Nukleare isomerer blev opdaget for 100 år siden, og fysikere er stadig ved at opklare deres mysterier

Nobelpristageren Otto Hahn er krediteret for opdagelsen af ​​nuklear fission. Fission er en af ​​de vigtigste opdagelser i det 20. århundrede, men alligevel anså Hahn noget andet for at være hans bedste videnskabelige arbejde.

I 1921 studerede han radioaktivitet på Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry i Berlin, Tyskland, da han bemærkede noget, han ikke kunne forklare. Et af de elementer, han arbejdede med, var ikke at opføre sig, som det skulle have. Hahn havde ubevidst opdaget den første nukleare isomer, en atomkerne, hvis protoner og neutroner er arrangeret anderledes end grundstoffets almindelige form, hvilket får det til at have usædvanlige egenskaber. Det tog yderligere 15 års opdagelser inden for kernefysik at kunne forklare Hahns observationer.

Vi er to professorer i kernefysik, som studerer sjældne kerner, herunder nukleare isomerer.

Det mest almindelige sted at finde isomerer er inde i stjerner, hvor de spiller en rolle i de nukleare reaktioner, der skaber nye grundstoffer. I de senere år er forskere begyndt at undersøge, hvordan isomerer kan bruges til gavn for menneskeheden. De bruges allerede inden for medicin og kan en dag tilbyde stærke muligheder for energilagring i form af atombatterier.

På jagt efter radioaktive isotoper

I begyndelsen af ​​1900-tallet var videnskabsmænd på jagt efter nye radioaktive grundstoffer. Et grundstof betragtes som radioaktivt, hvis det spontant frigiver partikler i en proces, der kaldes radioaktivt henfald. Når dette sker, omdannes elementet over tid til et andet element.

På det tidspunkt stolede forskere på tre kriterier for at opdage og beskrive et nyt radioaktivt grundstof. Den ene var at se på kemiske egenskaber - hvordan det nye grundstof reagerer med andre stoffer. De målte også typen og energien af ​​de partikler, der blev frigivet under det radioaktive henfald. Til sidst ville de måle, hvor hurtigt et grundstof henfaldt. Henfaldshastigheder beskrives ved hjælp af udtrykket halveringstid, som er den tid, det tager for halvdelen af ​​det oprindelige radioaktive grundstof at henfalde til noget andet.

I 1920'erne havde fysikere opdaget nogle radioaktive stoffer med identiske kemiske egenskaber, men forskellige halveringstider. Disse kaldes isotoper. Isotoper er forskellige versioner af det samme grundstof, der har det samme antal protoner i deres kerne, men forskelligt antal neutroner.

Uran er et radioaktivt grundstof med mange isotoper, hvoraf to forekommer naturligt på Jorden. Disse naturlige uranisotoper henfalder til grundstoffet thorium, som igen henfalder til protactinium, og hver har sine egne isotoper. Hahn og hans kollega Lise Meitner var de første til at opdage og identificere mange forskellige isotoper, der stammer fra nedbrydningen af ​​grundstoffet uran.

Alle de isotoper, de studerede, opførte sig som forventet, bortset fra én. Denne isotop så ud til at have de samme egenskaber som en af ​​de andre, men dens halveringstid var længere. Dette gav ingen mening, da Hahn og Meitner havde placeret alle de kendte isotoper af uran i en pæn klassificering, og der var ingen tomme pladser til at rumme en ny isotop. De kaldte dette stof "uran Z."

Det radioaktive signal fra uran Z var omkring 500 gange svagere end radioaktiviteten af ​​de andre isotoper i prøven, så Hahn besluttede at bekræfte sine observationer ved at bruge mere materiale. Han købte og kemisk adskilte uran fra 220 pund (100 kg) meget giftigt og sjældent uransalt. Det overraskende resultat af dette andet, mere præcise eksperiment antydede, at det mystiske uran Z, nu kendt som protactinium-234, var en allerede kendt isotop, men med en meget anderledes halveringstid. Dette var det første tilfælde af en isotop med to forskellige halveringstider. Hahn offentliggjorde sin opdagelse af den første nukleare isomer, selvom han ikke helt kunne forklare det.

Neutroner fuldender historien

På tidspunktet for Hahns eksperimenter i 1920'erne tænkte forskerne stadig på atomer som en klump af protoner omgivet af et lige så stort antal elektroner. Det var først i 1932, at James Chadwick foreslog, at en tredje partikel - neutroner - også var en del af kernen.

Med denne nye information var fysikere straks i stand til at forklare isotoper - de er kerner med det samme antal protoner og forskellige antal neutroner. Med denne viden havde det videnskabelige samfund endelig værktøjerne til at forstå uran Z.

I 1936 foreslog Carl Friedrich von Weizsäcker, at to forskellige stoffer kunne have det samme antal protoner og neutroner i deres kerner, men i forskellige arrangementer og med forskellige halveringstider. Det arrangement af protoner og neutroner, der resulterer i den laveste energi, er det mest stabile materiale og kaldes grundtilstand. Arrangementer, der resulterer i mindre stabile, højere energier af en isotop kaldes isomere tilstande.

Til at begynde med var nukleare isomerer kun nyttige i det videnskabelige samfund som et middel til at forstå, hvordan kerner opfører sig. Men når du først forstår egenskaberne ved en isomer, er det muligt at begynde at spørge, hvordan de kan bruges.

Isomerer i medicin og astronomi

Isomerer har vigtige anvendelser inden for medicin og bruges i titusinder af diagnostiske procedurer årligt. Da isomerer gennemgår radioaktivt henfald, kan specielle kameraer spore dem, når de bevæger sig gennem kroppen.

For eksempel er technetium-99m en isomer af technetium-99. Når isomeren henfalder, udsender den fotoner. Ved hjælp af fotondetektorer kan læger spore, hvordan technetium-99m bevæger sig gennem hele kroppen og skabe billeder af hjertet, hjernen, lungerne og andre kritiske organer for at hjælpe med at diagnosticere sygdomme, herunder kræft. Radioaktive grundstoffer og isotoper er normalt farlige, fordi de udsender ladede partikler, der beskadiger kropsvæv. Isomerer som technetium er sikre til medicinsk brug, fordi de kun udsender en enkelt, harmløs foton ad gangen og intet andet, mens de henfalder.

Isomerer er også vigtige i astronomi og astrofysik. Stjerner er drevet af den energi, der frigives under nukleare reaktioner. Da isomerer er til stede i stjerner, er kernereaktioner anderledes, end hvis et materiale var i sin grundtilstand. Dette gør studiet af isomerer afgørende for at forstå, hvordan stjerner producerer alle grundstofferne i universet.

Isomerer i fremtiden

Et århundrede efter, at Hahn først opdagede isomerer, opdager forskere stadig nye isomerer ved hjælp af kraftfulde forskningsfaciliteter rundt om i verden, herunder Facility for Rare Isotope Beams ved Michigan State University. Denne facilitet kom online i maj 2022, og vi håber, at den vil låse op for mere end 1.000 nye isotoper og isomerer.

Forskere undersøger også, om nukleare isomerer kan bruges til at bygge verdens mest nøjagtige ur, eller om isomerer en dag kan være grundlaget for den næste generation af batterier. Mere end 100 år efter påvisningen af ​​en lille anomali i uransalt er videnskabsmænd stadig på jagt efter nye isomerer og er netop begyndt at afsløre det fulde potentiale af disse fascinerende stykker fysik. + Udforsk yderligere

Forskere opdager det tungeste kendte calciumatom; otte nye sjældne isotoper opdaget i alt

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.