核異性体とは何ですか？ そして、なぜ彼らはとても素晴らしいのですか？

ノーベル賞受賞者のオットーハーンは 核分裂の発見でクレジット。 核分裂は20世紀の最も重要な発見の1つですが、ハーンは他の何かを彼のものと見なしていました 最高の科学的研究。

1921年、彼はドイツのベルリンにあるカイザーヴィルヘルム化学研究所で放射性崩壊を研究していましたが、説明できないことに気づきました。 彼が扱っていた要素の1つは、そのように動作していませんでした すべきだった。 ハーンは無意識のうちに最初の核異性体を発見しました。原子核の陽子と中性子は一般的な元素の形とは異なって配置されており、異常な性質を持っています。 ハーンの観測を説明できるようになるには、原子核物理学でさらに15年の発見が必要でした。

私たちです 2 の教授 原子核物理学 核異性体を含む希少核を研究している人。

異性体を見つける最も一般的な場所は星の内部であり、そこでそれらは 新しい元素を生み出す核反応。 近年、研究者たちは異性体を人類の利益のためにどのように利用できるかを探求し始めています。 彼らはすでに 医学で使用される そしていつの日か、エネルギー貯蔵のための強力なオプションを提供することができます 原子力電池の形で。

放射性同位元素の探索について

1900年代初頭、科学者たちは新しい放射性元素を探していました。 元素は、と呼ばれるプロセスで粒子を自発的に放出する場合、放射性と見なされます 放射性崩壊。 これが発生すると、要素は時間の経過とともに別の要素に変換されます。

当時、科学者たちは新しい放射性元素を発見して説明するために3つの基準に依存していました。 1つは、化学的性質、つまり新しい元素が他の物質とどのように反応するかを調べることでした。 彼らはまた、放射性崩壊の間に放出された粒子の種類とエネルギーを測定しました。 最後に、要素がどれだけ速く減衰するかを測定します。 崩壊速度は、半減期という用語を使用して説明されます。これは、最初の放射性元素の半分が他の何かに崩壊するのにかかる時間です。

1920年代までに、物理学者は、化学的性質は同じであるが半減期が異なるいくつかの放射性物質を発見しました。 これらは同位体と呼ばれます。 同位体は同じ元素の異なるバージョンであり、原子核には同じ数の陽子がありますが、中性子の数は異なります。

ウランは多くの同位体を含む放射性元素であり、そのうちの2つは地球上で自然に発生します。 これらの天然ウラン同位体は元素トリウムに崩壊し、次に元素トリウムはプロトアクチニウムに崩壊し、それぞれが独自の同位体を持っています。 ハーンと彼の同僚 リーゼ・マイトナー ウラン元素の崩壊に由来する多くの異なる同位体を最初に発見し、特定したのです。

彼らが研究したすべての同位体は、1つを除いて期待どおりに動作しました。 この同位体は他の同位体と同じ特性を持っているように見えましたが、その半減期は長かったです。 ハーンとマイトナーはウランのすべての既知の同位体をきちんとした分類に分類し、新しい同位体を収容するための空きスペースがなかったため、これは意味がありませんでした。 彼らはこの物質を「ウランZ」と呼んだ。

ウランZの放射性信号は約 500倍弱い サンプル中の他の同位体の放射性よりも高いため、ハーンはより多くの材料を使用して観測を確認することにしました。 彼はウランを購入し、220ポンド（100キログラム）の非常に有毒で希少なウラン塩から化学的に分離しました。 この2番目の、より正確な実験の驚くべき結果は、現在プロトアクチニウム-234として知られている謎のウランZがすでに知られている同位体であるが、半減期が非常に異なることを示唆しました。 これは、2つの異なる半減期を持つ同位体の最初のケースでした。 ハーンは彼の発見を発表しました 最初の核異性体、彼はそれを完全に説明することができなかったにもかかわらず。

中性子が物語を完成させる

1920年代のハーンの実験の時点で、科学者たちはまだ原子を同数の電子に囲まれた陽子の塊と考えていました。 ジェームズ・チャドウィックが3番目の粒子である中性子も 核の一部。

この新しい情報により、物理学者はすぐに同位体を説明することができました。それらは同じ数の陽子と異なる数の中性子を持つ原子核です。 この知識により、科学界はついにウランZを理解するためのツールを手に入れました。

1936年 カールフリードリヒフォンヴァイツサッカーが提案 2つの異なる物質は、それらの原子核に同じ数の陽子と中性子を持っている可能性がありますが、配置が異なり、半減期が異なります。 最も低いエネルギーをもたらす陽子と中性子の配置は、最も安定した材料であり、「基底状態」と呼ばれます。 同位体の安定性が低く、エネルギーが高くなるような配置は、異性体状態と呼ばれます。

当初、核異性体は、核がどのように振る舞うかを理解する手段としてのみ、科学界で有用でした。 しかし、異性体の特性を理解すると、それらをどのように使用できるかを尋ね始めることができます。

医学と天文学の異性体

異性体は医学において重要な用途があり、毎年数千万の診断手順で使用されています。 異性体は放射性崩壊するため、特殊なカメラで異性体が体内を移動するときに追跡できます。

たとえば、テクネチウム-99mはテクネチウム-99の異性体です。 異性体が崩壊すると、光子を放出します。 光子検出器を使用して、医師はテクネチウム-99mを追跡できます 体中を移動します と 画像を作成する 心臓、脳、肺、および癌を含む病気の診断を助けるための他の重要な器官の。 放射性元素と同位体は、体組織に損傷を与える荷電粒子を放出するため、通常は危険です。 テクネチウムのような異性体は 医療用に安全 なぜなら、それらは一度に単一の無害な光子のみを放出し、崩壊するときに他には何も放出しないからです。

異性体は、天文学や天体物理学でも重要です。 星は、核反応中に放出されるエネルギーによって燃料を供給されます。 異性体は 星に存在する、核反応は、物質が基底状態にある場合とは異なります。 これにより、異性体の研究は、星が宇宙のすべての元素をどのように生成するかを理解するために重要になります。

将来の異性体

ハーンが最初に異性体を発見してから1世紀経った今でも、科学者たちは 強力な研究施設を使用して新しい異性体を発見する を含む世界中 レアアイソトープビームの設備 ミシガン州立大学で。 この施設は2022年5月にオンラインになり、1,000を超える新しい同位体と異性体のロックが解除されることを願っています。

科学者たちはまた、核異性体が 世界で最も正確な時計を作る または異性体がいつの日か次世代の基礎になるかどうか 電池。 ウラン塩の小さな異常が検出されてから100年以上経った今でも、科学者たちは新しい異性体を探し続けており、これらの魅力的な物理学の可能性を完全に明らかにし始めたところです。

この記事 アルテミス・スピロ、原子核物理学教授、 ミシガン州立大学、 と デニス・ミュッヒャー、原子核物理学の准教授、 グエルフ大学 から再発行されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で。 読む 原著。