Nobelprijswinnaar Otto Hahn wordt gecrediteerd voor de ontdekking van kernsplijting. Fissie is een van de belangrijkste ontdekkingen van de 20e eeuw, maar Hahn beschouwde iets anders als zijn beste wetenschappelijke werk.

In 1921 studeerde hij radioactiviteit aan het Kaiser Wilhelm Instituut voor Chemie in Berlijn, Duitsland, toen hij iets opmerkte dat hij niet kon verklaren. Een van de elementen waarmee hij werkte, was dat hij zich niet gedroeg zoals het zou moeten. Hahn had onbewust de eerste nucleaire isomeer ontdekt, een atoomkern waarvan de protonen en neutronen anders zijn gerangschikt dan de gewone vorm van het element, waardoor het ongebruikelijke eigenschappen heeft. Het duurde nog eens 15 jaar aan ontdekkingen in de kernfysica om de waarnemingen van Hahn te kunnen verklaren.

Wij zijn twee professoren in de kernfysica die zeldzame kernen bestuderen, inclusief nucleaire isomeren.

De meest voorkomende plaats om isomeren te vinden is in sterren, waar ze een rol spelen in de kernreacties die nieuwe elementen creëren. In de afgelopen jaren zijn onderzoekers begonnen te onderzoeken hoe isomeren kunnen worden gebruikt voor het welzijn van de mensheid. Ze worden al in de geneeskunde gebruikt en zouden ooit krachtige opties kunnen bieden voor energieopslag in de vorm van nucleaire batterijen.

Op jacht naar radioactieve isotopen

In de vroege jaren 1900 waren wetenschappers op jacht naar nieuwe radioactieve elementen. Een element wordt als radioactief beschouwd als het spontaan deeltjes afgeeft in een proces dat radioactief verval wordt genoemd. Wanneer dit gebeurt, wordt het element in de loop van de tijd getransformeerd in een ander element.

In die tijd vertrouwden wetenschappers op drie criteria om een ​​nieuw radioactief element te ontdekken en te beschrijven. Een daarvan was om te kijken naar chemische eigenschappen - hoe het nieuwe element reageert met andere stoffen. Ze maten ook het type en de energie van de deeltjes die vrijkwamen tijdens het radioactieve verval. Ten slotte zouden ze meten hoe snel een element verviel. Vervalsnelheden worden beschreven met behulp van de term halfwaardetijd, wat de hoeveelheid tijd is die nodig is voordat de helft van het oorspronkelijke radioactieve element in iets anders vervalt.

Tegen de jaren twintig hadden natuurkundigen enkele radioactieve stoffen ontdekt met identieke chemische eigenschappen maar met verschillende halfwaardetijden. Dit worden isotopen genoemd. Isotopen zijn verschillende versies van hetzelfde element met hetzelfde aantal protonen in hun kern, maar verschillende aantallen neutronen.

Uranium is een radioactief element met veel isotopen, waarvan er twee van nature op aarde voorkomen. Deze natuurlijke uraniumisotopen vervallen in het element thorium, dat op zijn beurt vervalt in protactinium, en elk heeft zijn eigen isotopen. Hahn en zijn collega Lise Meitner waren de eersten die veel verschillende isotopen ontdekten en identificeerden die voortkwamen uit het verval van het element uranium.

Alle isotopen die ze bestudeerden gedroegen zich zoals verwacht, op één na. Deze isotoop bleek dezelfde eigenschappen te hebben als een van de andere, maar de halfwaardetijd was langer. Dit sloeg nergens op, aangezien Hahn en Meitner alle bekende isotopen van uranium in een nette classificatie hadden geplaatst en er geen lege ruimtes waren voor een nieuwe isotoop. Ze noemden deze stof 'uranium Z'.

Het radioactieve signaal van uranium Z was ongeveer 500 keer zwakker dan de radioactiviteit van de andere isotopen in het monster, dus Hahn besloot zijn waarnemingen te bevestigen door meer materiaal te gebruiken. Hij kocht en scheidde uranium chemisch van 220 pond (100 kilogram) zeer giftig en zeldzaam uraniumzout. Het verrassende resultaat van dit tweede, preciezere experiment suggereerde dat het mysterieuze uranium Z, nu bekend als protactinium-234, een reeds bekende isotoop was, maar met een heel andere halfwaardetijd. Dit was het eerste geval van een isotoop met twee verschillende halfwaardetijden. Hahn publiceerde zijn ontdekking van het eerste nucleaire isomeer, hoewel hij het niet volledig kon verklaren.

Neutronen maken het verhaal compleet

Ten tijde van Hahn's experimenten in de jaren 1920, dachten wetenschappers nog steeds aan atomen als een klomp protonen omringd door een gelijk aantal elektronen. Pas in 1932 suggereerde James Chadwick dat een derde deeltje - neutronen - ook deel uitmaakte van de kern.

Met deze nieuwe informatie waren natuurkundigen onmiddellijk in staat om isotopen te verklaren - het zijn kernen met hetzelfde aantal protonen en verschillende aantallen neutronen. Met deze kennis had de wetenschappelijke gemeenschap eindelijk de tools om uranium Z te begrijpen.

In 1936 stelde Carl Friedrich von Weizsäcker voor dat twee verschillende stoffen hetzelfde aantal protonen en neutronen in hun kernen konden hebben, maar in verschillende rangschikkingen en met verschillende halfwaardetijden. De rangschikking van protonen en neutronen die resulteert in de laagste energie is het meest stabiele materiaal en wordt grondtoestand genoemd. Regelingen die resulteren in minder stabiele, hogere energieën van een isotoop worden isomere toestanden genoemd.

In het begin waren nucleaire isomeren alleen nuttig in de wetenschappelijke gemeenschap als middel om te begrijpen hoe kernen zich gedragen. Maar als je eenmaal de eigenschappen van een isomeer begrijpt, kun je je afvragen hoe ze kunnen worden gebruikt.

Isomeren in de geneeskunde en astronomie

Isomeren hebben belangrijke toepassingen in de geneeskunde en worden jaarlijks gebruikt in tientallen miljoenen diagnostische procedures. Aangezien isomeren radioactief verval ondergaan, kunnen speciale camera's ze volgen terwijl ze door het lichaam bewegen.

Technetium-99m is bijvoorbeeld een isomeer van technetium-99. Als het isomeer vervalt, zendt het fotonen uit. Met behulp van fotondetectoren kunnen artsen volgen hoe technetium-99m door het lichaam beweegt en beelden maken van het hart, de hersenen, de longen en andere kritieke organen om ziekten, waaronder kanker, te diagnosticeren. Radioactieve elementen en isotopen zijn normaal gesproken gevaarlijk omdat ze geladen deeltjes uitzenden die lichaamsweefsels beschadigen. Isomeren zoals technetium zijn veilig voor medisch gebruik omdat ze slechts één onschadelijk foton tegelijk uitzenden en niets anders als ze vervallen.

Isomeren zijn ook belangrijk in de astronomie en astrofysica. Sterren worden gevoed door de energie die vrijkomt bij kernreacties. Omdat isomeren aanwezig zijn in sterren, zijn kernreacties anders dan wanneer een materiaal zich in zijn grondtoestand zou bevinden. Dit maakt de studie van isomeren van cruciaal belang om te begrijpen hoe sterren alle elementen in het universum produceren.

Isomeren in de toekomst

Een eeuw nadat Hahn voor het eerst isomeren ontdekte, ontdekken wetenschappers nog steeds nieuwe isomeren met behulp van krachtige onderzoeksfaciliteiten over de hele wereld, waaronder de Facility for Rare Isotope Beams aan de Michigan State University. Deze faciliteit kwam in mei 2022 online en we hopen dat het meer dan 1.000 nieuwe isotopen en isomeren zal ontgrendelen.

Wetenschappers onderzoeken ook of nucleaire isomeren kunnen worden gebruikt om 's werelds meest nauwkeurige klok te bouwen of dat isomeren ooit de basis kunnen vormen voor de volgende generatie batterijen. Meer dan 100 jaar na de ontdekking van een kleine anomalie in uraniumzout, zijn wetenschappers nog steeds op zoek naar nieuwe isomeren en zijn ze net begonnen om het volledige potentieel van deze fascinerende stukjes natuurkunde te onthullen. + Verder verkennen

Onderzoekers ontdekken zwaarste bekende calciumatoom; in totaal acht nieuwe zeldzame isotopen ontdekt

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.