Cel mai rar nucleu reticent la descompunere

Cel mai rar tip de nucleu atomic al naturii nu renunță la secretele sale cu ușurință.

Oamenii de știință care caută degradarea unei forme neobișnuite a elementului tantal, cunoscut sub numele de tantal-180m, au venit cu mâinile goale. Ezitarea tantalului-180m la degradare indică faptul că are un timp de înjumătățire de cel puțin 45 de milioane de miliarde de ani, raportează Bjoern Lehnert și colegii săi online pe 13 septembrie pe arXiv.org. „Timpul de înjumătățire este mai mare de un milion de ori vârsta universului”, spune Lehnert, fizician nuclear la Universitatea Carleton din Ottawa. (Oamenii de știință estimează vârsta universului la 13,8 miliarde de ani.)

Reprezentând mai puțin de două zece miimi dintr-un procent din masa scoarței terestre, tantalul metalic este neobișnuit. Și tantalul-180m este și mai greu de găsit. Doar 0,01% din tantal se găsește în această stare, ceea ce îl face cel mai rar cunoscut nuclid cu viață lungă sau varietate de atom.

Tantal-180m este un pic ciudat. Este ceea ce este cunoscut sub numele de izomer – nucleul său există într-o configurație „excitată” sau de înaltă energie. În mod normal, un nucleu excitat ar scădea rapid la o stare de energie mai scăzută, emițând un foton – o particulă de lumină – în acest proces. Dar tantalul-180m este „metastabil” (de unde „m” din numele său), ceea ce înseamnă că rămâne blocat în starea sa de înaltă energie.

STANCĂ RARĂ Tantalul, prezentat mai sus, este un metal neobișnuit găsit în scoarța terestră. Are 73 de protoni în nucleu. Majoritatea tantalului este sub forma tantal-181, dar 0,01% este sub forma neobișnuită de tantal-180m, care are un nucleu care este excitat într-o stare de înaltă energie. images-of-elements.com (CC BY 3.0)

Se crede că tantalul-180m se descompune prin emiterea sau captarea unui electron, transformându-se într-un alt element – fie wolfram, fie hafniu – în acest proces. Dar această degradare nu a fost niciodată observată. Alți nuclizi neobișnuiți, cum ar fi cei care se descompun prin emiterea simultană a doi electroni, pot avea timpi de înjumătățire chiar mai mari decât tantalul-180m. Dar tantalul-180m este unic – este cel mai longeviv izomer găsit în natură.

„Este un nucleu foarte interesant”, spune fizicianul nuclear Eric Norman de la Universitatea din California, Berkeley, care nu a fost implicat în studiu. Oamenii de știință nu au o înțelegere bună a acestor dezintegrari neobișnuite, iar o măsurare a timpului de înjumătățire ar ajuta oamenii de știință să stabilească detaliile procesului și structura nucleului.

Lehnert și colegii săi au observat o probă de tantal cu un detector conceput pentru a capta fotonii emiși în procesul de dezintegrare. După ce a rulat experimentul timp de 176 de zile și a adăugat date din încarnările anterioare ale experimentului, echipa nu a văzut nicio dovadă de degradare. Timpul de înjumătățire nu ar putea fi mai scurt de 45 de milioane de miliarde de ani, au stabilit oamenii de știință, altfel ar fi văzut un indiciu al procesului. „Au făcut o măsurătoare de ultimă generație”, spune Norman. „Este un lucru foarte greu de văzut.”

Prezența tantalului-180m în natură este, de asemenea, un pic de mister. Procesele de forjare a elementelor care au loc în stele și supernove par să ocolească nuclidul. „Oamenii nu înțeleg deloc cum este creat”, spune Lehnert.

Tantalul-180m este interesant ca sursă potențială de energie, spune Norman, deși „este o idee oarecum nebună”. Dacă oamenii de știință ar putea găsi o modalitate de a profita de energia stocată în nucleul excitat provocându-l să se descompună, ar putea fi util pentru aplicații precum laserele nucleare, spune el.