100 χρόνια πυρηνικής ισομέρειας

του Αναπληρωτή Καθηγητή Θεόδωρου Μερτζιμέκη, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ, tmertzi@phys.uoa.gr

Ο Otto Hahn (ελληνιστί Ότο Χαν) πιστώνεται την ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσης, ενός φαινομένου με τεράστια επιστημονική, οικονομική και κοινωνική σημασία. Η σχάση είναι μια από τις πιο σπουδαίες ανακαλύψεις της Φυσικής στον 20ο αιώνα με πληθώρα εφαρμογών στο σημερινό μας πολιτισμό. Παρά τη σπουδαιότητα του φαινομένου, ο βραβευμένος με Νόμπελ το 1944 Hahn [1] θεωρούσε ότι κάποιο άλλο ήταν το σπουδαιότερο επιστημονικό του επίτευγμα.

Το 1921, κατά τη διάρκεια των σπουδών του στο Ινστιτούτο Χημείας Kaiser Wilhelm στο Βερολίνο της Γερμανίας, ο Hahn είχε αφοσιωθεί στη μελέτη των ραδιενεργών διασπάσεων που πρόσφατα είχαν ανακαλυφθεί παρασέρνοντας την ακαδημαϊκή κοινότητα στο κυνήγι των άγνωστων χαρακτηριστικών του υποατομικού κόσμου. Η μελέτη των ακτινοβολιών από ασταθή ισότοπα τον οδήγησε σε μια παρατήρηση την οποία αδυνατούσε να εξηγήσει. Ένα από τα χημικά στοιχεία τα οποία μελετούσε έδειχνε να μη συμπεριφέρεται όπως “θα έπρεπε“. Χωρίς να το γνωρίζει, ο Hahn είχε μόλις ανακαλύψει το πρώτο πυρηνικό ισομερές, δηλ. έναν ατομικό πυρήνα του οποίου η πυρηνική δομή ήταν διαφορετική από την κοινή μορφή του στοιχείου. Στην πραγματικότητα, η δημιουργία του ισομερή πυρήνα οφείλεται στη διαφορετική διάταξη των συστατικών του, πρωτονίων και νετρονίων, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει ασυνήθιστες ιδιότητες. Η τυχαία αυτή ανακάλυψη χρειάστηκε άλλα 15 χρόνια ερευνών στην πυρηνική φυσική, ώστε να καταστεί δυνατή η έγκυρη ερμηνεία των παρατηρήσεων του Hahn.

Χωρίς να το συνειδητοποιούμε οι ισομερείς πυρήνες βρίσκονται σε ευρεία χρήση γύρω μας, με προεξέχοντα πιθανώς τον τομέα των ραδιοφαρμάκων για ακτινοδιάγνωση και θεραπεία, αλλά και στις τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας υπό τη μορφή πυρηνικών μπαταριών, όπως αυτές που τροφοδοτούν τις λειτουργίες εξερευνητικών διαστημοπλοίων και διαστημικών αποστολών. Όμως εκεί που βρίσκονται μαζικά οι ισομερείς πυρήνες είναι μέσα στα αστέρια, όπου διαδραματίζουν κύριο ρόλο στις πυρηνικές αντιδράσεις που δημιουργούν νέα στοιχεία.

Νέα ισότοπα, νέα φυσική

Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες αναζητούσαν με οίστρο νέα ραδιενεργά στοιχεία. Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας από τον Henri Becquerel και των πρώτων ραδιενεργών στοιχείων ραδίου και πολωνίου από το ζεύγος Curie έδωσαν τεράστια ώθηση για την αναζήτηση νέας φυσικής σε υποατομικό επίπεδο, κυρίως μέσω της μελέτης των ακτινοβολιών που εκπέμπονται κατά τη μεταστοιχείωση των χημικών στοιχείων, δηλ. την αλλαγή κάποιου στοιχείου σε ένα άλλο μέσω της διαδικασίας που γενικά ονομάζουμε ραδιενεργή διάσπαση.

Στην απαρχή της αναζήτησης νέων ραδιενεργών στοιχείων, οι επιστήμονες βασίστηκαν κυρίως σε τρία κριτήρια. Το πρώτο ήταν να εξετασθούν οι χημικές ιδιότητες — πώς το νέο στοιχείο αντιδρά με άλλες ουσίες. Το δεύτερο ήταν η διερεύνηση του τύπου και η μέτρησης της ενέργειας των σωματιδίων που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της ραδιενεργού διάσπασης. Τέλος, η μέτρηση τού πόσο γρήγορα μπορεί το στοιχείο να αποσυντεθεί, δηλ. η μέτρηση του χρόνου ημιζωής (σημ. χρόνος ημιζωής: ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί το μισό αρχικό ραδιενεργό στοιχείο σε κάτι άλλο).

Ως περίπου το 1920, οι φυσικοί είχαν ανακαλύψει ορισμένα ραδιενεργά στοιχεία με ίδιες χημικές ιδιότητες, αλλά διαφορετικούς χρόνους ημιζωής. Αυτά ονομάστηκαν ισότοπα. Τα ισότοπα είναι διαφορετικές εκδοχές του ίδιου στοιχείου, που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα τους, αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Ο τρόπος που γίνεται η σύνδεση των πρωτονίων και των νετρονίων μέσα στα ισότοπα είναι άμεσο αποτέλεσμα των θεμελιωδών δυνάμεων που υπάρχουν στη φύση και είναι ενεργό πεδίο έρευνας στα εργαστήρια Πυρηνικής Φυσικής σε όλον τον κόσμο.

Ιδιαίτερα γνωστό παράδειγμα τέτοιων ισοτόπων είναι το ουράνιο (U), ένα ραδιενεργό στοιχείο με πολλά ισότοπα, δύο από τα οποία είναι μακρόβια και υπάρχουν στη Γη από τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας της. Αυτά τα φυσικά ισότοπα ουρανίου διασπώνται στο στοιχείο θόριο (Th), το οποίο με τη σειρά του διασπάται σε πρωτακτίνιο (Pa) και το καθένα με τη σειρά του έχει τα δικά του ισότοπα. Ο Hahn και η συνάδελφός του Lise Meitner ήταν οι πρώτοι που ανακάλυψαν και εντόπισαν πολλά διαφορετικά ισότοπα που προέρχονται από τη διάσπαση του στοιχείου ουρανίου, μελετώντας τη σχάση αυτών των βαρέων ισοτόπων.

Κατά τη μελέτη των παραπάνω ισοτόπων, όλα συμπεριφέρθηκαν όπως αναμενόταν, εκτός από ένα. Αυτό το ισότοπο φαινόταν να έχει τις ίδιες ιδιότητες με ένα από τα άλλα, αλλά ο χρόνος ημιζωής του ήταν σημαντικά μεγαλύτερος. Η ταξινόμηση που είχαν επινοήσε οι Hahn και Meitner φαινόταν να παρουσιάζει πρόβλημα όταν επιχειρούσαν να κατατάξουν το συγκεκριμένο “διαφορετικό” ισότοπο μαζί με τα υπόλοιπα ισότοπα του ουρανίου, καθώς δεν υπήρχαν κενοί χώροι για να το φιλοξενήσουν στην κατάταξη. Το ονόμασαν “ουράνιο Ζ” [2].

Η ακτινοβολία από το ουράνιο Ζ ήταν περίπου 500 φορές ασθενέστερη από αυτή των άλλων ισοτόπων στο δείγμα, έτσι ο Hahn αποφάσισε να επιβεβαιώσει τις παρατηρήσεις του χρησιμοποιώντας πολύ μεγαλύτερη ποσότητα υλικού. Αγόρασε και διαχώρισε χημικά ουράνιο από 100 κιλά εξαιρετικά τοξικού και σπάνιου άλατος ουρανίου. Το εκπληκτικό αποτέλεσμα αυτού του δεύτερου πειράματος έδειξε με μεγάλη ακρίβεια ότι το μυστηριώδες ουράνιο Ζ ήταν ένα ήδη γνωστό ισότοπο, γνωστό σήμερα ως πρωτακτίνιο-234 (Pa-234), αλλά με πολύ διαφορετικό χρόνο ημιζωής. Αυτή ήταν η πρώτη πειραματικά επιβεβαιωμένη περίπτωση ισοτόπου με δύο διαφορετικούς χρόνους ημιζωής. Ο Hahn δημοσίευσε την ανακάλυψή του για το πρώτο πυρηνικό ισομερές, παρόλο που δεν μπορούσε να το εξηγήσει πλήρως, αναζητώντας τις φυσικές αιτίες που μπορεί να είναι υπεύθυνες για το νέο φαινόμενο.

Νετρόνια και ισομέρεια

Την εποχή των πειραμάτων του Hahn στη δεκαετία του 1920, οι επιστήμονες εξακολουθούσαν να θεωρούν τα άτομα ως μια συστάδα πρωτονίων που περιβάλλεται από ίσο αριθμό ηλεκτρονίων. Μόλις το 1932 ο James Chadwick ανακάλυψε πειραματικά ότι ένα τρίτο είδος σωματιδίων -τα νετρόνια- ήταν επίσης μέρος του πυρήνα. Με αυτές τις νέες πληροφορίες, οι φυσικοί μπόρεσαν αμέσως να εξηγήσουν τη φύση των ισοτόπων: είναι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων. Με αυτή τη γνώση η ερμηνεία της φύσης του ουρανίου Ζ μπορούσε πλέον να καταστεί δυνατή.

Λίγο αργότερα, το 1936 ο Carl Friedrich von Weiszäcker [3] πρότεινε ότι δύο διαφορετικά στοιχεία θα μπορούσαν να έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων στους πυρήνες τους, αλλά σε διαφορετικούς σχηματισμούς και με διαφορετικό χρόνο ημιζωής. Η διάταξη πρωτονίων και νετρονίων που οδηγεί στη χαμηλότερη ενέργεια είναι η πιο σταθερή μορφή και ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση. Οι εναλλακτικές διατάξεις των σωματιδίων που οδηγούν σε λιγότερο σταθερές, υψηλότερες ενέργειες ενός ισοτόπου ονομάζονται ισομερείς καταστάσεις.

Οι ισομερείς πυρήνες στην ιατρική, την αστροφυσική και τις νέες τεχνολογίες

Οι ισομερείς πυρήνες έχουν σημαντικές εφαρμογές στην ιατρική και χρησιμοποιούνται σε δεκάδες εκατομμύρια διαγνωστικές διαδικασίες ετησίως σε όλον τον κόσμο. Δεδομένου ότι τα ισομερή υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση, ειδικές κάμερες μπορούν να παρακολουθούν την κινητική τους, καθώς κινούνται μέσα στο σώμα.

Για παράδειγμα, το τεχνήτιο-99m (Tc-99m) είναι ένα ισομερές του Tc-99. Καθώς το ισομερές διασπάται, εκπέμπει φωτόνια, τα οποία με κατάλληλους ανιχνευτές μπορούν να καταγραφούν και να πληροφορήσουν τους ιατρούς πώς κινείται το τεχνήτιο-99m μέσα στο σώμα, μέσω λεπτομερούς απεικόνισης της καρδιάς, του εγκεφάλου, των πνευμόνων και άλλων κρίσιμων οργάνων. Με τη μέθοδο αυτή, τα ισομερή βοηθούν στην έγκαιρη διάγνωση ασθενειών, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου. Παρότι ραδιενεργά, τα ισομερή όπως το τεχνήτιο είναι ασφαλή για ιατρική εξετάσεις και για το λόγο αυτό η χρήση τους είναι εξαιρετικά διαδεδομένη.

Επιπλέον, τα ισομερή είναι σημαντικά στην αστρονομία και την αστροφυσική. Οι αστέρες τροφοδοτούνται από την ενέργεια που απελευθερώνεται μέσα από ένα τεράστιο δίκτυο πυρηνικών αντιδράσεων. Τα ισομερή είναι παρόντα στα αστέρια και συμμετέχουν στο δίκτυο των πυρηνικών αντιδράσεων και την εξέλιξή του. Με τον τρόπο αυτό η μελέτη τους είναι κρίσιμης σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα αστέρια παράγουν όλα τα στοιχεία του σύμπαντος, όπως τα γνωρίζουμε σήμερα.

Πολύ πρόσφατα, οι επιστήμονες έκαναν σημαντικά βήματα προόδου διερευνώντας αν τα πυρηνικά ισομερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή του πιο ακριβούς ρολογιού στον κόσμο ή αν τα ισομερή μπορούν μια μέρα να αποτελέσουν τη βάση για την επόμενη γενιά μπαταριών μεγάλου χρόνου ζωής και αδιάλειπτης λειτουργίας. Περισσότερα από 100 χρόνια μετά την ανίχνευση μιας μικρής ανωμαλίας στο άλας ουρανίου που μελέτησε ο Hahn, οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναζητούν νέα ισομερή και μόλις άρχισαν να αποκαλύπτουν το πλήρες δυναμικό αυτών των συναρπαστικών αντικειμένων της φυσικής.

Τα ισομερή στα επόμενα 100 χρόνια

Σήμερα, έναν αιώνα αφότου ο Hahn ανακάλυψε για πρώτη φορά τα πυρηνικά ισομερή, οι επιστήμονες εξακολουθούν να ανακαλύπτουν νέες ιδιότητες και εφαρμογές τους μέσα από διαρκείς πειραματισμούς σε υπερσύγχρονα διεθνή εργαστήρια. Στο πρόσφατο διεθνές επετειακό συνέδριο 100 years of nuclear isomers για τον εορτασμό του πρώτου αιώνα μελέτης των ισομερών, που πραγματοποιήθηκε στο διεθνές εργαστήριο GSI στο Darmstadt της Γερμανίας, και με τη συμμετοχή της ομάδας NuSTRAP του ΕΚΠΑ [4], παρουσιάστηκαν νέα πειραματικά δεδομένα για πληθώρα πυρηνικών ισομερών. Tα συμπεράσματα στα οποία κατέληξαν οι συμμετέχoντες μόνο αισιόδοξα μπορούν να χαρακτηρισθούν για τις προοπτικές της θεωρητικής και πειραματικής έρευνας ισομερών από τη διεθνή ερευνητική κοινότητα. Άλλωστε επί του παρόντος, όλες οι μεγάλες εργαστηριακές εγκαταστάσεις της Πυρηνικής Φυσικής σε όλον τον κόσμο βρίσκονται σε φάση αναβάθμισης για να αντιμετωπίσουν τις προκλήσεις του μέλλοντος.

Αναφορές

[1] The Nobel Prize, url: https://www.nobelprize.org

[2] E.H. Berninger, The Discovery of Uranium Z by Otto Hahn: The First Example of Nuclear Isomerism, doi: 10.1007/978-94-009-7133-2_9

[3] C.F. v. Weiszäcker, Metastabile Zustände der Atomkerne, doi: 10.1007/BF01497732

[4] P. Vasileiou et al.,Isomeric states of ^113,115In in radiative proton-capture reactions at energies of astrophysical interest, url: https://indico.gsi.de/event/13014/contributions/60881/