Il premio Nobel Otto Hahn è accreditato della scoperta della fissione nucleare. La fissione è una delle scoperte più importanti del 20° secolo, eppure Hahn considerava qualcos'altro il suo miglior lavoro scientifico.

Nel 1921, stava studiando la radioattività presso l'Istituto di chimica Kaiser Wilhelm a Berlino, in Germania, quando notò qualcosa che non riusciva a spiegare. Uno degli elementi con cui stava lavorando era non comportarsi come avrebbe dovuto. Hahn aveva scoperto inconsapevolmente il primo isomero nucleare, un nucleo atomico i cui protoni e neutroni sono disposti in modo diverso dalla forma comune dell'elemento, il che gli fa avere proprietà insolite. Ci sono voluti altri 15 anni di scoperte nella fisica nucleare per poter spiegare le osservazioni di Hahn.

Siamo due professori di fisica nucleare che studiano i nuclei rari inclusi gli isomeri nucleari.

Il luogo più comune per trovare isomeri è all'interno delle stelle, dove svolgono un ruolo nelle reazioni nucleari che creano nuovi elementi. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a esplorare come gli isomeri possono essere utilizzati a beneficio dell'umanità. Sono già utilizzati in medicina e potrebbero un giorno offrire potenti opzioni per l'accumulo di energia sotto forma di batterie nucleari.

A caccia di isotopi radioattivi

All'inizio del 1900, gli scienziati erano alla ricerca di nuovi elementi radioattivi. Un elemento è considerato radioattivo se rilascia spontaneamente particelle in un processo chiamato decadimento radioattivo. Quando ciò accade, l'elemento si trasforma nel tempo in un elemento diverso.

A quel tempo, gli scienziati facevano affidamento su tre criteri per scoprire e descrivere un nuovo elemento radioattivo. Uno era esaminare le proprietà chimiche, come il nuovo elemento reagisce con altre sostanze. Hanno anche misurato il tipo e l'energia delle particelle rilasciate durante il decadimento radioattivo. Infine, misurerebbero la velocità con cui un elemento è decaduto. Le velocità di decadimento sono descritte utilizzando il termine emivita, che è la quantità di tempo necessaria affinché metà dell'elemento radioattivo iniziale decada in qualcos'altro.

Negli anni '20, i fisici avevano scoperto alcune sostanze radioattive con proprietà chimiche identiche ma emivite diverse. Questi sono chiamati isotopi. Gli isotopi sono versioni diverse dello stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni nel loro nucleo, ma un numero diverso di neutroni.

L'uranio è un elemento radioattivo con molti isotopi, due dei quali si trovano naturalmente sulla Terra. Questi isotopi naturali dell'uranio decadono nell'elemento torio, che a sua volta decade in protoattinio, e ciascuno ha i suoi isotopi. Hahn e la sua collega Lise Meitner furono i primi a scoprire e identificare molti diversi isotopi originati dal decadimento dell'elemento uranio.

Tutti gli isotopi che hanno studiato si sono comportati come previsto, tranne uno. Questo isotopo sembrava avere le stesse proprietà di uno degli altri, ma la sua emivita era più lunga. Ciò non aveva senso, poiché Hahn e Meitner avevano collocato tutti gli isotopi conosciuti dell'uranio in una classificazione ordinata e non c'erano spazi vuoti per ospitare un nuovo isotopo. Hanno chiamato questa sostanza "uranio Z".

Il segnale radioattivo dell'uranio Z era circa 500 volte più debole della radioattività degli altri isotopi nel campione, quindi Hahn ha deciso di confermare le sue osservazioni utilizzando più materiale. Ha acquistato e separato chimicamente l'uranio da 220 libbre (100 chilogrammi) di sale di uranio altamente tossico e raro. Il sorprendente risultato di questo secondo, più preciso esperimento ha suggerito che il misterioso uranio Z, ora noto come protoattinio-234, fosse un isotopo già noto, ma con un'emivita molto diversa. Questo è stato il primo caso di un isotopo con due diverse emivite. Hahn pubblicò la sua scoperta del primo isomero nucleare, anche se non riuscì a spiegarlo completamente.

I neutroni completano la storia

Al tempo degli esperimenti di Hahn negli anni '20, gli scienziati pensavano ancora agli atomi come a un gruppo di protoni circondato da un numero uguale di elettroni. Fu solo nel 1932 che James Chadwick suggerì che anche una terza particella, i neutroni, facesse parte del nucleo.

Con queste nuove informazioni, i fisici sono stati immediatamente in grado di spiegare gli isotopi:sono nuclei con lo stesso numero di protoni e diverso numero di neutroni. Con questa conoscenza, la comunità scientifica ha finalmente avuto gli strumenti per comprendere l'uranio Z.

Nel 1936 Carl Friedrich von Weizsäcker propose che due diverse sostanze potessero avere lo stesso numero di protoni e neutroni nei loro nuclei ma in disposizioni diverse e con diverse emivite. La disposizione di protoni e neutroni che si traduce nell'energia più bassa è il materiale più stabile ed è chiamato stato fondamentale. Le disposizioni che determinano energie meno stabili e più elevate di un isotopo sono chiamate stati isomerici.

All'inizio gli isomeri nucleari erano utili nella comunità scientifica solo come mezzo per capire come si comportano i nuclei. Ma una volta comprese le proprietà di un isomero, è possibile iniziare a chiedersi come possono essere utilizzati.

Isomeri in medicina e astronomia

Gli isomeri hanno importanti applicazioni in medicina e vengono utilizzati in decine di milioni di procedure diagnostiche ogni anno. Poiché gli isomeri subiscono un decadimento radioattivo, speciali telecamere possono seguirli mentre si muovono attraverso il corpo.

Ad esempio, il tecnezio-99m è un isomero del tecnezio-99. Quando l'isomero decade, emette fotoni. Utilizzando i rilevatori di fotoni, i medici possono monitorare come il tecnezio-99m si muove in tutto il corpo e creare immagini del cuore, del cervello, dei polmoni e di altri organi critici per aiutare a diagnosticare malattie tra cui il cancro. Gli elementi radioattivi e gli isotopi sono normalmente pericolosi perché emettono particelle cariche che danneggiano i tessuti corporei. Gli isomeri come il tecnezio sono sicuri per uso medico perché emettono solo un singolo fotone innocuo alla volta e nient'altro mentre decadono.

Gli isomeri sono importanti anche in astronomia e astrofisica. Le stelle sono alimentate dall'energia rilasciata durante le reazioni nucleari. Poiché gli isomeri sono presenti nelle stelle, le reazioni nucleari sono diverse che se un materiale fosse nel suo stato fondamentale. Questo rende lo studio degli isomeri fondamentale per capire come le stelle producono tutti gli elementi dell'universo.

Isomeri in futuro

Un secolo dopo la scoperta degli isomeri da parte di Hahn, gli scienziati stanno ancora scoprendo nuovi isomeri utilizzando potenti strutture di ricerca in tutto il mondo, tra cui la Facility for Rare Isotope Beams presso la Michigan State University. Questa struttura è entrata in funzione a maggio 2022 e speriamo che sblocchi più di 1.000 nuovi isotopi e isomeri.

Gli scienziati stanno anche studiando se gli isomeri nucleari potrebbero essere utilizzati per costruire l'orologio più preciso del mondo o se un giorno gli isomeri potrebbero essere la base per la prossima generazione di batterie. Più di 100 anni dopo il rilevamento di una piccola anomalia nel sale di uranio, gli scienziati sono ancora alla ricerca di nuovi isomeri e hanno appena iniziato a rivelare il pieno potenziale di questi affascinanti pezzi di fisica. + Esplora ulteriormente

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Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.