Desplazamiento isomérico

El desplazamiento isomérico (también llamado desplazamiento isomérico) es el desplazamiento en las líneas espectrales atómicas y en las líneas espectrales gamma, que se produce como consecuencia de la sustitución de un isómero nuclear por otro. Se suele denominar desplazamiento isomérico en las líneas espectrales atómicas y desplazamiento isomérico de Mössbauer respectivamente. Si los espectros también tienen una estructura hiperfina , el desplazamiento se refiere al centro de gravedad de los espectros. El desplazamiento isomérico proporciona información importante sobre la estructura nuclear y el entorno físico, químico o biológico de los átomos. Más recientemente, el efecto también se ha propuesto como una herramienta en la búsqueda de la variación temporal de las constantes fundamentales de la naturaleza. ^[1]

El desplazamiento isomérico en las líneas espectrales atómicas es el desplazamiento de energía o frecuencia en los espectros atómicos que se produce cuando se reemplaza un isómero nuclear por otro. El efecto fue predicho por Richard M. Weiner ^[2] en 1956, cuyos cálculos demostraron que debería ser medible mediante espectroscopia atómica (óptica) (véase también ^[3] ). Se observó experimentalmente ^[4] por primera vez en 1958. La teoría del desplazamiento isomérico atómico ^{[2] [3]} también se utiliza en la interpretación del desplazamiento isomérico de Mössbauer.

La noción de isómero aparece también en otros campos como la química y la meteorología . Por ello, en las primeras publicaciones dedicadas a este efecto ^{[3] [2]} se utilizó el nombre de desplazamiento isomérico nuclear en las líneas espectrales . Antes del descubrimiento del efecto Mössbauer , el desplazamiento isomérico se refería exclusivamente a los espectros atómicos ; esto explica la ausencia de la palabra atómico en la definición inicial ^{[2] [3]} del efecto. Posteriormente, el desplazamiento isomérico también se observó en espectroscopia gamma a través del efecto Mössbauer y se denominó desplazamiento isomérico de Mössbauer . Para más detalles sobre la historia del desplazamiento isomérico y la terminología utilizada, véase. ^{[5] [6]}

Las líneas espectrales atómicas se deben a transiciones de electrones entre diferentes niveles de energía atómica E , seguidas de la emisión de fotones. Los niveles atómicos son una manifestación de la interacción electromagnética entre electrones y núcleos. Los niveles de energía de dos átomos, cuyos núcleos son isótopos diferentes del mismo elemento, se desplazan uno con respecto al otro, a pesar de que las cargas eléctricas Z de los dos isótopos son idénticas. Esto es así porque los isótopos difieren en el número de neutrones y, por lo tanto, las masas y volúmenes de dos isótopos son diferentes; estas diferencias dan lugar al desplazamiento isotópico en las líneas espectrales atómicas.

En el caso de dos isómeros nucleares, el número de protones y el número de neutrones son idénticos, pero los estados cuánticos y, en particular, los niveles de energía de los dos isómeros nucleares difieren. Esta diferencia induce una diferencia en las distribuciones de carga eléctrica de los dos isómeros y, por lo tanto, una diferencia δφ en los potenciales nucleares electrostáticos correspondientes φ, que finalmente conduce a una diferencia Δ E en los niveles de energía atómica. El desplazamiento isomérico en las líneas espectrales atómicas viene dado por

${\displaystyle \Delta E=-e\int \delta \phi |\psi |^{2}\,d\tau ,}$

donde ψ es la función de onda del electrón involucrado en la transición, e su carga eléctrica, y la integración se realiza sobre las coordenadas del electrón.

El desplazamiento isotópico y el desplazamiento isomérico son similares en el sentido de que ambos son efectos en los que se manifiesta el tamaño finito del núcleo y ambos se deben a una diferencia en la energía de interacción electromagnética entre los electrones y el núcleo del átomo. El desplazamiento isotópico se conocía décadas antes que el desplazamiento isomérico y proporcionaba información útil pero limitada sobre los núcleos atómicos. A diferencia del desplazamiento isomérico, el desplazamiento isotópico se descubrió primero en experimentos y luego se interpretó teóricamente (véase también ^[7] ). Mientras que en el caso del desplazamiento isotópico la determinación de la energía de interacción entre electrones y núcleos es un problema electromagnético relativamente simple, para los isómeros el problema es más complejo, ya que es la interacción fuerte la que explica la excitación isomérica del núcleo y, por lo tanto, la diferencia de distribuciones de carga de los dos estados isoméricos. Esta circunstancia explica en parte por qué el desplazamiento isomérico nuclear no se descubrió antes: la teoría nuclear apropiada y, en particular, el modelo de capas nucleares se desarrollaron solo a fines de la década de 1940 y principios de la de 1950. En cuanto a la observación experimental de este desplazamiento, hubo que esperar también al desarrollo de una nueva técnica que permitiera la espectroscopia con isómeros, que son núcleos metaestables. Esto también ocurrió recién en los años 50.

Mientras que el desplazamiento isomérico es sensible a la estructura interna del núcleo, el desplazamiento isotópico no lo es (en una buena aproximación). Por lo tanto, la información de física nuclear que se puede obtener de la investigación del desplazamiento isomérico es superior a la que se puede obtener de los estudios de desplazamiento isotópico. Las mediciones a través del desplazamiento isomérico de, por ejemplo, la diferencia de radios nucleares del estado excitado y fundamental constituyen una de las pruebas más sensibles de los modelos nucleares. Además, combinado con el efecto Mössbauer, el desplazamiento isomérico constituye en la actualidad una herramienta única en muchos otros campos además de la física.

Según el modelo de capas nucleares, existe una clase de isómeros para los cuales, en una primera aproximación, es suficiente considerar un solo nucleón, llamado nucleón "óptico", para obtener una estimación de la diferencia entre las distribuciones de carga de los dos estados isoméricos, filtrando el resto de los nucleones . Esto se aplica en particular a los isómeros en núcleos de protones impares y neutrones pares, con capas casi cerradas. El indio -115, para el cual se calculó el efecto, ^[2] es un ejemplo de ello. El resultado del cálculo fue que el desplazamiento isomérico en las líneas espectrales atómicas, aunque bastante pequeño, resultó ser dos órdenes de magnitud mayor que un ancho de línea natural típico, que constituye el límite de la mensurabilidad óptica.

El desplazamiento medido tres años después ^[4] en Hg-197 fue bastante cercano al calculado para In-115, aunque en Hg-197, a diferencia de In-115, el nucleón óptico es un neutrón en lugar de un protón, y la interacción electrón-neutrón libre es mucho menor que la interacción electrón-protón libre. Esto es una consecuencia del hecho de que los nucleones ópticos no son partículas libres, sino ligadas. ^[2] Por lo tanto, los resultados ^[4] podrían explicarse ^[8] dentro de la teoría ^[2] asociando con el neutrón óptico impar una carga eléctrica efectiva de Z / A .

El desplazamiento isomérico de Mössbauer es el desplazamiento que se observa en la espectroscopia de rayos gamma cuando se comparan dos estados isoméricos nucleares diferentes en dos entornos físicos, químicos o biológicos diferentes, y se debe al efecto combinado de la transición Mössbauer sin retroceso entre los dos estados isoméricos nucleares y la transición entre dos estados atómicos en esos dos entornos.

El desplazamiento isomérico en las líneas espectrales atómicas depende de la función de onda electrónica ψ y de la diferencia δφ de los potenciales electrostáticos φ de los dos estados isoméricos.

Para un isómero nuclear dado en dos entornos físicos o químicos diferentes (diferentes fases físicas o diferentes combinaciones químicas), las funciones de onda electrónicas también son diferentes. Por lo tanto, además del desplazamiento isomérico en las líneas espectrales atómicas, que se debe a la diferencia de los dos estados isoméricos nucleares, habrá un desplazamiento entre los dos entornos (debido a la disposición experimental, estos se denominan fuente(s) y absorbedor(a)). Este desplazamiento combinado es el desplazamiento isomérico de Mössbauer, y se describe matemáticamente mediante el mismo formalismo que el desplazamiento isomérico nuclear en las líneas espectrales atómicas, excepto que en lugar de una función de onda electrónica, que en la fuente ψ _s , se trata de la diferencia entre la función de onda electrónica en la fuente ψ _s y la función de onda electrónica en el absorbedor ψ _a :

${\displaystyle \Delta E_{\text{Mossbauer}}=\Delta E_{\text{s}}-\Delta E_{\text{a}}=-e\int \delta \phi {\big (}| \psi _{\text{s}}|^{2}-|\psi _{\text{a}}|^{2}{\big )}\,d\tau .}$

La primera medición del desplazamiento isomérico en espectroscopia gamma con ayuda del efecto Mössbauer se informó ^[9] en 1960, dos años después de su primera observación experimental en espectroscopia atómica. ^[4] Al medir este desplazamiento, se obtiene información importante y extremadamente precisa, tanto sobre los estados isoméricos nucleares como sobre el entorno físico, químico o biológico de los átomos, representado por las funciones de onda electrónicas.

En su variante Mössbauer, el desplazamiento isomérico ha encontrado importantes aplicaciones en dominios tan diferentes como la física atómica , la física del estado sólido , la física nuclear , la química , la biología , la metalurgia , la mineralogía , la geología y la investigación lunar. Para más literatura, véase también. ^[10]

El cambio isomérico nuclear también se ha observado en átomos muónicos, ^[11] es decir, átomos en los que un muón es capturado por el núcleo excitado y realiza una transición desde un estado atómico excitado al estado atómico fundamental en un tiempo más corto que la vida útil del estado nuclear isomérico excitado.