Définition et exemples d’isomères nucléaires

Définition de l’isomère nucléaire

Les isomères nucléaires sont des atomes ayant le même numéro de masse et le même numéro atomique, mais avec des états d’excitation différents dans le noyau atomique. L’état supérieur ou plus excité est appelé état métastable, tandis que l’état stable et non excité est appelé état fondamental.

Comment ils fonctionnent

La plupart des gens sont conscients que les électrons peuvent changer de niveau d’énergie et se trouver dans des états d’excitation. Un processus analogue se produit dans le noyau atomique lorsque des protons ou des neutrons (les nucléons) sont excités. Le nucléon excité occupe une orbite nucléaire de plus haute énergie. La plupart du temps, les nucléons excités retournent immédiatement à l’état fondamental, mais si l’état excité a une demi-vie plus longue que 100 à 1000 fois celle des états excités normaux, il est considéré comme un état métastable. En d’autres termes, la demi-vie d’un état excité est généralement de l’ordre de 10 à 12 secondes, alors qu’un état métastable a une demi-vie de 10 à 9 secondes ou plus. Certaines sources définissent un état métastable comme ayant une demi-vie supérieure à 5 x 10-9 secondes pour éviter toute confusion avec la demi-vie de l’émission gamma. Si la plupart des états métastables se dégradent rapidement, certains durent des minutes, des heures, des années, voire beaucoup plus longtemps.

La raison pour laquelle les états métastables se forment est qu’un changement de spin nucléaire plus important est nécessaire pour qu’ils reviennent à l’état de base. Un changement de spin élevé rend les désintégrations « interdites » et les retarde. La demi-vie de désintégration est également affectée par la quantité d’énergie de désintégration disponible.

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La plupart des isomères nucléaires retournent à l’état naturel par désintégration gamma. Parfois, la désintégration gamma à partir d’un état métastable est appelée transition isomérique, mais elle est essentiellement identique à la désintégration gamma normale de courte durée. En revanche, la plupart des états atomiques excités (électrons) reviennent à l’état fondamental par fluorescence.

Les isomères métastables peuvent également se décomposer par conversion interne. Dans la conversion interne, l’énergie libérée par la désintégration accélère un électron interne, ce qui lui permet de sortir de l’atome avec une énergie et une vitesse considérables. Il existe d’autres modes de désintégration pour les isomères nucléaires très instables.

Métastable et notation de l’état du sol

L’état de base est indiqué par le symbole g (lorsqu’une notation quelconque est utilisée). Les états excités sont indiqués à l’aide des symboles m, n, o, etc. Le premier état métastable est indiqué par la lettre m. Si un isotope spécifique a plusieurs états métastables, les isomères sont désignés par m1, m2, m3, etc. La désignation est indiquée après le numéro de masse (par exemple, cobalt 58m ou 58m27Co, hafnium-178m2 ou 178m272Hf).

Le symbole sf peut être ajouté pour indiquer les isomères capables de fission spontanée. Ce symbole est utilisé dans le diagramme des nucléides de Karlsruhe.

Exemples d’états métastables

Otto Hahn a découvert le premier isomère nucléaire en 1921. Il s’agissait du Pa-234m, qui se désintègre en Pa-234.

L’état métastable le plus durable est celui de 180m73 Ta. Cet état métastable du tantale n’a pas été vu en décomposition et semble durer au moins 1015 ans (plus que l’âge de l’univers). Comme l’état métastable dure si longtemps, l’isomère nucléaire est essentiellement stable. Le tantale – 180 m – se trouve dans la nature à une abondance d’environ 1 pour 8300 atomes. On pense que l’isomère nucléaire a peut-être été fabriqué dans les supernovae.

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Comment ils sont fabriqués

Les isomères nucléaires métastables se produisent par le biais de réactions nucléaires et peuvent être produits par fusion nucléaire. Ils sont présents à la fois naturellement et artificiellement.

Isomères de fission et isomères de forme

Un type spécifique d’isomère nucléaire est l’isomère de fission ou isomère de forme. Les isomères de fission sont indiqués en utilisant soit un post-scriptum, soit l’exposant « f » au lieu de « m » (par exemple, plutonium-240f ou 240f94Pu). Le terme « isomère de forme » fait référence à la forme du noyau atomique. Alors que le noyau atomique tend à être représenté comme une sphère, certains noyaux, comme ceux de la plupart des actinides, sont des sphères prolabées (en forme de ballon de football). En raison des effets de la mécanique quantique, la désexcitation des états excités vers l’état fondamental est entravée, de sorte que les états excités ont tendance à subir une fission spontanée ou à revenir à l’état fondamental avec une demi-vie de quelques nanosecondes ou microsecondes. Les protons et les neutrons d’un isomère de forme peuvent être encore plus éloignés d’une distribution sphérique que les nucléons à l’état fondamental.

Utilisations des isomères nucléaires

Les isomères nucléaires peuvent être utilisés comme sources gamma pour les procédures médicales, les batteries nucléaires, pour la recherche sur les émissions stimulées par les rayons gamma et pour les lasers à rayons gamma.

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