Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 25 – vyšlo 11. srpna, ročník 21 (2023) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

25/2023

Jaderné izomery – záhadné metastabilní stavy jader

Adam Prášek

Syntézou tantaluTantal – Tantalum, vzácný, tvrdý, modro-šedý, lesklý, přechodný kov. Je vysoce korozivzdorný a používá pro výrobu chirurgických nástrojů a implantátů, protože je zcela inertní vůči organickým tělesným tkáním. Tantal byl objeven roku 1802 švédským chemikem Andersem G. Ekebergem, čistý prvek byl izolován až v roce 1820 Jönsem Berzeliem.  v AGBAGB – Asymptotic Giant Branch, starší a chladnější hvězdy v HR diagramu, které leží mimo hlavní posloupnost. Mají mezi 0,6 až 10 slunečními hmotnostmi. V AGB hvězdách dochází k pulzacím doprovázeným ztrátou hmoty, která umožnuje transport těžkých prvků (které v těchto hvězdách vznikají) do okolního prostoru, díky čemuž jsou AGB hvězdy největším producentem těžkých prvků. hvězdách jsme se již zabývali v AB 10/2023. Pro toto jádro byla důležitá existence kvazistabilního stavu, tzv. izomeruJaderný izomer – excitovaný stav atomového jádra, který má výrazně delší poločas rozpadu než ostatní excitované stavy tohoto jádra. Nestabilnějším izomerem je ^180mTa, jehož rozpad na základní stav nebyl nikdy pozorován a odhaduje se na nejméně 10¹⁵ let. Potlačení rozpadů těchto stavů je způsobeno velmi rozdílnou strukturou obou stavů (spin, deformace apod.). Jaderný izomer se označuje písmenem „m“ (metastabilní) v nukleonovém čísle, například ^53mFe nebo ⁵³Fe^m., na energii 77,2 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. (starší zdroje uvádějí energii kolem 75 keV), který je svou strukturou natolik odlišný od základního stavu, že je jeho poločas rozpadu delší než stáří vesmíru. V tomto bulletinu volně navážeme a podíváme se na obecné charakteristiky jaderných izomerů, a jak by tyto pozoruhodné stavy jader bylo možno využít v praktických aplikacích.

Jaderné izomery jsou excitované stavy jader, jejichž rozpad je mnohem pomalejší než rozpad ostatních excitovaných stavů – standardně se uvažuje doba života alespoň 10⁻⁹ s, ale existují i izomery s poločasem rozpadu v řádu let. Jaderné izomery značíme pomocí „m“, například ^180mTa nebo ¹⁸⁰Ta^m. V případě výskytu více takových stavů používáme číslování „m1, m2“ atd., například ^178m2Hf. Extrémním případem z hlediska doby života je ^180mTa, kde je poločas rozpadu o mnoho řádů delší, než je stáří vesmíru. Mezi další izomery s dlouhou dobou života pak patří ^178m2Hf s poločasem rozpadu 31 let, nebo ^166mHo, které má poločas 1 200 let.

Diagram energií izomerů pro jednotlivé izotopy. Většina izomerů má energie do
 několika MeV, vidíme ale i několik jader s energií nad 10 MeV. Zdroj: ArXiv.

Izotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd. Jaderný izomer – excitovaný stav atomového jádra, který má výrazně delší poločas rozpadu než ostatní excitované stavy tohoto jádra. Nestabilnějším izomerem je 180mTa, jehož rozpad na základní stav nebyl nikdy pozorován a odhaduje se na nejméně 1015 let. Potlačení rozpadů těchto stavů je způsobeno velmi rozdílnou strukturou obou stavů (spin, deformace apod.). Jaderný izomer se označuje písmenem „m“ (metastabilní) v nukleonovém čísle, například 53mFe nebo 53Fem. Spin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. Poločas rozpadu – doba, za kterou se jádro radioaktivního izotopu rozpadne s pravděpodobností 1/2. Excitovaný stav – stav, kdy má systém vyšší energii, než je energie základního stavu.

Objev prvního izomeru

Na počátku minulého století, krátce po objevu existence atomového jádra, probíhaly snahy o nalezení nových radioaktivních prvků. Zajímavý objev přišel v roce 1921, kdy Otto Hahn s Lisou Meitnerovou zkoumali izotopy uranu. Hahn objevil, že izotop protaktinia ²³⁴Pa, které se rozpadá beta minus rozpademBeta rozpad – β⁻: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β⁺: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino. na ²³⁴U, má dva poločasy rozpadu. Hahn nebyl schopen tento objev nijak interpretovat a publikoval jej jako zvláštní anomálii v experimentálních datech. Tento efekt je dán tím, že ²³⁴Pa má základní stav s poločasem rozpadu 6,7 hodiny, zatímco izomer ^234mPa na energii 74 keV má poločas rozpadu jen 1,16 minuty (oba stavy se rozpadají beta minus rozpadem).

Vysvětlení jevu se podařilo až v roce 1936 Carlu Friedrichovi von Weizsäckerovi, který si uvědomil, že různé uspořádání protonů a neutronů v jádře může vést na různé stavy jádra s různými vlastnostmi – podobně jako chemické izomery odpovídají různému tvaru molekul. K vysvětlení povahy izomerů pomohl Chadwickův objev neutronu, neboť před rokem 1932 nebylo jasné, z čeho se jádra skládají – bylo zřejmé, že kromě protonu zde musí být nějaká další částice, ale žádná v té době známá částice to být nemohla. Po Chadwickově objevu jsme však již znali neutron, s jehož pomocí bylo možno si udělat obrázek o struktuře jader a začít zkoumat strukturu i teoreticky.

Otto Hahn a Lisa Meitnerová hledající nové radioaktivní prvky. Fotografie pochází z roku 1913, z Institutu císaře Wilhelma v Berlíně. Zdroj: Archiv společnosti Maxe Plancka, Berlin-Dahlem.

Struktura jaderných izomerů

Důvodem, proč se některé excitované stavy rozpadají jen velmi pomalu, je to, že potřebné rozpady jsou potlačeny například velkým rozdílem vnitřní struktury jádra – pokud rozpad jádra vyžaduje velkou změnu momentu hybnosti, bude velmi málo pravděpodobný – tento proces se v literatuře označuje jako spin suppression. Příkladem může být izomer ^180mTa, o něm již byla řeč v AB 10/2023 (Produkce tantalu ve hvězdách). Další důvod k potlačení přechodu může být velký rozdíl tvaru jader – rozpad by pak požadoval velkou změnu rozložení nukleonů v jádře, která není pravděpodobná. Takováto jádra označujeme jako tvarové izomery (shape isomer). Příkladem zde může být ^242mAm s energií 48,6 keV a s poločasem rozpadu 141 let. Tyto izomery se někdy také označují jako štěpné izomery (fission isomer), protože se typicky vyskytují u těžkých jader, kde je velmi rozdílná struktura základního stavu a izomeru, a tak může docházet namísto rozpadu do základního stavu také ke spontánnímu štěpení.

Tvarový izomer někdy také označujeme jako štěpný izomer. Na obrázku vidíme průběh energie v závislosti na deformaci jádra. Jádro v izomerickém stavu je stabilní, protože je v minimu potenciální energie a na přechod do základního stavu či spontánní štěpení je třeba dodat energii. Všimněme si, že bariéra pro štěpení je menší než pro přechod do základního stavu – izomer má větší pravděpodobnost spontánního štěpení než gama rozpadu do základního stavu. Zdroj: PPNP.

Jiným mechanizmem jsou tzv. K-izomery – ty se objevují tehdy, když excitované stavy odpovídají rotaci deformovaného jádra, přičemž osa rotace je výrazně odlišná od osy rotace stavů s nižší energií – jádro se pak musí při rozpadu překlopit. Příkladem těchto izomerů může být ^180mHf či ^190mOs nebo ^178m2Hf.

Jaderné izomery hrají význačnou roli v astrofyzice, kde mohou ovlivňovat průběh jaderných reakcí – izomer totiž může mít velmi odlišné vlastnosti oproti základnímu stavu – například ¹⁸⁰Ta v základním stavu se rozpadá beta rozpadem s poločasem 8,5 hodiny, zatímco ^180mTa je vůči tomuto rozpadu stabilní. Dalším příkladem může být třeba ²⁶Al se základním stavem s poločasem rozpadu 717 tisíc let, a izomerem s poločasem rozpadu 6,5 sekundy. Přítomnost izomeru tedy vede k tomu, že pro vyšší teploty klesá stabilita ²⁶Al. Naopak pro nízké energie se základní stav a izomer ²⁶Al chovají jako dva odlišné izotopy.

Izomer s nejdelším poločasem rozpadu je ^180mTa, kde rozpad na základní stav nebyl vůbec pozorován – aktuální odhad jeho poločasu rozpadu je vyšší než 10¹⁶ let a teoretické přepovědi přesahují 10²⁰ let – připomeňme, že stáří vesmíru je řádově 10¹⁰ let.

Další velmi zajímavý izomer je ^229mTh s energií 8,1 eV – tedy asi tisíckrát až desettisíckrát menší, než mají běžné excitované stavy na nízkých energiích. Příběh tohoto izomeru začal v roce 1976, kdy se zjistilo, že ²²⁹Th má izomer s velmi nízkou excitační energií – počáteční odhad byl, že energie je menší než 100 eV, později v roce 1990 byla tato hranice snížena na 10 eV, a časem očekávaná hodnota klesla na 3,5 eV. Takto nízká energie, která je na úrovni energií v elektronovém obalu, je zajímavá v tom, že umožňuje excitaci jádra pomocí elektromagnetického záření v ultrafialové oblasti, a tím i aplikaci pro konstrukci například jaderných hodin. V roce 2007 pak byla energie zpřesněna na 7,6 eV. Aktuální hodnota 8,10±0,17 eV byla změřena až v roce 2020. Hlavním problémem při měření rozpadu ^229mTh je to, že dochází dominantně k elektronové konverzi – procesu, kdy místo emise fotonu je energie jádra předána elektronům v obalu.

Nízká excitační energie ^229mTh vede k tomu, že vlastnosti tohoto stavu mohou být ovlivňovány elektronovými orbitaly, a tedy chemickými vazbami látky, v níž se jádra ²²⁹Th nacházejí. Toto u typických energií excitovaných stavů v desítkách keV až jednotkách MeV nenastává, jádro je v porovnání s elektrony příliš pevně vázáno. Zajímavé také je, že pro ionty ^229mThⁿ⁺ je elektronová konverze zakázána, protože energie jaderného přechodu není dostatečná. Ionty se tak musejí rozpadat emisí fotonu, což má zásadní efekt na jejich poločas rozpadu – teoretický odhad poločasu rozpadu pro emisi fotonu je 10³ až 10⁴ sekund, zatímco při využití elektronové konverze je rozpad řádově kolem 10 mikrosekund. Přechod doprovázený emisí fotonu se dlouhou dobu nedařilo pozorovat, v květnu 2023 však vyšel článek Observation of the radiative decay of the ²²⁹Th nuclear clock isomer, který popisuje objev těchto přechodů [6].

Diagram zobrazující možnou excitaci ^229mTh. Dosavadní metody výroby tohoto izomeru zahrnovaly využití rozpadu ²³³U, což s sebou nese problém vysoké radioaktivity. Při této nové technice využíváme rentgenového záření k excitaci do stavu s energií 29,19 keV, který rozpadem produkuje ^229mTh, jehož rozpad na základní stav emituje záření využívané pro měření času. Zdroj: Okayama University. 

Novinky letošního roku – objev izomeru ^32mNa a rozpadu ^53mFe

V dubnu letošního roku vyšel v časopise Physical Review Letters článek [7], v němž byl oznámen objev nového izomeru ^32mNa. Izomer má energii 625 keV a naměřený poločas rozpadu je 24±2 μs. Zajímavostí je, že tento nuklid se vyskytuje v oblasti, kde přechází tvary jader od sférických k deformovaným, což vede na možnost výskytu tvarových izomerů.

Experiment byl založen na produkci ^32mNa neelastickým rozptylem při srážce s těžkými ionty jiných prvků. Neelastický rozptyl je proces, kdy při srážce dvou jader dojde k předání energie – reakce tedy nemění typ jádra, ale vede k produkci excitovaných stavů. Rozpady jader ^32mNa byly naměřeny detektorem, který pracuje v diferenciálním režimu, tj. zaznamenává počet rozpadů v jednotlivých časových intervalech.

Graf znázorňující počet registrovaných rozpadů za každých 2,25 μs. Vidíme, že po produkci ^32mNa v čase t = 0 nastává exponenciální pokles intenzity daný rozpadem izomeru. Ze strmosti tohoto rozpadu pak lze poměrně dobře určit poločas života tohoto stavu. Výrazné maximum pro t = 0 je dáno produkcí promptních fotonů, tj. fotonů, které se uvolňují okamžitě při neelastickém rozptylu. Zdroj: ArXiv.

Ve spektru (viz následující obrázek) pozorujeme píky na energii 224 a 401 keV. Je třeba ale dát pozor na současné emise obou fotonů (tzv. sumace), které mohou vést (dle účinnosti detektoru) na jejich souběžnou detekci a výskyt píku na energii 625 keV, a s tím spojený pokles výšky píků na 224 a 401 keV. Takovou situaci je třeba korigovat.

Z experimentu dále plyne, že izomer tvořil 1,8 % ³²Na. Důvodem k pomalému rozpadu tohoto jádra může být rozdíl spinů, který zde ale není příliš velký. Teoretické výpočty však naznačují, že by v tomto případě mohly přechody se změnou spinu o 2 vést na odpovídající poločasy rozpadu. Druhým vysvětlením je možnost, že by se jednalo o tvarový izomer, protože v ³²Na nastává jev označovaný jako tvarová koexistence (shape coexistence), kde v jednom jádře nacházíme výrazně odlišné deformace pro různé stavy. Podle teoretických výpočtů z jaderných modelů je ale pravděpodobnější první varianta.

Spektrum gama rozpadů po aktivaci ³²Na (černá). Vložený obrázek pak znázorňuje
časový vývoj spektra – můžeme vidět dvě linie pro 224 a 401 keV. Zdroj: ArXiv.

Druhou novinkou letošního roku je měření rozpadu izomeru ^53mFe pomocí tzv. E6 rozpadu. Toto jádro vděčí za svou stabilitu velkému rozdílu spinu stavu ^53mFe a základního stavu ⁵³Fe (tento rozdíl má v tomto případě konkrétně hodnotu 6). Jak jsme se již zmínili, tak velký rozdíl spinu excitovaného a základního stavu vede na velmi pomalý rozpad. I experimentálně proto pozorujeme, že rozpady s malou změnou spinu jsou mnohem běžnější – pro změnu spinu o 3 máme 1100 známých přechodů, pro 4 jich je asi 170, pro 5 pak 25, a pro změnu spinu o 6 je nově nalezený rozpad ^53mFe prvním experimentálně doloženým případem takového rozpadu.

V experimentu byly paprskem ⁶Li ozařovány ⁵¹V cíle, přičemž v reakci ⁵¹V(⁶Li,4n)⁵³Fe, tj. záchytu ⁶Li na ⁵¹V vedoucímu na produkci ⁵³Fe a čtyř neutronů, vznikla jádra železa včetně excitovaných stavů ^53mFe. K detekci byly použity germaniové polovodičové detektory (HPGe, High-Purity Germanium). Paprsek ⁶Li ozařoval vanadiové cíle po dobu 7,5 minut (tři poločasy rozpadu ^53mFe) a poté po dobu osmi poločasů, tedy 20 minut, probíhalo měření rozpadu. Produkci ^53mFe lze potvrdit z pozorování píků na energiích 701, 1011, 1328 a 2338 keV, které odpovídají jiným rozpadům ⁵³Fe, než je pozorovaný rozpad. Mimoto se podařilo ovšem pozorovat i pík na energii 3 041 keV, který zůstává i po odečtení sumací (detekce více částic naráz).

Vlevo vidíme schéma rozpadu ^53mFe (stav 19/2⁻), který je značen červeně. Vpravo je pak schéma slupkového modelu, kde nukleony obsazují hladiny podobně jako elektrony v atomárním obalu. Jednotlivé orbitaly mají kapacitu vždy podle jejich typu, daném momentem hybnosti – ty zpravidla značíme s, p, d, f. Zdroj: ArXiv.

Ačkoli v tomto experimentu docházelo k sumacím jen velmi vzácně, signál pro E6 přechod je velmi slabý, a proto i drobné sumace mohou snadno vést k jeho skrytí ve spektru. Experiment prokázal, že k rozpadu E6 skutečně dochází, a podařilo se také určit větvení tohoto rozpadu – tím rozumíme to, jak velká část jader se rozpadne E6 přechodem a jaká část půjde jinými přechody, viz poslední obrázek. Příspěvek sumací byl korigován třemi různými metodami a všechny zde vedly na stejný výsledek – vidíme tedy, že se nejedná jen o náhodnou chybu měření.

Pozorování rozpadu, jako je tento, je zajímavé i teoreticky – jedná se totiž o unikátní test našich modelů pro strukturu atomových jader. Ty jsou navrženy především dle pozorování běžných přechodů s malým rozdílem spinu a přechod s rozdílem 6 je extrémním procesem.

Závěr

Novinky představené v tomto bulletinu nepředstavují žádné revoluční objevy, které by zcela změnily tvář jaderné fyziky. Takto to však ve vědě většinou chodí – posouváme se dopředu malými krůčky a pomalu odkrýváme hádanku fungování světa, kterou nám tu nachystala příroda. Z praktického hlediska jsou pro nás izomery důležité, protože mají zajímavé aplikace – jelikož se jedná o excitované stavy s dlouhou dobou života, uvažovalo se například o gama laserech, které by místo standardně využívaného přechodu v elektronovém obalu využily přechod jaderný – ten má mnohem vyšší excitační energii, což by vedlo na laser pracující v oblasti gama záření. Takovéto zařízení, tj. regulovatelný zdroj gama záření, by mělo zásadní aplikace: od diagnostiky, přes lékařskou péči až do zbrojního průmyslu.

Jinou aplikací mohou být například jaderné baterie – pokud bychom našli vhodný izomer, který je velice stabilní a zároveň jej lze snadno donutit k rozpadu (například vnějším ozářením), bylo by možno zkonstruovat jaderné baterie – zatímco klasická baterie je založena na uvolnění energie přeměnou elektronových vazeb atomů, tak v případě jader by se (opět díky vysoké excitační energii jádra) jednalo o zařízení schopná akumulovat obrovské množství energie – například jeden kilogram přírodního tantalu obsahuje pouze 0,012 % tantalu ^180mTa, přesto je v tomto množství uchováno zhruba 4,6 MJ energie. V čistém ^180mTa by se pak jednalo o asi 38,3 GJ energie na kilogram tohoto izotopu.

Takovéto aplikace jsou zatím spíše vizí budoucnosti, ale každý vynález měl na svém prvopočátku smělou myšlenku, kterou se nakonec podařilo zrealizovat. Uvidíme tedy, co nám budoucnost přinese.

Odkazy