών μπαταριών.

Κυνηγώντας ραδιενεργά ισότοπα

Στις αρχές του 1900, οι επιστήμονες επιδίδονταν στο κυνήγι νέων ραδιενεργών στοιχείων. Ένα στοιχείο θεωρείται ραδιενεργό εφόσον απελευθερώνει αυθόρμητα σωματίδια με μια διαδικασία που ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση. Όταν συμβαίνει αυτό, το στοιχείο μετατρέπεται με την πάροδο του χρόνου σε διαφορετικό στοιχείο. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες βασίζονταν σε τρία κριτήρια για την ανακάλυψη και περιγραφή ενός νέου ραδιενεργού στοιχείου. Το ένα ήταν να διερευνήσουν τις χημικές του ιδιότητες – πώς το νέο στοιχείο αντιδρά με άλλες ουσίες. Μετρούσαν επίσης τον τύπο και την ενέργεια των σωματιδίων που εκπέμπονταν κατά τη διάρκεια της ραδιενεργού διάσπασης. Και τέλος, θα μετρούσαν πόσο γρήγορα γινόταν η διάσπασή του. Οι ρυθμοί διάσπασης περιγράφονται χρησιμοποιώντας τον όρο ημιζωή, τον χρόνο δηλαδή που απαιτείται για να διασπαστεί η μισή ποσότητα του αρχικού δείγματος των ραδιενεργών πυρήνων στα προίόντα διάσπασης.

Από την δεκαετία του 1920, οι φυσικοί είχαν ανακαλύψει ορισμένες ραδιενεργές ουσίες με τις ίδιες χημικές ιδιότητες, αλλά με διαφορετικούς χρόνους ημιζωής. Αυτά ονομάζονται ισότοπα. Τα ισότοπα είναι διαφορετικές εκδοχές του ίδιου στοιχείου που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα τους, αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων.

Το ουράνιο είναι ένα ραδιενεργό στοιχείο με πολλά ισότοπα, δύο από τα οποία αποτελούν φυσικό συστατικό γήινων πετρωμάτων. Αυτά τα φυσικά ισότοπα ουρανίου διασπώνται προς το στοιχείο θόριο, το οποίο με τη σειρά του διασπάται σε πρωτακτίνιο και το καθένα από αυτά έχει τα δικά του ισότοπα. Ο Hahn και η συνεργάτης του Lise Meitner ήταν οι πρώτοι που ανακάλυψαν και εντόπισαν πολλά διαφορετικά ισότοπα που προέρχονται από τη διάσπαση του στοιχείου ουρανίου.

Όλα τα ισότοπα που μελέτησαν συμπεριφέρθηκαν με τον αναμενόμενο τρόπο, εκτός από ένα. Αυτό το ισότοπο φαινόταν να έχει τις ίδιες ιδιότητες με ένα από τα άλλα, αλλά ο χρόνος ημιζωής του ήταν μεγαλύτερος. Αυτό δεν είχε νόημα, καθώς ο Hahn και η Meitner είχαν ταξινομήσει όλα τα γνωστά ισότοπα ουρανίου και δεν υπήρχαν κενές θέσεις για να τοποθετηθεί ένα νέο ισότοπο. Ονόμασαν αυτή την ουσία «ουράνιο Ζ».

Το ραδιενεργό αποτύπωμα του ουρανίου Ζ ήταν περίπου 500 φορές ασθενέστερο από την ραδιενέργεια των άλλων ισοτόπων στο δείγμα, έτσι ο Hahn αποφάσισε να επιβεβαιώσει τις παρατηρήσεις του χρησιμοποιώντας μεγαλύτερο δείγμα. Προμηθεύτηκε και διαχώρισε χημικά ουράνιο από 100 κιλά εξαιρετικά τοξικού και σπάνιου άλατος ουρανίου. Το εκπληκτικό αποτέλεσμα αυτού του δεύτερου, ακριβέστρερου πειράματος έδειξε ότι το μυστηριώδες ουράνιο Ζ, γνωστό τώρα ως πρωτακτίνιο-234, ήταν ένα ήδη γνωστό ισότοπο, αλλά με πολύ διαφορετικό χρόνο ημιζωής. Αυτή ήταν η πρώτη περίπτωση ισοτόπου με δύο διαφορετικούς χρόνους ημιζωής. Ο Hahn δημοσίευσε την ανακάλυψή του για το πρώτο πυρηνικό ισομερές, παρόλο που δεν μπορούσε να το εξηγήσει πλήρως.

Τα νετρόνια συμπληρώνουν την ιστορία

Την εποχή των πειραμάτων του Hahn στη δεκαετία του 1920, οι επιστήμονες εξακολουθούσαν να θεωρούν ότι τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια συγκεντρωμένα στον πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από ίσο αριθμό ηλεκτρονίων. Μόλις το 1932 ο James Chadwick πρότεινε ότι ένα τρίτο σωματίδιο – τα νετρόνια – ήταν επίσης συστατικό του πυρήνα.

Μελα τη νέα ανακάλυψη, οι φυσικοί μπόρεσαν αμέσως να εξηγήσουν τα ισότοπα – είναι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Με αυτή τη γνώση, η επιστημονική κοινότητα είχε τελικά τα εργαλεία για να κατανοήσει το ουράνιο Ζ.

Το 1936 ο Carl Friedrich von Weizsäcker πρότεινε ότι δύο διαφορετικές ουσίες θα μπορούσαν να έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων στους πυρήνες τους αλλά σε διαφορετικές διατάξεις και με διαφορετικό χρόνο ημιζωής. Η διάταξη πρωτονίων και νετρονίων που έχει ως αποτέλεσμα την χαμηλότερη ενέργεια είναι η πιο σταθερή και ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση. Οι διατάξεις ενός ισοτόπου που προκύπτουν σε υψηλότερες ενέργειες είναι λιγότερο σταθερές και ονομάζονται ισομερείς καταστάσεις. Ο λόγος που σχηματίζονται τέτοιες μακρόβιες μετασταθείς καταστάσεις είναι γιατί απαιτείται μεγάλη μεταβολή πυρηνικού σπιν προκειμένου να μεταβούν στη βασική κατάσταση. Η υψηλή μεταβολή του πυρηνικού σπιν τις κάνει ‘απαγορευμένες μεταβάσεις΄ καθυστερώντας την αποδιέγερση, κάτι που αυξάνει τον χρόνο ημιζωής. Καταστάσεις με μέσο χρόνο αποδιέγερσης μεγαλύτερο από 0,1 sec χαρακτηρίζονται ως ισομερείς και συμβολίζονται με τον δείκτη m (στην περίπτωση των ισοτόπων με περισσότερα από ένα ισομερή, m2, m3 κλπ.), ενώ για το φαινόμενο έχει καθιερωθεί ο όρος πυρηνικός ισομερισμός.

Αρχικά, η επιστημονική κοινότητα χρησιμοποιούσε τα πυρηνικά ισομερή μόνο ως μέσο κατανόησης της συμπεριφοράς των πυρήνων. Αλλά μόλις κατανοήσετε τις ιδιότητες ενός ισομερούς, είναι πιθανό να αρχίσετε να ρωτάτε σε τι χρησιμεύουν.

Τα ισομερή στην ιατρική και την αστρονομία

Τα ισομερή έχουν σημαντικές εφαρμογές στην ιατρική και χρησιμοποιούνται σε δεκάδες εκατομμύρια διαγνώσεις ετησίως. Δεδομένου ότι τα ισομερή υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση, ειδικές κάμερες μπορούν να τα παρακολουθούν καθώς κινούνται μέσα στο σώμα. Ίσως το πιο διαδεμένο ισότοπο στην ιατρική διάγνωση είναι το ^99mTc (τεχνήτιο-99m) που δημιουργήθηκε στο Κέντρο Ερευνών Brookhaven National Laboratory περί το 1965 και πλέον κατασκευάζεται για τις ανάγκες των νοσοκομείων.

Το τεχνήτιο-99m είναι ένα ισομερές του τεχνήτιου-99. Το εν λόγω ισομερές έχει χρόνο ημιζωής 6 ώρες, και καθώς διασπάται, εκπέμπει φωτόνια. Χρησιμοποιώντας ανιχνευτές φωτονίων, οι γιατροί μπορούν να παρακολουθήσουν πώς το τεχνήτιο-99m κινείται σε όλο το σώμα και να δημιουργήσουν εικόνες της καρδιάς, του εγκεφάλου, των πνευμόνων και άλλων βασικών οργάνων για να βοηθήσουν στη διάγνωση ασθενειών, συμπεριλαμβανομένου και του καρκίνου. Τα ραδιενεργά στοιχεία είναι συνήθως επικίνδυνα επειδή εκπέμπουν φορτισμένα σωματίδια που βλάπτουν τους ιστούς του σώματος. Τα ισομερή όπως το τεχνήτιο είναι ασφαλή για ιατρική χρήση επειδή εκπέμπουν μόνο ένα, αβλαβές φωτόνιο κάθε φορά καθώς διασπώνται και τίποτα άλλο.

Επίσης, τα πυρηνικά ισομερή είναι σημαντικά στην αστρονομία και την αστροφυσική. Τα άστρα ακτινοβολούν την ενέργεια που απελευθερώνουν οι πυρηνικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό τους. Δεδομένου ότι στα άστρα υπάρχουν ισομερείς πυρήνες, οι πυρηνικές αντιδράσεις τους είναι διαφορετικές από ό,τι αν οι πυρήνες βρίσκονταν στη θεμελιώδη τους κατάσταση. Αυτό καθιστά τη μελέτη των ισομερών κρίσιμη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα άστρα παράγουν όλα τα στοιχεία του σύμπαντος.

Τα ισομερή στο μέλλον

Έναν αιώνα αφότου ο Hahn ανακάλυψε για πρώτη φορά ισομερή, οι επιστήμονες εξακολουθούν να ανακαλύπτουν νέα ισομερή σε διάφορα εργαστήρια επιταχυντών ανά τον κόσμο, όπως η εγκατάσταση για δέσμες σπάνιων ισοτόπων στο πανεπιστήμιο του Michigan. Αναμένεται ότι θα μελετήσει περισσότερα από 1.000 νέα ισότοπα και ισομερή.

Οι επιστήμονες διερευνούν επίσης την πιθανή χρήση των πυρηνικών ισομερών στην κατασκευή του ακριβέστερου ρολογιού στον κόσμο ή την δυνατότητα τα ισομερή να αποτελέσουν τη βάση για την επόμενη γενιά μπαταριών. Περισσότερα από 100 χρόνια μετά την ανίχνευση μιας μικρής ανωμαλίας στο άλας ουρανίου, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναζητούν νέα ισομερή και μόλις άρχισαν να αποκαλύπτουν την μεγάλη προοπτική αυτού του συναρπαστικού τομέα της φυσικής.

τα παραπάνω είναι μια εντελώς ελεύθερη απόδοση άρθρου της Άρτεμης Σπύρου και του Dennis Mücher που δημοσιεύεται στο theconversation με τίτλο: Nuclear isomers were discovered 100 years ago, and physicists are still unraveling their mysteries

Κατηγορίες:ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ