آرتمیس اسپایرو، استاد فیزیک هسته‌ای، دانشگاه ایالتی میشیگان
دنیس موچر، دانشیار فیزیک هسته‌ای، دانشگاه گلف
اوتو هان، برنده جایزه نوبل، به کشف شکافت هسته‌ای شهرت دارد. شکافت یکی از مهم‌ترین اکتشافات قرن بیستم است، اما هان معتقد بود که کار علمی دیگری بهترین دستاورد او بوده است.
در سال ۱۹۲۱، او در مؤسسه شیمی کایزر ویلهلم در برلین، آلمان، مشغول مطالعه رادیواکتیویته بود که متوجه چیزی شد که نمی‌توانست توضیح دهد. یکی از عناصری که روی آن کار می‌کرد، رفتار غیرمنتظره‌ای داشت. هان به‌طور ناخواسته اولین ایزومر هسته‌ای را کشف کرد، یعنی هسته‌ای اتمی که پروتون‌ها و نوترون‌های آن به شکلی متفاوت از شکل رایج عنصر چیده شده‌اند و خواص غیرمعمولی به آن می‌دهند. پانزده سال دیگر طول کشید تا پیشرفت‌های فیزیک هسته‌ای بتواند مشاهدات هان را توضیح دهد.
ما دو استاد فیزیک هسته‌ای هستیم که هسته‌های نادر، از جمله ایزومرهای هسته‌ای را مطالعه می‌کنیم.
ایزومرها معمولاً در ستارگان یافت می‌شوند، جایی که در واکنش‌های هسته‌ای که عناصر جدید را ایجاد می‌کنند، نقش دارند. در سال‌های اخیر، محققان شروع به بررسی این کرده‌اند که چگونه می‌توان از ایزومرها برای منافع بشریت استفاده کرد. آنها در حال حاضر در پزشکی کاربرد دارند و ممکن است روزی گزینه‌های قدرتمندی برای ذخیره انرژی در قالب باتری‌های هسته‌ای ارائه دهند.
شکار ایزوتوپ‌های رادیواکتیو
کشف این موضوع که هسته اتم از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است، به فیزیکدانان امکان داد تا ایزوتوپ‌ها و همچنین «اورانیوم Z» را توضیح دهند. PANGGABEAN/iStock via Getty Images
در اوایل دهه ۱۹۰۰، دانشمندان به دنبال کشف عناصر رادیواکتیو جدید بودند. یک عنصر زمانی رادیواکتیو تلقی می‌شود که به‌صورت خودبه‌خود ذراتی را در فرآیندی به نام واپاشی رادیواکتیو آزاد کند. در این فرآیند، عنصر به‌مرور زمان به عنصر دیگری تبدیل می‌شود.
در آن زمان، دانشمندان برای کشف و توصیف یک عنصر رادیواکتیو جدید به سه معیار وابسته بودند:
۱. بررسی خواص شیمیایی، یعنی نحوه واکنش عنصر جدید با مواد دیگر.
۲. اندازه‌گیری نوع و انرژی ذرات آزادشده در طی واپاشی رادیواکتیو.
۳. اندازه‌گیری سرعت واپاشی عنصر، که با اصطلاح نیمه‌عمر توصیف می‌شود. نیمه‌عمر زمانی است که نیمی از عنصر رادیواکتیو اولیه به چیز دیگری تبدیل می‌شود.
تا دهه ۱۹۲۰، فیزیکدانان موادی رادیواکتیو با خواص شیمیایی یکسان اما نیمه‌عمرهای متفاوت کشف کرده بودند. این مواد ایزوتوپ نامیده می‌شوند. ایزوتوپ‌ها نسخه‌های مختلفی از یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی در هسته خود دارند.
اورانیوم یک عنصر رادیواکتیو با ایزوتوپ‌های متعدد است که دو مورد از آنها به‌طور طبیعی روی زمین یافت می‌شوند. این ایزوتوپ‌های طبیعی اورانیوم به توریم و سپس به پروتاکتینیوم واپاشی می‌کنند، و هر کدام ایزوتوپ‌های خاص خود را دارند. هان و همکارش لیزه مایتنر اولین کسانی بودند که بسیاری از ایزوتوپ‌های ناشی از واپاشی اورانیوم را کشف و شناسایی کردند.
همه ایزوتوپ‌هایی که آنها مطالعه کردند، مطابق انتظار رفتار کردند، به جز یکی. این ایزوتوپ خواصی مشابه یکی دیگر از ایزوتوپ‌ها داشت، اما نیمه‌عمر طولانی‌تری نشان می‌داد. این موضوع منطقی نبود، زیرا هان و مایتنر تمام ایزوتوپ‌های شناخته‌شده اورانیوم را به‌طور منظم طبقه‌بندی کرده بودند و جایی برای ایزوتوپ جدید وجود نداشت. آنها این ماده را «اورانیوم Z» نامیدند.
سیگنال رادیواکتیو اورانیوم Z حدود ۵۰۰ برابر ضعیف‌تر از رادیواکتیویته سایر ایزوتوپ‌های موجود در نمونه بود، بنابراین هان تصمیم گرفت با استفاده از مواد بیشتر مشاهدات خود را تأیید کند. او ۲۲۰ پوند (۱۰۰ کیلوگرم) نمک اورانیوم بسیار سمی و کمیاب را خریداری و به‌صورت شیمیایی جداسازی کرد. نتیجه شگفت‌انگیز این آزمایش دقیق‌تر نشان داد که اورانیوم Z، که اکنون به‌عنوان پروتاکتینیوم-۲۳۴ شناخته می‌شود، ایزوتوپی شناخته‌شده بود، اما با نیمه‌عمری بسیار متفاوت. این اولین مورد از یک ایزوتوپ با دو نیمه‌عمر متفاوت بود. هان کشف اولین ایزومر هسته‌ای را منتشر کرد، هرچند نتوانست آن را به‌طور کامل توضیح دهد.
کنسیوم-۹۹m یک ایزومر است که معمولاً برای تشخیص بسیاری از بیماری‌ها استفاده می‌شود، زیرا پزشکان می‌توانند حرکت آن را در بدن انسان به‌راحتی ردیابی کنند. این عکس نشان‌دهنده تزریق تکنسیوم-۹۹m به بیمار توسط یک متخصص پزشکی است. Bionerd/Wikimedia Commons, CC BY-SA
نوترون‌ها داستان را کامل کردند
در زمان آزمایش‌های هان در دهه ۱۹۲۰، دانشمندان هنوز اتم‌ها را به‌عنوان توده‌ای از پروتون‌ها تصور می‌کردند که توسط تعداد برابری از الکترون‌ها احاطه شده‌اند. تا سال ۱۹۳۲ که جیمز چدویک پیشنهاد کرد نوترون‌ها نیز بخشی از هسته هستند، این دیدگاه تغییر نکرد.
با این اطلاعات جدید، فیزیکدانان بلافاصله توانستند ایزوتوپ‌ها را توضیح دهند—یعنی هسته‌هایی با تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوت. با این دانش، جامعه علمی سرانجام ابزار لازم برای درک اورانیوم Z را به دست آورد.
در سال ۱۹۳۶، کارل فریدریش فون وایزسکر پیشنهاد کرد که دو ماده مختلف می‌توانند تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یکسانی در هسته خود داشته باشند، اما با چیدمان‌های متفاوت و نیمه‌عمرهای متفاوت. چیدمان پروتون‌ها و نوترون‌ها که کمترین انرژی را ایجاد می‌کند، پایدارترین ماده است و حالت پایه نامیده می‌شود. چیدمان‌هایی که پایداری کمتری دارند و انرژی بالاتری دارند، حالت‌های ایزومری نامیده می‌شوند.
در ابتدا، ایزومرهای هسته‌ای تنها برای درک رفتار هسته‌ها در جامعه علمی مفید بودند. اما هنگامی که خواص یک ایزومر شناخته شد، سؤالاتی درباره کاربردهای آن مطرح شد.
ایزومرها در پزشکی و نجوم
ایزومرها کاربردهای مهمی در پزشکی دارند و سالانه در ده‌ها میلیون فرآیند تشخیصی استفاده می‌شوند. از آنجا که ایزومرها واپاشی رادیواکتیو دارند، دوربین‌های ویژه می‌توانند حرکت آنها را در بدن ردیابی کنند.
برای مثال، تکنسیوم-۹۹m ایزومری از تکنسیوم-۹۹ است. این ایزومر با واپاشی خود فوتون‌هایی ساطع می‌کند. پزشکان با استفاده از آشکارسازهای فوتون می‌توانند حرکت تکنسیوم-۹۹m را در بدن ردیابی کرده و تصاویری از قلب، مغز، ریه‌ها و سایر اندام‌های حیاتی برای تشخیص بیماری‌هایی مانند سرطان ایجاد کنند. عناصر و ایزوتوپ‌های رادیواکتیو معمولاً خطرناک هستند زیرا ذرات بارداری ساطع می‌کنند که به بافت‌های بدن آسیب می‌رسانند. اما ایزومرهایی مانند تکنسیوم برای استفاده پزشکی ایمن هستند، زیرا تنها یک فوتون بی‌ضرر در هر واپاشی ساطع می‌کنند و چیز دیگری آزاد نمی‌کنند.
ایزومرها همچنین در نجوم و اخترفیزیک اهمیت دارند. ستارگان با انرژی آزادشده در طی واکنش‌های هسته‌ای تغذیه می‌شوند. از آنجا که ایزومرها در ستارگان حضور دارند، واکنش‌های هسته‌ای متفاوت از حالتی هستند که ماده در حالت پایه باشد. این موضوع مطالعه ایزومرها را برای درک چگونگی تولید همه عناصر در جهان حیاتی می‌کند.
ایزومرها در آینده
یک قرن پس از کشف ایزومرها توسط هان، دانشمندان همچنان با استفاده از امکانات تحقیقاتی پیشرفته در سراسر جهان، از جمله تأسیسات پرتوهای ایزوتوپ نادر در دانشگاه ایالتی میشیگان، ایزومرهای جدیدی کشف می‌کنند. این تأسیسات در مه ۲۰۲۲ راه‌اندازی شد و امیدواریم بیش از ۱۰۰۰ ایزوتوپ و ایزومر جدید را کشف کند.
دانشمندان همچنین در حال بررسی این هستند که آیا ایزومرهای هسته‌ای می‌توانند برای ساخت دقیق‌ترین ساعت جهان استفاده شوند یا اینکه روزی ممکن است پایه‌ای برای نسل بعدی باتری‌ها باشند. بیش از ۱۰۰ سال پس از شناسایی یک ناهنجاری کوچک در نمک اورانیوم، دانشمندان همچنان به دنبال ایزومرهای جدید هستند و تازه شروع به کشف پتانسیل کامل این قطعات جذاب فیزیک کرده‌اند.
منبع: 
https://theconversation.com/nuclear-isomers-were-discovered-100-years-ago-and-physicists-are-still-unraveling-their-mysteries-180231
