Un nucleido (o nucleido , de núcleo , también conocido como especie nuclear) es una clase de átomos caracterizados por su número de protones , Z , su número de neutrones , N , y su estado de energía nuclear . [1]
La palabra nucleido fue acuñada por el físico nuclear estadounidense Truman P. Kohman en 1947. [2] [3] Kohman definió nucleido como una "especie de átomo caracterizada por la constitución de su núcleo" que contiene un cierto número de neutrones y protones. Por tanto, el término se centró originalmente en el núcleo.
Un nucleido es una especie de átomo con un número específico de protones y neutrones en el núcleo, por ejemplo el carbono-13 con 6 protones y 7 neutrones. El concepto de nucleido (que se refiere a especies nucleares individuales) enfatiza las propiedades nucleares sobre las químicas, mientras que el concepto de isótopo (que agrupa todos los átomos de cada elemento) enfatiza las químicas sobre las nucleares. El número de neutrones tiene grandes efectos sobre las propiedades nucleares, pero su efecto sobre las reacciones químicas es insignificante para la mayoría de los elementos. Incluso en el caso de los elementos más ligeros, donde la relación entre el número de neutrones y el número atómico varía más entre isótopos, normalmente tiene sólo un efecto pequeño, pero es importante en algunas circunstancias. En el caso del hidrógeno, el elemento más ligero, el efecto isotópico es lo suficientemente grande como para afectar fuertemente a los sistemas biológicos. En el caso del helio, el helio-4 obedece a la estadística de Bose-Einstein , mientras que el helio-3 obedece a la estadística de Fermi-Dirac . Dado que isótopo es el término más antiguo, es más conocido que nucleido y todavía se utiliza ocasionalmente en contextos en los que el nucleido podría ser más apropiado, como la tecnología nuclear y la medicina nuclear.
Aunque las palabras nucleido e isótopo a menudo se usan indistintamente, ser isótopo es en realidad sólo una relación entre nucleidos. La siguiente tabla nombra algunas otras relaciones.
Un conjunto de nucleidos con igual número de protones ( número atómico ), es decir, del mismo elemento químico pero diferente número de neutrones , se denominan isótopos del elemento. A determinados nucleidos todavía se les suele llamar vagamente "isótopos", pero el término "nucleido" es el correcto en general (es decir, cuando Z no está fijo). De manera similar, un conjunto de nucleidos con igual número de masa A , pero diferente número atómico , se denominan isobaras (isobar = igual en peso), y los isótonos son nucleidos de igual número de neutrones pero diferente número de protones. Asimismo, los nucleidos con el mismo exceso de neutrones ( N − Z ) se denominan isodiaferos. [4] El nombre isótopo se deriva del nombre isótopo e para enfatizar que en el primer grupo de nucleidos es el número de neutrones (n) el que es constante, mientras que en el segundo el número de protones (p). [5]
Véase Isotope#Notation para obtener una explicación de la notación utilizada para diferentes tipos de nucleidos o isótopos.
Los isómeros nucleares son miembros de un conjunto de nucleidos con igual número de protones e igual número de masa (lo que los convierte, por definición, en el mismo isótopo), pero diferentes estados de excitación. Un ejemplo son los dos estados del isótopo único.99
43tc
mostrado entre los esquemas de desintegración . Cada uno de estos dos estados (tecnecio-99m y tecnecio-99) se considera un nucleido diferente, lo que ilustra una forma en que los nucleidos pueden diferir de los isótopos (un isótopo puede consistir en varios nucleidos diferentes con diferentes estados de excitación).
El isómero nuclear en estado no terrestre de vida más larga es el nucleido tantalio-180m (180m
73Ejército de reserva
), que tiene una vida media superior a 1.000 billones de años. Este nucleido se produce de forma primordial y nunca se ha observado que decaiga hasta el estado fundamental. (Por el contrario, el nucleido tantalio-180 en estado fundamental no se produce de forma primordial, ya que se desintegra con una vida media de sólo 8 horas a 180 Hf (86%) o 180 W (14%).)
Hay 251 nucleidos en la naturaleza que nunca se ha observado que se descompongan. Se encuentran entre los 80 elementos diferentes que tienen uno o más isótopos estables. Véase nucleido estable y nucleido primordial . Los nucleidos inestables son radiactivos y se denominan radionucleidos . Sus productos de desintegración (productos 'hijos') se denominan nucleidos radiogénicos .
Los radionucleidos naturales pueden subdividirse convenientemente en tres tipos. [6] En primer lugar, aquellos cuyas vidas medias t 1/2 son al menos un 2% tan largas como la edad de la Tierra (a efectos prácticos, son difíciles de detectar con vidas medias inferiores al 10% de la edad de la Tierra). Tierra) (4,6 × 10 9 años ). Se trata de restos de nucleosíntesis que se produjeron en las estrellas antes de la formación del Sistema Solar . Por ejemplo, el isótopo238
Ud.
(t 1/2 =4,5 × 10 9 años ) de uranio todavía es bastante abundante en la naturaleza, pero el isótopo de vida más corta235
Ud.
(t 1/2 =0,7 × 10 9 años ) es 138 veces más raro. Se han descubierto alrededor de 34 de estos nucleidos (consulte Lista de nucleidos y Nuclido primordial para obtener más detalles).
El segundo grupo de radionucleidos que existen naturalmente consiste en nucleidos radiogénicos como226
Real academia de bellas artes
(t 1/2 =1602 años ), un isótopo del radio , que se forma por desintegración radiactiva . Ocurren en las cadenas de desintegración de isótopos primordiales de uranio o torio. Algunos de estos nucleidos tienen una vida muy corta, como los isótopos del francio . Existen alrededor de 51 de estos nucleidos hijos que tienen vidas medias demasiado cortas para ser primordiales y que existen en la naturaleza únicamente debido a la desintegración de nucleidos primordiales radiactivos de vida más larga.
El tercer grupo consiste en nucleidos que se producen continuamente de otra manera que no es una simple desintegración radiactiva espontánea (es decir, solo un átomo involucrado sin ninguna partícula entrante), sino que implica una reacción nuclear natural . Estos ocurren cuando los átomos reaccionan con neutrones naturales (procedentes de rayos cósmicos, fisión espontánea u otras fuentes), o son bombardeados directamente con rayos cósmicos . Estos últimos, si no son primordiales, se denominan nucleidos cosmogénicos . Otros tipos de reacciones nucleares naturales producen nucleidos que se dice que son nucleídos nucleogénicos .
Un ejemplo de nucleidos formados por reacciones nucleares, son cosmogénicos.14
C
( radiocarbono ) que se produce mediante el bombardeo de otros elementos con rayos cósmicos , y nucleogénico239
PU
que todavía se está creando mediante el bombardeo de neutrones de238
Ud.
como resultado de la fisión natural de los minerales de uranio. Los nucleidos cosmogénicos pueden ser estables o radiactivos. Si son estables, su existencia debe deducirse en el contexto de nucleidos estables, ya que todos los nucleidos estables conocidos están presentes en la Tierra de manera primordial.
Además de los nucleidos naturales, se han producido y caracterizado artificialmente más de 3.000 radionucleidos de vidas medias variables.
Los nucleidos conocidos se muestran en la Tabla de nucleidos . Se proporciona una lista de nucleidos primordiales ordenados por elemento, en Lista de elementos por estabilidad de isótopos . La lista de nucleidos está ordenada por vida media, para los 905 nucleidos con vidas medias superiores a una hora.
Esta es una tabla resumen [7] para los 905 nucleidos con vidas medias superiores a una hora, que figuran en la lista de nucleidos . Tenga en cuenta que las cifras no son exactas y pueden cambiar ligeramente en el futuro si se observa que algunos nucleidos "estables" son radiactivos con vidas medias muy largas.
Núcleos atómicos distintos del hidrógeno.1
1h
tienen protones y neutrones unidos por la fuerza fuerte residual . Como los protones tienen carga positiva, se repelen entre sí. Los neutrones, que son eléctricamente neutros, estabilizan el núcleo de dos maneras. Su copresencia separa ligeramente a los protones, reduciendo la repulsión electrostática entre los protones, y ejercen la fuerza nuclear de atracción entre sí y sobre los protones. Por esta razón, se necesitan uno o más neutrones para que dos o más protones se unan a un núcleo. A medida que aumenta el número de protones, también aumenta la proporción de neutrones a protones necesaria para garantizar un núcleo estable (ver gráfico). Por ejemplo, aunque la relación neutrón-protón de3
2Él
es 1:2, la relación neutrón-protón de238
92Ud.
es mayor que 3:2. Varios elementos más ligeros tienen nucleidos estables con una proporción de 1:1 ( Z = N ). El nucleido40
20California
(calcio-40) es, desde el punto de vista observacional, el nucleido estable más pesado con el mismo número de neutrones y protones. Todos los nucleidos estables más pesados que el calcio-40 contienen más neutrones que protones.
La relación protón-neutrón no es el único factor que afecta la estabilidad nuclear. Depende también de la paridad par o impar de su número atómico Z , del número de neutrones N y, en consecuencia, de su suma, el número másico A. La rareza de Z y N tiende a reducir la energía de enlace nuclear , lo que hace que los núcleos impares, en general, sean menos estables. Esta notable diferencia de energía de enlace nuclear entre núcleos vecinos, especialmente de isobaras A impares , tiene consecuencias importantes: los isótopos inestables con un número no óptimo de neutrones o protones se desintegran por desintegración beta (incluida la desintegración de positrones), captura de electrones o medios más exóticos, como como fisión espontánea y desintegración de cúmulos .
La mayoría de los nucleidos estables son pares de protones y neutrones pares, donde todos los números Z , N y A son pares. Los nucleidos estables impares A se dividen (más o menos uniformemente) en nucleidos de protones impares-neutrones pares y de protones pares-neutrones impares. Los nucleidos (y núcleos) de protones impares y neutrones impares son los menos comunes.