Las isóbaras estables a la desintegración beta son el conjunto de nucleidos que no pueden sufrir desintegración beta , es decir, la transformación de un neutrón en un protón o de un protón en un neutrón dentro del núcleo . Un subconjunto de estos nucleidos también son estables con respecto a la desintegración beta doble o a la desintegración beta simultánea teóricamente superior, ya que tienen la energía más baja de todas las isóbaras con el mismo número másico .
Este conjunto de nucleidos también se conoce como línea de estabilidad beta , un término que ya era de uso común en 1965. [1] [2] Esta línea se encuentra a lo largo del fondo del valle nuclear de estabilidad .
La línea de estabilidad beta se puede definir matemáticamente encontrando el nucleido con la mayor energía de enlace para un número másico dado, mediante un modelo como la fórmula de masa semiempírica clásica desarrollada por CF Weizsäcker . Estos nucleidos son máximos locales en términos de energía de enlace para un número másico dado.
Todos los números de masa impares tienen solo un nucleido estable de desintegración beta.
Entre los de número másico par, cinco (124, 130, 136, 150, 154) tienen tres nucleidos beta-estables. Ninguno tiene más de tres; todos los demás tienen uno o dos.
Todos los nucleidos primordiales son estables a la desintegración beta, con la excepción de 40 K, 50 V, 87 Rb, 113 Cd, 115 In, 138 La, 176 Lu y 187 Re. Además, no se ha observado que 123 Te y 180m Ta se desintegren, pero se cree que experimentan una desintegración beta con una vida media extremadamente larga (más de 10 15 años). ( 123 Te solo puede experimentar captura de electrones a 123 Sb, mientras que 180m Ta puede desintegrarse en ambas direcciones, a 180 Hf o 180 W). Entre los nucleidos no primordiales, hay algunos otros casos de desintegración beta teóricamente posible pero nunca observado, incluidos notablemente 222 Rn y 247 Cm (los isótopos más estables de sus elementos considerando todos los modos de desintegración). Por último, no se ha observado que el 48 Ca y el 96 Zr sufran desintegración beta (lo que teóricamente es posible para ambos), pero se conoce la desintegración beta doble para ambos. Se sabe que todos los elementos hasta el nobelio inclusive , excepto el tecnecio y el prometio , tienen al menos un isótopo beta estable.
Actualmente se conocen 350 nucleidos estables de desintegración beta. [3] [4] La desintegración beta doble predicha teóricamente u observada experimentalmente se muestra con flechas, es decir, las flechas apuntan hacia la isobara de masa más ligera. Esto a veces está dominado por la desintegración alfa o la fisión espontánea , especialmente para los elementos pesados. Los posibles modos de desintegración se enumeran como α para la desintegración alfa, SF para la fisión espontánea y n para la emisión de neutrones en el caso especial de 5 He. Para la masa 5 no hay isóbaras ligadas en absoluto; hay isóbaras ligadas para la masa 8, pero la beta-estable 8 Be no está ligada. [5]
Existen dos nucleidos estables de desintegración beta para los neutrones impares 1 ( 2 H y 3 He), 3 ( 5 He y 6 Li – el primero tiene una vida media extremadamente corta), 5 ( 9 Be y 10 B), 7 ( 13 C y 14 N), 55 ( 97 Mo y 99 Ru), y 85 ( 145 Nd y 147 Sm); los primeros cuatro casos involucran nucleidos muy ligeros donde los nucleidos impar-impar son más estables que sus isóbaros pares-pares circundantes, y los dos últimos rodean los protones números 43 y 61 que no tienen isótopos beta-estables. Además, existen dos nucleidos estables de desintegración beta para los protones números impares 1, 3, 5, 7, 17, 19, 29, 31, 35, 47, 51, 63, 77, 81 y 95; Los primeros cuatro casos involucran nucleidos muy ligeros donde los nucleidos impar-impares son más estables que sus isóbaros circundantes pares-pares, y los otros números rodean los números de neutrones 19, 21, 35, 39, 45, 61, 71, 89, 115, 123, 147 que no tienen isótopos beta-estables. (Para N = 21 existe el 40 K primordial de larga vida , y para N = 71 hay 123 Te cuya captura de electrones aún no se ha observado, pero ninguno es beta-estable.)
Todos los números de protones pares 2 ≤ Z ≤ 102 tienen al menos dos nucleidos estables a la desintegración beta, con exactamente dos para Z = 4 ( 8 Be y 9 Be – el primero tiene una vida media extremadamente corta) y 6 ( 12 C y 13 C). Además, los únicos números de neutrones pares con solo un nucleido estable a la desintegración beta son 0 ( 1 H) y 2 ( 4 He); Existen al menos dos nucleidos estables a la desintegración beta para números de neutrones pares en el rango 4 ≤ N ≤ 160, con exactamente dos para N = 4 ( 7 Li y 8 Be), 6 ( 11 B y 12 C), 8 ( 15 N y 16 O), 66 ( 114 Cd y 116 Sn, notando también el primordial pero no beta-estable 115 In), 120 ( 198 Pt y 200 Hg), y 128 ( 212 Po y 214 Rn – ambos muy inestables a la desintegración alfa ). Existen siete nucleidos estables de desintegración beta para el mágico N = 82 ( 136 Xe, 138 Ba, 139 La, 140 Ce, 141 Pr, 142 Nd y 144 Sm) y cinco para N = 20 ( 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K y 40 Ca), 50 ( 86 Kr, 88 Sr, 89 Y, 90 Zr y 92 Mo, notando también el primordial pero no beta-estable 87 Rb), 58 ( 100 Mo, 102 Ru, 103 Rh, 104 Pd y 106 Cd), 74 ( 124 Sn, 126 Te, 127 I, 128 Xe y 130 Ba), 78 ( 130 Te, 132 Xe, 133 Cs, 134 Ba y 136 Ce), 88 ( 148 Nd, 150 Sm, 151 Eu, 152 Gd y 154 Dy – este último no primordial) y 90 ( 150 Nd, 152 Sm, 153 Eu, 154 Gd y 156 Dy).
Para A ≤ 209, los únicos nucleidos estables a la desintegración beta que no son nucleidos primordiales son 5 He, 8 Be, 146 Sm, 150 Gd y 154 Dy. ( El 146 Sm tiene una vida media lo suficientemente larga como para que apenas sobreviva como un nucleido primordial, pero nunca se ha confirmado experimentalmente como tal).
Se sabe que todos los nucleidos estables a la desintegración beta con A ≥ 209 sufren desintegración alfa, aunque para algunos, la fisión espontánea es el modo de desintegración dominante. La desintegración en cúmulos también es posible a veces, pero en todos los casos conocidos es una rama menor en comparación con la desintegración alfa o la fisión espontánea. La desintegración alfa es energéticamente posible para todos los nucleidos estables beta con A ≥ 165 con la única excepción de 204 Hg, pero en la mayoría de los casos el valor Q es lo suficientemente pequeño como para que nunca se haya observado dicha desintegración. [11] Con la excepción de 262 No, ningún nucleido con A > 260 ha sido identificado definitivamente como beta-estable. 260 Fm y 262 No no están confirmados. [4] Además, los núcleos beta-estables conocidos para masas individuales A > 257 pueden no representar el conjunto completo. [10] [12]
Se espera que los patrones generales de estabilidad beta continúen en la región de los elementos superpesados , aunque la ubicación exacta del centro del valle de estabilidad depende del modelo. Se cree ampliamente que existe una isla de estabilidad a lo largo de la línea de estabilidad beta para los isótopos de elementos alrededor del copernicio que se estabilizan por cierres de capas en la región; dichos isótopos se desintegrarían principalmente a través de la desintegración alfa o la fisión espontánea. [13] Más allá de la isla de estabilidad, varios modelos que predicen correctamente muchos isótopos beta-estables conocidos también predicen anomalías en la línea de estabilidad beta que no se observan en ningún nucleido conocido, como la existencia de dos nucleidos beta-estables con el mismo número de masa impar. [10] [14] Esto es una consecuencia del hecho de que una fórmula de masa semiempírica debe considerar la corrección de capas y la deformación nuclear, que se vuelven mucho más pronunciadas para los nucleidos pesados. [14] [15]
Los núcleos beta-estables completamente ionizados (con todos los electrones despojados) son algo diferentes. En primer lugar, si un nucleido rico en protones solo puede desintegrarse por captura de electrones (porque la diferencia de energía entre el padre y la hija es menor que 1,022 MeV , la cantidad de energía de desintegración necesaria para la emisión de positrones ), entonces la ionización completa hace que la desintegración sea imposible. Esto sucede, por ejemplo, para el 7 Be. [16] Además, a veces la diferencia de energía es tal que, mientras que la desintegración β − viola la conservación de la energía para un átomo neutro, la desintegración β − en estado ligado (en la que el electrón de desintegración permanece ligado a la hija en un orbital atómico) es posible para el núcleo desnudo correspondiente. Dentro del rango 2 ≤ A ≤ 270 , esto significa que 163 Dy, 193 Ir, 205 Tl, 215 At y 243 Am entre los nucleidos neutros beta-estables dejan de ser beta-estables como nucleidos desnudos y son reemplazados por sus hijos 163 Ho, 193 Pt, 205 Pb, 215 Rn y 243 Cm. [17]
La desintegración beta generalmente hace que los nucleidos se desintegren hacia la isobara con la masa más baja (que a menudo, pero no siempre, es la que tiene la energía de enlace más alta) con el mismo número másico. Aquellos con un número atómico más bajo y un número de neutrones más alto que la isobara de masa mínima experimentan una desintegración beta-menos , mientras que aquellos con un número atómico más alto y un número de neutrones más bajo experimentan una desintegración beta-más o captura de electrones .
Sin embargo, hay algunos nucleidos impares-impares entre dos isóbaros beta-estables pares-pares, que se desintegran predominantemente en la masa más alta de los dos isóbaros beta-estables. Por ejemplo, 40 K podría sufrir captura de electrones o emisión de positrones a 40 Ar, o sufrir desintegración beta negativa a 40 Ca: ambos productos posibles son beta-estables. El primer proceso produciría el más ligero de los dos isóbaros beta-estables, pero el segundo es más común.