For 101 år siden gjorde fysikere en kritisk oppdagelse vi fortsatt ikke forstår


Nobelprisvinner Otto Hahn er kreditert med oppdagelsen av kjernefysisk fisjon. Fisjon er en av de viktigste oppdagelsene på 1900-tallet, men Hahn anså noe annet for å være hans beste vitenskapelige arbeid.

I 1921 studerte han radioaktivitet ved Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry i Berlin, Tyskland, da han la merke til noe han ikke kunne forklare. Et av elementene han jobbet med var ikke å oppføre seg som det burde. Hahn hadde uvitende oppdaget den første kjernefysiske isomeren, en atomkjerne hvis protoner og nøytroner er arrangert annerledes enn den vanlige formen til grunnstoffet, noe som fikk den til å ha uvanlige egenskaper. Det tok ytterligere 15 år med oppdagelser innen kjernefysikk for å kunne forklare Hahns observasjoner.

Vi er to professorer i kjernefysikk som studerer sjeldne kjerner, inkludert kjernefysiske isomerer.

Det vanligste stedet å finne isomerer er inne i stjerner, hvor de spiller en rolle i kjernefysiske reaksjoner som skaper nye grunnstoffer. De siste årene har forskere begynt å utforske hvordan isomerer kan brukes til fordel for menneskeheten. Det er de allerede brukt i medisin og kan en dag tilby kraftige alternativer for energilagring i form av atombatterier.

Denne videoen viser radioaktivt uran-238 i et kammer fullt av tåke. Stripene dannes når partikler sendes ut fra den radioaktive prøven og passerer gjennom vanndamp.

På jakt etter radioaktive isotoper

På begynnelsen av 1900-tallet var forskere på jakt etter nye radioaktive grunnstoffer. Et grunnstoff anses som radioaktivt hvis det spontant frigjør partikler i en prosess som kalles radioaktivt forfall. Når dette skjer, transformeres elementet over tid til et annet element.

På den tiden stolte forskere på tre kriterier for å oppdage og beskrive et nytt radioaktivt element. Den ene var å se på kjemiske egenskaper – hvordan det nye grunnstoffet reagerer med andre stoffer. De målte også typen og energien til partiklene som ble frigjort under det radioaktive forfallet. Til slutt skulle de måle hvor raskt et grunnstoff forfalt. Nedbrytningshastigheter er beskrevet ved å bruke begrepet halveringstid, som er hvor lang tid det tar før halvparten av det opprinnelige radioaktive elementet forfaller til noe annet.

På 1920-tallet hadde fysikere oppdaget noen radioaktive stoffer med identiske kjemiske egenskaper, men forskjellige halveringstider. Disse kalles isotoper. Isotoper er forskjellige versjoner av det samme elementet som har samme antall protoner i kjernen, men forskjellige antall nøytroner.

Uran er et radioaktivt grunnstoff med mange isotoper, hvorav to forekommer naturlig på jorden. Disse naturlige uranisotopene forfaller til grunnstoffet thorium, som igjen forfaller til protactinium, og hver har sine egne isotoper. Hahn og hans kollega Lisa Meitner var de første til å oppdage og identifisere mange forskjellige isotoper som stammer fra nedbrytningen av grunnstoffet uran.

Alle isotopene de studerte oppførte seg som forventet, bortsett fra én. Denne isotopen så ut til å ha de samme egenskapene som en av de andre, men halveringstiden var lengre. Dette ga ingen mening, ettersom Hahn og Meitner hadde plassert alle de kjente isotoper av uran i en ryddig klassifisering, og det var ingen tomme rom for å romme en ny isotop. De kalte dette stoffet “uran Z.”

Det radioaktive signalet til uran Z var ca 500 ganger svakere enn radioaktiviteten til de andre isotopene i prøven, så Hahn bestemte seg for å bekrefte sine observasjoner ved å bruke mer materiale. Han kjøpte og kjemisk separerte uran fra 220 pund (100 kilo) svært giftig og sjeldent uransalt. Det overraskende resultatet av dette andre, mer presise eksperimentet antydet at det mystiske uran Z, nå kjent som protactinium-234, var en allerede kjent isotop, men med en helt annen halveringstid. Dette var det første tilfellet av en isotop med to forskjellige halveringstider. Hahn publiserte sin oppdagelse av første kjernefysiske isomerselv om han ikke helt kunne forklare det.

Oppdagelsen av at kjernen til et atom er laget av både protoner og nøytroner gjorde det mulig for fysikere å forklare isotoper så vel som uran Z.PANGGABEAN/iStock via Getty Images

Nøytroner fullfører historien

På tidspunktet for Hahns eksperimenter på 1920-tallet tenkte forskerne fortsatt på atomer som en klump av protoner omgitt av like mange elektroner. Det var ikke før i 1932 at James Chadwick foreslo at en tredje partikkel – nøytroner – også var del av kjernen.

Med denne nye informasjonen var fysikere umiddelbart i stand til å forklare isotoper – de er kjerner med samme antall protoner og forskjellige antall nøytroner. Med denne kunnskapen hadde det vitenskapelige miljøet endelig verktøyene til å forstå uran Z.

I 1936 Carl Friedrich von Weizsacker foreslo at to forskjellige stoffer kan ha samme antall protoner og nøytroner i kjernene, men i forskjellige arrangementer og med ulik halveringstid. Ordningen av protoner og nøytroner som gir lavest energi er det mest stabile materialet og kalles grunntilstanden. Arrangementer som resulterer i mindre stabile, høyere energier til en isotop kalles isomere tilstander.

Til å begynne med var kjernefysiske isomerer nyttige i det vitenskapelige samfunnet bare som et middel til å forstå hvordan kjerner oppfører seg. Men når du først forstår egenskapene til en isomer, er det mulig å begynne å spørre hvordan de kan brukes.

Technetium-99m er en isomer som ofte brukes til å diagnostisere mange sykdommer, da leger lett kan spore bevegelsen gjennom menneskekroppen. Dette bildet viser en medisinsk fagperson som injiserer technetium-99m i en pasient.Bionerd / Wikimedia Commons

Isomerer i medisin og astronomi

Isomerer har viktige anvendelser innen medisin og brukes i titalls millioner av diagnostiske prosedyrer årlig. Siden isomerer gjennomgår radioaktivt forfall, kan spesielle kameraer spore dem når de beveger seg gjennom kroppen.

For eksempel er technetium-99m en isomer av technetium-99. Når isomeren forfaller, sender den ut fotoner. Ved hjelp av fotondetektorer kan leger spore hvordan technetium-99m beveger seg i hele kroppen og lage bilder av hjertet, hjernen, lungene og andre kritiske organer for å hjelpe til med å diagnostisere sykdommer, inkludert kreft. Radioaktive grunnstoffer og isotoper er normalt farlige fordi de sender ut ladede partikler som skader kroppsvev. Isomerer som teknetium er trygt for medisinsk bruk fordi de sender ut bare ett enkelt, ufarlig foton om gangen og ingenting annet når de forfaller.

Isomerer er også viktige innen astronomi og astrofysikk. Stjerner blir drevet av energien som frigjøres under kjernefysiske reaksjoner. Siden isomerer er tilstede i stjerner, kjernefysiske reaksjoner er annerledes enn om materialet var i sin grunntilstand. Dette gjør studiet av isomerer avgjørende for å forstå hvordan stjerner produserer alle elementene i universet.

Isomerer i fremtiden

Et århundre etter at Hahn først oppdaget isomerer, er forskerne fortsatt oppdage nye isomerer ved hjelp av kraftige forskningsfasiliteter rundt om i verden, inkludert Innretning for sjeldne isotopbjelker ved Michigan State University. Dette anlegget kom online i mai 2022, og vi håper det vil låse opp mer enn 1000 nye isotoper og isomerer.

Forskere undersøker også om kjernefysiske isomerer kan brukes til bygge verdens mest nøyaktige klokke eller om isomerer en dag kan være grunnlaget for neste generasjon av batterier. Mer enn 100 år etter oppdagelsen av en liten anomali i uransalt, er forskere fortsatt på jakt etter nye isomerer og har akkurat begynt å avsløre det fulle potensialet til disse fascinerende fysikkdelene.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Samtalen av Artemis Spyrou ved Michigan State University og Dennis Mücher ved University of Guelph. Les originalartikkel her.