Al premio Nobel Otto Hahn se le atribuye el descubrimiento de la fisión nuclear. La fisión es uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX, pero Hahn consideró otra cosa como su mejor trabajo científico.

En 1921, estaba estudiando radiactividad en el Instituto de Química Kaiser Wilhelm en Berlín, Alemania, cuando notó algo que no podía explicar. Uno de los elementos con los que estaba trabajando no se comportaba como debería. Sin saberlo, Hahn había descubierto el primer isómero nuclear, un núcleo atómico cuyos protones y neutrones están dispuestos de manera diferente a la forma común del elemento, lo que hace que tenga propiedades inusuales. Fueron necesarios otros 15 años de descubrimientos en física nuclear para poder explicar las observaciones de Hahn.

Somos dos profesores de física nuclear que estudian núcleos raros, incluidos los isómeros nucleares.

El lugar más común para encontrar isómeros es dentro de las estrellas, donde juegan un papel en las reacciones nucleares que crean nuevos elementos. En los últimos años, los investigadores han comenzado a explorar cómo se pueden utilizar los isómeros en beneficio de la humanidad. Ya se utilizan en medicina y algún día podrían ofrecer poderosas opciones para el almacenamiento de energía en forma de baterías nucleares.

A la caza de isótopos radiactivos

A principios del siglo XX, los científicos buscaban nuevos elementos radiactivos. Un elemento se considera radiactivo si libera partículas espontáneamente en un proceso llamado decaimiento radiactivo. Cuando esto sucede, el elemento se transforma con el tiempo en un elemento diferente.

En ese momento, los científicos se basaron en tres criterios para descubrir y describir un nuevo elemento radiactivo. Una era observar las propiedades químicas:cómo reacciona el nuevo elemento con otras sustancias. También midieron el tipo y la energía de las partículas liberadas durante la desintegración radiactiva. Finalmente, medirían qué tan rápido se descompone un elemento. Las velocidades de descomposición se describen utilizando el término vida media, que es la cantidad de tiempo que tarda la mitad del elemento radiactivo inicial en desintegrarse en otra cosa.

En la década de 1920, los físicos habían descubierto algunas sustancias radiactivas con propiedades químicas idénticas pero vidas medias diferentes. Estos se llaman isótopos. Los isótopos son versiones diferentes del mismo elemento que tienen el mismo número de protones en su núcleo, pero diferente número de neutrones.

El uranio es un elemento radiactivo con muchos isótopos, dos de los cuales se encuentran naturalmente en la Tierra. Estos isótopos de uranio natural se descomponen en el elemento torio, que a su vez se descompone en protactinio, y cada uno tiene sus propios isótopos. Hahn y su colega Lise Meitner fueron los primeros en descubrir e identificar muchos isótopos diferentes que se originaron a partir de la descomposición del elemento uranio.

Todos los isótopos que estudiaron se comportaron como se esperaba, excepto uno. Este isótopo parecía tener las mismas propiedades que uno de los otros, pero su vida media era más larga. Esto no tenía sentido, ya que Hahn y Meitner habían colocado todos los isótopos conocidos de uranio en una clasificación ordenada y no había espacios vacíos para acomodar un nuevo isótopo. Llamaron a esta sustancia "uranio Z".

La señal radiactiva del uranio Z era unas 500 veces más débil que la radiactividad de los demás isótopos de la muestra, por lo que Hahn decidió confirmar sus observaciones utilizando más material. Compró y separó químicamente uranio de 220 libras (100 kilogramos) de sal de uranio rara y altamente tóxica. El sorprendente resultado de este segundo experimento, más preciso, sugirió que el misterioso uranio Z, ahora conocido como protactinio-234, era un isótopo ya conocido, pero con una vida media muy diferente. Este fue el primer caso de un isótopo con dos vidas medias diferentes. Hahn publicó su descubrimiento del primer isómero nuclear, aunque no pudo explicarlo por completo.

Los neutrones completan la historia

En el momento de los experimentos de Hahn en la década de 1920, los científicos todavía pensaban en los átomos como un grupo de protones rodeados por un número igual de electrones. No fue hasta 1932 que James Chadwick sugirió que una tercera partícula, los neutrones, también formaban parte del núcleo.

Con esta nueva información, los físicos pudieron explicar de inmediato los isótopos:son núcleos con la misma cantidad de protones y diferente cantidad de neutrones. Con este conocimiento, la comunidad científica finalmente tuvo las herramientas para comprender el uranio Z.

En 1936, Carl Friedrich von Weizsäcker propuso que dos sustancias diferentes podían tener el mismo número de protones y neutrones en sus núcleos pero en diferentes arreglos y con diferentes vidas medias. La disposición de protones y neutrones que da como resultado la energía más baja es el material más estable y se denomina estado fundamental. Los arreglos que resultan en energías más altas y menos estables de un isótopo se denominan estados isoméricos.

Al principio, los isómeros nucleares fueron útiles en la comunidad científica solo como un medio para comprender cómo se comportan los núcleos. Pero una vez que comprende las propiedades de un isómero, es posible comenzar a preguntarse cómo se pueden usar.

Isómeros en medicina y astronomía

Los isómeros tienen importantes aplicaciones en medicina y se utilizan en decenas de millones de procedimientos de diagnóstico anualmente. Dado que los isómeros experimentan una descomposición radiactiva, cámaras especiales pueden rastrearlos a medida que se mueven por el cuerpo.

Por ejemplo, el tecnecio-99m es un isómero del tecnecio-99. A medida que el isómero se desintegra, emite fotones. Usando detectores de fotones, los médicos pueden rastrear cómo el tecnecio-99m se mueve por todo el cuerpo y crear imágenes del corazón, el cerebro, los pulmones y otros órganos críticos para ayudar a diagnosticar enfermedades, incluido el cáncer. Los elementos e isótopos radiactivos normalmente son peligrosos porque emiten partículas cargadas que dañan los tejidos corporales. Los isómeros como el tecnecio son seguros para uso médico porque emiten solo un único fotón inofensivo a la vez y nada más a medida que se descomponen.

Los isómeros también son importantes en astronomía y astrofísica. Las estrellas se alimentan de la energía liberada durante las reacciones nucleares. Dado que los isómeros están presentes en las estrellas, las reacciones nucleares son diferentes que si un material estuviera en su estado fundamental. Esto hace que el estudio de los isómeros sea fundamental para comprender cómo las estrellas producen todos los elementos del universo.

Isómeros en el futuro

Un siglo después de que Hahn descubriera por primera vez los isómeros, los científicos aún están descubriendo nuevos isómeros utilizando poderosas instalaciones de investigación en todo el mundo, incluida la Instalación para Haces de Isótopos Raros en la Universidad Estatal de Michigan. Esta instalación entró en funcionamiento en mayo de 2022 y esperamos que desbloquee más de 1000 nuevos isótopos e isómeros.

Los científicos también están investigando si los isómeros nucleares podrían usarse para construir el reloj más preciso del mundo o si algún día los isómeros podrían ser la base para la próxima generación de baterías. Más de 100 años después de la detección de una pequeña anomalía en la sal de uranio, los científicos siguen a la caza de nuevos isómeros y apenas han comenzado a revelar todo el potencial de estas fascinantes piezas de la física. + Explora más

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Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.