Isomeria nucleare

Esempio di isomeria  : tantalio 179

Isomero	Energia di eccitazione	Periodo	Rotazione
179 Tuo	0,0 k eV	1,82 anni	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 +

L' isomero nucleare è il fatto che un singolo nucleo atomico può esistere in diversi stati energetici ognuno caratterizzato da uno spin e da una specifica energia di eccitazione. Lo stato corrispondente al livello di energia più basso è chiamato stato fondamentale  : è lo stato in cui si trovano naturalmente tutti i nuclidi . Gli stati di maggiore energia, se esistono, sono chiamati isomeri nucleari dell'isotopo in esame; sono generalmente molto instabili e il più delle volte derivano dal decadimento radioattivo .

Gli isomeri nucleari sono annotati aggiungendo la lettera "m" - per "  metastabile  " - all'isotopo considerato: quindi l' alluminio 26 , il cui livello fondamentale ha uno spin  5+ ed è radioattivo con un periodo di 717.000 anni, ha un isomero, indicato 26 m Al , caratterizzato da uno spin 0+, un'energia di eccitazione di 6.345,2  k eV e un periodo di 6,35 secondi.

Se ci sono più livelli di eccitazione per questo isotopo, ciascuno di essi è annotato seguendo la lettera “m” da un numero di serie, quindi gli isomeri del tantalio 179 presentati nella tabella a lato.

Un isomero nucleare ritorna al suo stato fondamentale subendo una transizione isomerica , che si traduce nell'emissione di fotoni energetici, raggi X o raggi γ , corrispondenti all'energia di eccitazione.

Isomeri nucleari di particolare interesse

Alcuni isomeri nucleari sono particolarmente degni di nota:

• Il tecnezio-99m è utilizzato in medicina per la sua emissione di fotoni di 140 k eV corrispondenti ai raggi γ normalmente impiegati in radiologia .

• L' afnio di 178m2 è sia molto energico che piuttosto stabile, con un periodo di 31 anni; secondo alcuni scienziati, la sua transizione isomerica potrebbe essere innescata dalla radiazione X incidente, che aprirebbe la strada a un metodo di immagazzinamento ad altissima densità di energia, nonché alla realizzazione di armi compatte di distruzione di massa di prossima generazione.

• Il tantalio 180m1 ha la particolarità di essere stabile per almeno 10 15  anni, cosa ancora più notevole che lo stato fondamentale dell'isotopo 180 Ta è, tuttavia, molto instabile: il 180m Ta è l'unico isomero nucleare presente nell'ambiente naturale ; anche il meccanismo della sua formazione nelle supernove è abbastanza enigmatico.

• Il torio 229m può essere noto isomero con la più bassa energia di eccitazione, solo pochi elettronvolt  : questa energia è così bassa che è difficile da misurare, il consenso che si trova stimato a ± 7,6 0,5  eV . Ciò corrisponde a fotoni nel ultravioletto , e se fosse possibile eccitare l' isotopo 229 Th con un laser ultravioletto di adeguata lunghezza d'onda, si renderebbe possibile la realizzazione di densità ad alta energia batterie , anche di orologi nucleare precisione.

• L' americio-242 è, come il tantalio 180m1, più stabile del suo stato fondamentale; la sua massa critica di pochi chilogrammi lo renderebbe un possibile combustibile nucleare per applicazioni di propulsione spaziale mediante frammenti di fissione .

Isomeri di fissione

Oltre all'isomeria nucleare derivante da un'energia di eccitazione che modifica la distribuzione dei nucleoni sugli strati nucleari, esiste un'isomeria di forma, detta “  fissione  ”, definita da una particolare conformazione dei grandi nuclei atomici che deviano in modo significativo. Una geometria sferica: adottano una forma sferoidale oblata o prolata a seconda dei casi, con rapporti tra diametro e asse di simmetria che possono superare 1: 2.

A differenza degli isomeri eccitati, gli isomeri di fissione possono essere riassorbiti in modo diverso dalla radiazione γ  : un'eccessiva deformazione del nucleo può infatti portare alla sua fissione .

Questi isomeri di fissione sono indicati con la lettera "f" anziché "m", come il 242f Am isomero , distinta dalla 242m Am isomero .

Note e riferimenti

1. (in) BR Beck et al., "  Energy splitting in the ground state dopplet in the nucleus 229 Th  " , Physical Review Letters , vol.  98, 6 aprile 2007, p.  142501 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.98.142501 , leggi in linea )