Emisión gamma inducida

En física , la emisión gamma inducida ( EGI ) se refiere al proceso de emisión fluorescente de rayos gamma desde núcleos excitados, que generalmente involucra un isómero nuclear específico . Es análoga a la fluorescencia convencional , que se define como la emisión de un fotón (unidad de luz) por un electrón excitado en un átomo o molécula. En el caso de la EGI, los isómeros nucleares pueden almacenar cantidades significativas de energía de excitación durante tiempos lo suficientemente largos como para que sirvan como materiales fluorescentes nucleares. Existen más de 800 isómeros nucleares conocidos ^{[ 1 ]} , pero casi todos son demasiado radiactivos intrínsecamente para ser considerados para aplicaciones. A partir de 2006Había dos isómeros nucleares propuestos que parecían ser físicamente capaces de fluorescencia IGE en configuraciones seguras: tantalio-180m y hafnio-178m2 .

La emisión gamma inducida es un ejemplo de investigación interdisciplinaria que abarca tanto la física nuclear como la electrónica cuántica. Vista como una reacción nuclear , pertenecería a una clase en la que solo los fotones participan en la creación y destrucción de estados de excitación nuclear. Es una clase que suele pasarse por alto en las discusiones tradicionales. En 1939, Bruno Pontecorvo y André Lazard ^{[ 2 ]} informaron del primer ejemplo de este tipo de reacción. El indio fue el blanco y, en la terminología moderna que describe las reacciones nucleares, se escribiría ^115In (γ,γ ^' ) ^115mIn . El nucleido producto lleva una "m" para indicar que tiene una vida media lo suficientemente larga (4,5  h en este caso) como para ser considerado un isómero nuclear . Esto fue lo que hizo posible el experimento en 1939, ya que los investigadores tuvieron horas para retirar los productos del entorno de irradiación y luego estudiarlos en un lugar más apropiado.

Con fotones proyectiles, el momento y la energía se conservan solo si el fotón incidente, rayo X o gamma, tiene precisamente la energía correspondiente a la diferencia de energía entre el estado inicial del núcleo objetivo y algún estado excitado que no sea demasiado diferente en términos de propiedades cuánticas como el espín. No hay comportamiento umbral y el proyectil incidente desaparece y su energía se transfiere a la excitación interna del núcleo objetivo. Es un proceso resonante que es poco común en las reacciones nucleares pero normal en la excitación de la fluorescencia a nivel atómico. Recién en 1988 se demostró finalmente la naturaleza resonante de este tipo de reacción. ^{[ 3 ]} Estas reacciones resonantes se describen más fácilmente mediante las formalidades de la fluorescencia atómica y el desarrollo posterior se vio facilitado por un enfoque interdisciplinario de IGE.

Hay poca diferencia conceptual en un experimento IGE cuando el objetivo es un isómero nuclear . Una reacción como ^m X(γ,γ ^' )X, donde ^m X es uno de los cinco candidatos mencionados anteriormente, solo difiere porque existen estados de energía más bajos a los que puede acceder el nucleido producto después de la reacción que los que había al inicio. Las dificultades prácticas surgen de la necesidad de garantizar la seguridad frente a la desintegración radiactiva espontánea de isómeros nucleares en cantidades suficientes para la experimentación. Los tiempos de vida deben ser lo suficientemente largos para que las dosis de la desintegración espontánea de los objetivos se mantengan siempre dentro de los límites de seguridad. En 1988, Collins y colaboradores ^{[ 4 ]} informaron de la primera excitación de IGE a partir de un isómero nuclear. Excitaron la fluorescencia del isómero nuclear tantalio -180m con rayos X producidos por un acelerador lineal de radioterapia de haz externo . Los resultados fueron sorprendentes y se consideraron controvertidos hasta que se identificaron los estados resonantes excitados en el objetivo. ^{[ 5 ]}

• Si un fotón incidente es absorbido por el estado inicial de un núcleo objetivo, dicho núcleo pasará a un estado de excitación más energético. Si ese estado solo puede irradiar su energía durante una transición de regreso al estado inicial, el resultado es un proceso de dispersión , como se muestra en la figura esquemática. Esto no es un ejemplo de efecto de ionización de campo magnético (EIG).
• Si un fotón incidente es absorbido por un estado inicial de un núcleo objetivo, dicho núcleo pasará a un estado de excitación más energético. Si existe una probabilidad no nula de que ese estado inicie una cascada de transiciones, como se muestra en el esquema, dicho estado se denomina "estado de puerta de enlace", "nivel de activación" o "estado intermedio". Se emiten uno o más fotones fluorescentes, a menudo con diferentes retardos tras la absorción inicial, y este proceso constituye un ejemplo de efecto de puerta de enlace.
• Si el estado inicial del núcleo objetivo es su estado fundamental (de menor energía), los fotones fluorescentes tendrán menos energía que el fotón incidente (como se muestra en la figura esquemática). Dado que el canal de dispersión suele ser el más intenso, puede "ciegar" los instrumentos utilizados para detectar la fluorescencia. En los primeros experimentos, se prefería estudiar la fluorescencia inducida por colisión (IGE) emitiendo pulsos de fotones incidentes mientras los detectores estaban apagados, para luego concentrarse en los fotones de fluorescencia retardados cuando los instrumentos podían volver a encenderse de forma segura.
• Si el estado inicial del núcleo objetivo es un isómero nuclear (que comienza con más energía que el estado fundamental), también puede soportar la transferencia de energía interatómica (TEI). Sin embargo, en ese caso, el diagrama esquemático no es simplemente el ejemplo visto para ^{el 115In} , sino que se lee de derecha a izquierda con las flechas invertidas. Tal "inversión" requeriría la absorción simultánea (con una precisión de <0,25 ns) de dos fotones incidentes de energías diferentes para pasar del  isómero 4h al "estado de puerta de enlace". Por lo general, el estudio de la TEI desde un estado fundamental a un isómero del mismo núcleo aporta poca información sobre cómo se comportaría el mismo isómero si se utilizara como estado inicial para la TEI. Para soportar la TEI, habría que encontrar una energía para un fotón incidente que "coincidiera" con la energía necesaria para alcanzar algún otro estado de puerta de enlace no mostrado en el esquema, que pudiera iniciar su propia cascada hacia el estado fundamental.
• Si el objetivo es un isómero nuclear que almacena una cantidad considerable de energía, entonces la reacción IGE podría producir una cascada que contenga una transición que emita un fotón con más energía que el fotón incidente. Esto sería el análogo nuclear de la conversión ascendente en la física láser .
• Si el objetivo es un isómero nuclear que almacena una cantidad considerable de energía, la IGE podría producir una cascada a través de un par de estados excitados cuyas vidas medias están "invertidas", de modo que en un conjunto de dichos núcleos, la población se acumularía en el nivel superior de mayor duración, mientras que se vaciaría rápidamente del miembro inferior de menor duración del par. La inversión de población resultante podría sustentar algún tipo de emisión coherente análoga a la emisión espontánea amplificada (ASE) en física láser . Si las dimensiones físicas del conjunto de núcleos isómeros objetivo fueran largas y delgadas, podría resultar una forma de láser de rayos gamma .

• Emisión gamma inducida por partículas

• CB Collins; NC Zoita; F. Davanloo; Y. Yoda; T. Uruga; JM Pouvesle; II Popescu (2005). "Espectroscopia de resonancia nuclear del isómero de 31 años de Hf-178". Laser Physics Letters . 2 (3): 162. Bibcode : 2005LaPhL...2..162C . doi : 10.1002/lapl.200410154 . S2CID 121707178 . 
• I. Ahmad; et  al. (2001). "Búsqueda de la aceleración inducida por rayos X de la desintegración del isómero de 31 años de ¹⁷⁸ Hf mediante radiación sincrotrón" . Physical Review Letters . 87 (7) 072503. Bibcode : 2001PhRvL..87g2503A . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.072503 . PMID 11497887 . 
• I. Ahmad; et  al. (2003). "Búsqueda de la desintegración inducida por rayos X del isómero de 31 años de ¹⁷⁸ Hf a bajas energías de rayos X" . Physical Review C. 67 ( 4): 041305R. Bibcode : 2003PhRvC..67d1305A . doi : 10.1103/PhysRevC.67.041305 . S2CID 209833094 . 
• CB Collins (1990). «Prueba de la viabilidad de esquemas coherentes e incoherentes para el bombeo de un láser de rayos gamma» (pdf) . DTIC. Informe n.º GRL/9001. Archivado del original el 1 de junio de 2022.

• "Las cosas que dan miedo vienen en paquetes pequeños" , artículo del Washington Post de 2004 por Sharon Weinberger | Archivado el 4 de noviembre de 2021 en Wayback Machine .
• Página de resumen de resultados del isómero Hf archivada el 28/09/2007 en Wayback Machine , CB Collins, Universidad de Texas, Dallas
• "¿El avión Global Hawk de propulsión atómica se prepara para el despegue?" , una entrada del blog de SciScoop | Archivado el 4 de noviembre de 2021 en Wayback Machine
• Los resultados contradictorios sobre un isómero nuclear de larga duración del hafnio tienen implicaciones más amplias. Este artículo de Physics Today ofrece una visión equilibrada desde 2004.
• Reimpresiones de artículos sobre isómeros nucleares publicados en revistas revisadas por pares. Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine - Centro de Electrónica Cuántica, Universidad de Texas en Dallas.