Нобелевскому лауреату Отто Гану приписывают открытие ядерного деления. Деление — одно из самых важных открытий 20-го века, однако Ган считал своей лучшей научной работой нечто иное. В 1921 году он изучал радиоактивность в Химическом институте кайзера Вильгельма в Берлине, Германия, когда заметил то, что не мог объяснить. Один из элементов, с которым он работал, вел себя не так, как должен был. Ган неосознанно открыл первый ядерный изомер, атомное ядро, протоны и нейтроны которого расположены иначе, чем в обычной форме элемента, что обуславливает его необычные свойства. Потребовалось еще 15 лет открытий в ядерной физике, чтобы объяснить наблюдения Гана.
Мы два профессора ядерной физики, изучающие редкие ядра, в том числе ядерные изомеры. Чаще всего изомеры можно найти внутри звезд, где они участвуют в ядерных реакциях, создающих новые элементы. В последние годы исследователи начали изучать, как можно использовать изомеры на благо человечества. Они уже используются в медицине и однажды могут предложить мощные варианты хранения энергии в виде ядерных батарей. В начале 1900-х годов ученые охотились за новыми радиоактивными элементами. Элемент считается радиоактивным, если он самопроизвольно высвобождает частицы в процессе, называемом радиоактивным распадом. Когда это происходит, элемент со временем трансформируется в другой элемент.
В то время ученые опирались на три критерия для открытия и описания нового радиоактивного элемента. Один из них заключался в том, чтобы посмотреть на химические свойства — как новый элемент реагирует с другими веществами. Они также измерили тип и энергию частиц, выделяющихся при радиоактивном распаде. Наконец, они измерят скорость распада элемента. Скорости распада описываются с помощью термина период полураспада, который представляет собой количество времени, необходимое для того, чтобы половина исходного радиоактивного элемента распалась во что-то другое. К 1920-м годам физики обнаружили несколько радиоактивных веществ с одинаковыми химическими свойствами, но разными периодами полураспада. Их называют изотопами. Изотопы — это разные версии одного и того же элемента, имеющие одинаковое количество протонов в ядре, но разное количество нейтронов.
Уран — радиоактивный элемент со многими изотопами, два из которых встречаются в природе на Земле. Эти природные изотопы урана распадаются на элемент торий, который, в свою очередь, распадается на протактиний, и каждый из них имеет свои собственные изотопы. Хан и его коллега Лиза Мейтнер были первыми, кто обнаружил и идентифицировал множество различных изотопов, образующихся в результате распада элемента урана. Все изученные ими изотопы вели себя так, как и ожидалось, за исключением одного. Этот изотоп, по-видимому, обладал теми же свойствами, что и один из других, но его период полураспада был больше. Это не имело смысла, поскольку Ган и Мейтнер поместили все известные изотопы урана в четкую классификацию, и не было пустых мест для размещения нового изотопа. Они назвали это вещество «уран Z».
Радиоактивный сигнал урана Z был примерно в 500 раз слабее, чем радиоактивность других изотопов в образце, поэтому Ган решил подтвердить свои наблюдения, используя больше материала. Он купил и химически отделил уран от 220 фунтов (100 кг) высокотоксичной и редкой соли урана. Неожиданный результат этого второго, более точного эксперимента показал, что загадочный уран Z, теперь известный как протактиний-234, был уже известным изотопом, но с совершенно другим периодом полураспада. Это был первый случай изотопа с двумя разными периодами полураспада. Ган опубликовал свое открытие первого ядерного изомера, хотя и не смог полностью его объяснить. Во время экспериментов Гана в 1920-х годах ученые все еще думали об атомах как о скоплении протонов, окруженных равным количеством электронов. Только в 1932 году Джеймс Чедвик предположил, что третья частица — нейтроны — также является частью ядра.
Благодаря этой новой информации физики сразу же смогли объяснить изотопы — это ядра с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов. Обладая этими знаниями, научное сообщество, наконец, получило инструменты для понимания урана Z. В 1936 году Карл Фридрих фон Вайцзеккер предположил, что два разных вещества могут иметь одинаковое количество протонов и нейтронов в своих ядрах, но в разном расположении и с разным периодом полураспада. Расположение протонов и нейтронов, которое приводит к наименьшей энергии, является наиболее стабильным материалом и называется основным состоянием. Расположение, приводящее к менее стабильным, более высоким энергиям изотопа, называется изомерным состоянием. Сначала ядерные изомеры были полезны в научном сообществе только как средство понять, как ведут себя ядра. Но как только вы поймете свойства изомеров, можно начать задаваться вопросом, как их можно использовать.
Изомеры имеют важное применение в медицине и ежегодно используются в десятках миллионов диагностических процедур. Поскольку изомеры подвергаются радиоактивному распаду, специальные камеры могут отслеживать их перемещение по телу. Например, технеций-99m является изомером технеция-99. Когда изомер распадается, он испускает фотоны. Используя фотонные детекторы, врачи могут отслеживать, как технеций-99m перемещается по телу, и создавать изображения сердца, мозга, легких и других важных органов, чтобы помочь диагностировать заболевания, включая рак. Радиоактивные элементы и изотопы обычно опасны, потому что они испускают заряженные частицы, которые повреждают ткани организма. Изомеры, такие как технеций, безопасны для медицинского применения, потому что они излучают только один безвредный фотон за раз и ничего больше при распаде. Изомеры также важны в астрономии и астрофизике. Звезды питаются энергией, выделяемой в ходе ядерных реакций. Поскольку изомеры присутствуют в звездах, ядерные реакции отличаются от того, если бы материал находился в своем основном состоянии. Это делает изучение изомеров критически важным для понимания того, как звезды производят все элементы во Вселенной.
Спустя столетие после того, как Хан впервые открыл изомеры, ученые все еще открывают новые изомеры, используя мощные исследовательские центры по всему миру, включая Центр изучения пучков редких изотопов в Университете штата Мичиган. Этот объект был запущен в мае 2022 года, и мы надеемся, что он откроет более 1000 новых изотопов и изомеров. Ученые также изучают, можно ли использовать ядерные изомеры для создания самых точных часов в мире или изомеры могут однажды стать основой для следующего поколения батарей. Спустя более 100 лет после обнаружения небольшой аномалии в солях урана ученые все еще ищут новые изомеры и только начали раскрывать весь потенциал этих захватывающих явлений физики.
