Нобеловецот Ото Хан е заслужен за откривањето на нуклеарната фисија. Фисијата е едно од најважните откритија на 20 век, но Хан сметал дека нешто друго е неговото најдобро научно дело.

Во 1921 година тој студирал радиоактивност на Институтот за хемија „Кајзер Вилхлем“ во Берлин, Германија, кога забележал нешто што не можел да го објасни. Еден од елементите со кои работел не се однесувал како што треба. Хан несвесно го открил првиот нуклеарен изомер, атомско јадро чии протони и неутрони се распоредени поинаку од вообичаената форма на елементот, поради што има необични својства. Биле потребни уште 15 години истражувања во нуклеарната физика за да може да се објаснат забелешките на Хан.

Најчесто место за наоѓање изомери е во ѕвездите, каде што тие играат улога во нуклеарните реакции кои создаваат нови елементи. Во последниве години истражувачите почнаа да истражуваат како може да се користат изомерите во корист на човештвото. Тие веќе се користат во медицината и еден ден би можеле да понудат опции за складирање енергија во форма на нуклеарни батерии.


Во потрага по радиоактивни изотопи

Во почетокот на 20 век научниците биле во потрага по нови радиоактивни елементи. Еден елемент се смета за радиоактивен ако спонтано ослободува честички во процес наречен радиоактивно распаѓање. Кога ќе се случи тоа, елементот со текот на времето се трансформира во различен елемент.

Во тоа време научниците се потпирале на три критериуми за да откријат и да опишат нов радиоактивен елемент. Еден од нив бил да се погледнат хемиските својства - како новиот елемент реагира со други супстанции. Тие, исто така, ги мереле видот и енергијата на честичките ослободени при радиоактивното распаѓање. Конечно, тие би измериле колку брзо се распаѓа еден елемент. Брзините на распаѓање се опишани со користење на терминот полуживот, што е времето потребно за половина од почетниот радиоактивен елемент да се распадне во нешто друго.

До 20-тите години физичарите открија некои радиоактивни супстанции со идентични хемиски својства, но различен полуживот. Тие се нарекуваат изотопи. Изотопите се различни верзии на истиот елемент кои имаат ист број на протони во нивното јадро, но различен број на неутрони. Ураниумот е радиоактивен елемент со многу изотопи, од кои два природно се наоѓаат на Земјата. Овие природни изотопи на ураниум се распаѓаат во елементот ториум, кој пак се распаѓа во протактиниум и секој има свои изотопи. Хан и неговата колешка Лизе Мајтнер биле првите што откриле и идентификувале многу различни изотопи кои потекнуваат од распаѓањето на елементот ураниум.

Сите изотопи што ги проучувале се однесувале како што се очекувало, освен еден. Изгледа дека овој изотоп ги имал истите својства како еден од другите, но неговиот полуживот бил подолг. Ова немало смисла бидејќи Хан и Мајтнер ги поставиле сите познати изотопи на ураниум во уредна класификација и немало празни места за да се смести нов изотоп. Оваа супстанција ја нарекле „ураниум З“.

Радиоактивниот сигнал на ураниумот З бил околу 500 пати послаб од радиоактивноста на другите изотопи во примерокот, па Хан решил да ги потврди своите набљудувања користејќи повеќе материјал. Тој купил и хемиски одвоил ураниум од 100 килограми високотоксична и ретка ураниумова сол.

Изненадувачкиот резултат од овој втор, попрецизен експеримент покажал дека мистериозниот ураниум З, сега познат како протактиниум-234, бил веќе познат изотоп, но со многу различен полуживот. Ова бил прв случај на изотоп со два различни полуживоти. Хан го објавил своето откритие за првиот нуклеарен изомер, иако не можел целосно да го објасни.

Неутроните ја комплетираат приказната

Во времето на експериментите на Хан научниците сè уште мислеле на атомите како на куп протони опкружени со еднаков број електрони. Дури во 1932 година Џејмс Чедвик предложил трета честичка - неутроните - исто така да бидат дел од јадрото.

Со оваа нова информација физичарите веднаш можеле да ги објаснат изотопите - јадра со ист број протони и различен број неутрони. Со ова знаење, научната заедница конечно имала алатки за да го разбере ураниумот З.

Во 1936 година Карл Фридрих фон Вајцекер предложил дека две различни супстанции може да имаат ист број протони и неутрони во нивните јадра, но во различни распореди и со различен полуживот. Распоредот на протоните и неутроните што резултира со најниска енергија е најстабилен материјал и се нарекува основна состојба. Аранжманите што резултираат со помалку стабилни, повисоки енергии на изотоп се нарекуваат изомерни состојби.

На почетокот нуклеарните изомери биле корисни во научната заедница само како средство за разбирање како се однесуваат јадрата. Но, штом ќе ги разберете својствата на изомерот, можно е да започнете да прашувате како тие можат да се користат.

Изомерите во медицината и астрономијата

Изомерите имаат важна примена во медицината и се користат во десетици милиони дијагностички процедури годишно. Бидејќи изомерите се подложени на радиоактивно распаѓање, специјалните камери можат да ги следат додека се движат низ телото.

На пример, технециум-99m е изомер на технециум-99. Како што изомерот се распаѓа, тој емитира фотони. Користејќи фотонски детектори, лекарите можат да следат како технециумот-99m се движи низ телото и да создаваат слики од срцето, мозокот, белите дробови и другите органи за да помогнат во дијагностицирање болести, вклучително и рак. Радиоактивните елементи и изотопи се вообичаено опасни бидејќи испуштаат наелектризирани честички кои ги оштетуваат телесните ткива. Изомерите како технециумот се безбедни за медицинска употреба бидејќи емитираат само еден, безопасен фотон во исто време и ништо друго додека се распаѓаат.

Изомерите се, исто така, важни во астрономијата и астрофизиката. Ѕвездите се напојуваат од енергијата ослободена за време на нуклеарните реакции. Бидејќи изомерите се присутни во ѕвездите, нуклеарните реакции се различни отколку кога материјалот би бил во својата основна состојба. Ова го прави проучувањето на изомерите клучно за разбирање како ѕвездите ги произведуваат сите елементи во универзумот.

Изомерите во иднина

По еден век откако Хан првпат ги открил изомерите, научниците сè уште откриваат нови изомери користејќи моќни истражувачки капацитети низ светот, вклучувајќи го и објектот за ретки изотопни зраци на Државниот универзитет во Мичиген. Овој објект се појави на интернет во мај 2022 година и научниците се надеваат дека ќе отклучи повеќе од 1.000 нови изотопи и изомери.

Научниците, исто така, истражуваат дали нуклеарните изомери би можеле да се искористат за да се изгради најточниот часовник во светот или дали изомерите може еден ден да бидат основа за следната генерација батерии. По над 100 години од откривањето мала аномалија во солта на ураниум, научниците сè уште се во потрага по нови изомери и штотуку почнаа да го откриваат целосниот потенцијал на овие фасцинантни делови од физиката.

Извор: Inverse.com
Фото: Screenshot/YouTube