Nobelpristagaren Otto Hahn tillskrivs upptäckten av kärnklyvning. Fission är en av 1900-talets viktigaste upptäckter, men Hahn ansåg att något annat var hans bästa vetenskapliga arbete.

1921 studerade han radioaktivitet vid Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry i Berlin, Tyskland, när han märkte något han inte kunde förklara. Ett av elementen han arbetade med var att inte bete sig som det borde ha gjort. Hahn hade omedvetet upptäckt den första nukleära isomeren, en atomkärna vars protoner och neutroner är ordnade på ett annat sätt än grundämnets vanliga form, vilket gör att den har ovanliga egenskaper. Det tog ytterligare 15 år av upptäckter inom kärnfysik för att kunna förklara Hahns observationer.

Vi är två professorer i kärnfysik som studerar sällsynta kärnor inklusive kärnisomerer.

Det vanligaste stället att hitta isomerer är inuti stjärnor, där de spelar en roll i de kärnreaktioner som skapar nya grundämnen. Under de senaste åren har forskare börjat utforska hur isomerer kan användas för mänsklighetens bästa. De används redan inom medicin och kan en dag erbjuda kraftfulla alternativ för energilagring i form av kärnkraftsbatterier.

På jakt efter radioaktiva isotoper

I början av 1900-talet var forskare på jakt efter nya radioaktiva ämnen. Ett grundämne anses vara radioaktivt om det spontant frigör partiklar i en process som kallas radioaktivt sönderfall. När detta händer omvandlas elementet över tiden till ett annat element.

Vid den tiden förlitade sig forskare på tre kriterier för att upptäcka och beskriva ett nytt radioaktivt element. En var att titta på kemiska egenskaper – hur det nya grundämnet reagerar med andra ämnen. De mätte också typen och energin hos de partiklar som frigjordes under det radioaktiva sönderfallet. Slutligen skulle de mäta hur snabbt ett element sönderföll. Nedbrytningshastigheter beskrivs med termen halveringstid, vilket är den tid det tar för hälften av det ursprungliga radioaktiva grundämnet att sönderfalla till något annat.

På 1920-talet hade fysiker upptäckt några radioaktiva ämnen med identiska kemiska egenskaper men olika halveringstider. Dessa kallas isotoper. Isotoper är olika versioner av samma grundämne som har samma antal protoner i sin kärna, men olika antal neutroner.

Uran är ett radioaktivt grundämne med många isotoper, varav två förekommer naturligt på jorden. Dessa naturliga uranisotoper sönderfaller till grundämnet torium, som i sin tur sönderfaller till protactinium, och var och en har sina egna isotoper. Hahn och hans kollega Lise Meitner var de första som upptäckte och identifierade många olika isotoper som härrörde från grundämnet uran sönderfall.

Alla isotoper de studerade betedde sig som förväntat, förutom en. Denna isotop verkade ha samma egenskaper som en av de andra, men dess halveringstid var längre. Detta var ingen mening, eftersom Hahn och Meitner hade placerat alla kända isotoper av uran i en snygg klassificering, och det fanns inga tomma utrymmen för att rymma en ny isotop. De kallade detta ämne "uran Z."

Den radioaktiva signalen från uran Z var cirka 500 gånger svagare än radioaktiviteten hos de andra isotoperna i provet, så Hahn bestämde sig för att bekräfta sina observationer genom att använda mer material. Han köpte och kemiskt separerade uran från 220 pund (100 kg) mycket giftigt och sällsynt uransalt. Det överraskande resultatet av detta andra, mer exakta experiment antydde att det mystiska uran Z, nu känd som protactinium-234, var en redan känd isotop, men med en helt annan halveringstid. Detta var det första fallet av en isotop med två olika halveringstider. Hahn publicerade sin upptäckt av den första nukleära isomeren, även om han inte kunde förklara det helt.

Neutroner kompletterar berättelsen

Vid tiden för Hahns experiment på 1920-talet tänkte forskare fortfarande på atomer som en klump av protoner omgiven av lika många elektroner. Det var inte förrän 1932 som James Chadwick föreslog att en tredje partikel – neutroner – också var en del av kärnan.

Med denna nya information kunde fysiker omedelbart förklara isotoper - de är kärnor med samma antal protoner och olika antal neutroner. Med denna kunskap hade forskarsamhället äntligen verktygen för att förstå uran Z.

1936 föreslog Carl Friedrich von Weizsäcker att två olika ämnen kunde ha samma antal protoner och neutroner i sina kärnor men i olika arrangemang och med olika halveringstider. Arrangemanget av protoner och neutroner som ger lägst energi är det mest stabila materialet och kallas grundtillstånd. Arrangemang som resulterar i mindre stabila, högre energier hos en isotop kallas isomera tillstånd.

Till en början var nukleära isomerer användbara i det vetenskapliga samfundet endast som ett sätt att förstå hur kärnor beter sig. Men när du väl förstår egenskaperna hos en isomer är det möjligt att börja fråga hur de kan användas.

Isomerer inom medicin och astronomi

Isomerer har viktiga tillämpningar inom medicin och används i tiotals miljoner diagnostiska procedurer årligen. Eftersom isomerer genomgår radioaktivt sönderfall kan speciella kameror spåra dem när de rör sig genom kroppen.

Till exempel är teknetium-99m en isomer av teknetium-99. När isomeren sönderfaller avger den fotoner. Med hjälp av fotondetektorer kan läkare spåra hur teknetium-99m rör sig i hela kroppen och skapa bilder av hjärtat, hjärnan, lungorna och andra kritiska organ för att hjälpa till att diagnostisera sjukdomar inklusive cancer. Radioaktiva grundämnen och isotoper är normalt farliga eftersom de avger laddade partiklar som skadar kroppsvävnader. Isomerer som teknetium är säkra för medicinsk användning eftersom de bara avger en enda, ofarlig foton åt gången och inget annat när de sönderfaller.

Isomerer är också viktiga inom astronomi och astrofysik. Stjärnor drivs av den energi som frigörs under kärnreaktioner. Eftersom isomerer finns i stjärnor är kärnreaktioner annorlunda än om ett material var i sitt grundtillstånd. Detta gör studiet av isomerer avgörande för att förstå hur stjärnor producerar alla grundämnen i universum.

Isomerer i framtiden

Ett sekel efter att Hahn först upptäckte isomerer, upptäcker forskare fortfarande nya isomerer med hjälp av kraftfulla forskningsanläggningar runt om i världen, inklusive Facility for Rare Isotope Beams vid Michigan State University. Den här anläggningen kom online i maj 2022 och vi hoppas att den kommer att låsa upp mer än 1 000 nya isotoper och isomerer.

Forskare undersöker också om nukleära isomerer kan användas för att bygga världens mest exakta klocka eller om isomerer en dag kan vara grunden för nästa generations batterier. Mer än 100 år efter upptäckten av en liten anomali i uransalt, är forskare fortfarande på jakt efter nya isomerer och har precis börjat avslöja den fulla potentialen hos dessa fascinerande fysikdelar. + Utforska vidare

Forskare upptäcker den tyngsta kända kalciumatomen; åtta nya sällsynta isotoper upptäckta totalt

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.