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Isobaras estables de desintegración beta

Las isobaras estables de desintegración beta son el conjunto de nucleidos que no pueden sufrir desintegración beta , es decir, la transformación de un neutrón en protón o de un protón en neutrón dentro del núcleo . Un subconjunto de estos nucleidos también es estable con respecto a la desintegración beta doble o la desintegración beta simultánea teóricamente mayor, ya que tienen la energía más baja de todas las isobaras con el mismo número de masa .

Este conjunto de nucleidos también se conoce como línea de estabilidad beta , 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 .

Introducción

La línea de estabilidad beta se puede definir matemáticamente encontrando el nucleido con la mayor energía de enlace para un número de masa determinado, 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 de masa determinado.

Todos los números de masa impares tienen un solo nucleido estable en desintegración beta.

Entre los números de masa 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 en 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 el 123 Te y el 180 m Ta se desintegren, pero se cree que sufren desintegración beta con una vida media extremadamente larga (más de 10 a 15 años). ( 123 Te solo puede sufrir captura de electrones hasta 123 Sb, mientras que 180 m Ta puede desintegrarse en ambas direcciones, hasta 180 Hf o 180 W). Entre los nucleidos no primordiales, existen otros casos de desintegración beta teóricamente posible pero nunca observada, en particular, incluidos 222 Rn y 247 Cm (los isótopos más estables de sus elementos considerando todos los modos de desintegración). Finalmente, no se ha observado que el 48 Ca y el 96 Zr sufran desintegración beta (lo cual es teóricamente posible para ambos), pero se conoce una 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.

Lista de isobaras estables de desintegración beta conocidas

Actualmente se conocen 350 nucleidos estables en desintegración beta. [3] [4] La doble desintegración beta predicha teóricamente o observada experimentalmente se muestra mediante flechas, es decir, las flechas apuntan hacia la isobara de masa más ligera. En ocasiones, esto 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 del 5 He. Para la masa 5 no hay ninguna isobara ligada; hay isobaras unidas para la masa 8, pero la beta estable 8 Be no está unida. [5]

Existen dos nucleidos estables en desintegración beta para números de 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 impares son más estables que las isobaras 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 en desintegración beta para los números impares de protones 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 impares son más estables que las isobaras pares-pares circundantes, 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 primordial de larga duración 40 K , y para N = 71 hay 123 Te cuya captura de electrones aún no se ha observado, pero ninguno de los dos es beta-estable).

Todos los números pares de protones 2 ≤ Z ≤ 102 tienen al menos dos nucleidos estables en 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 pares de neutrones con un solo nucleido estable en desintegración beta son 0 ( 1 H) y 2 ( 4 He); Existen al menos dos nucleidos estables en desintegración beta para números pares de neutrones 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, observando 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 en 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, observando también 87 Rb primordial pero no beta estable ), 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 – el último no primordial), y 90 ( 150 Nd, 152 Sm, 153 Eu, 154 Gd y 156 Dy).

Para A ≤ 209, los únicos nucleidos estables en 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 nucleido primordial, pero nunca se ha confirmado experimentalmente como tal).

Un gráfico de nucleidos conocidos y predichos hasta Z = 149, N = 256. El negro denota la línea de estabilidad beta predicha, que concuerda bien con los datos experimentales, aunque no logra predecir que Tc y Pm no tienen un isótopo beta estable. (Las diferencias de masa que causan estas anomalías son pequeñas). Se predice que las islas de estabilidad se centrarán cerca de 294 Ds y 354 126, más allá de los cuales el modelo parece desviarse de varias reglas de la fórmula de masa semiempírica. [10]

Se sabe que todos los nucleidos estables en desintegración beta con A ≥ 209 sufren desintegración alfa, aunque para algunos, la fisión espontánea es el modo de desintegración dominante. A veces también es posible la desintegración de los cúmulos , pero en todos los casos conocidos se trata de una rama menor en comparación con la desintegración alfa o la fisión espontánea. La desintegración alfa es energéticamente posible para todos los nucleidos beta estables 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 tal desintegración nunca se haya observado. [11] Con la excepción del 262 No, no se ha identificado definitivamente ningún nucleido con A > 260 como beta estable. 260 Fm y 262 No están sin confirmar. [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 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 mediante cierres de capas en la región; tales isótopos se desintegrarían principalmente mediante desintegración alfa o 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 la capa y la deformación nuclear, que se vuelven mucho más pronunciadas para los nucleidos pesados. [14] [15]

Desintegración beta hacia la masa mínima

La desintegración beta generalmente hace que los isótopos se desintegren hacia la isobara con la masa más baja (que a menudo, pero no siempre, es la que tiene la mayor energía de enlace) con el mismo número de masa. Así, aquellos con menor número atómico y mayor número de neutrones que la isobara de masa mínima sufren desintegración beta-menos , mientras que aquellos con mayor número atómico y menor número de neutrones sufren desintegración beta-plus o captura de electrones . Sin embargo, hay seis nucleidos que son excepciones, ya que la mayoría de sus desintegraciones se producen en la dirección opuesta:

Notas

  1. ^ 48 Ca es teóricamente capaz de desintegrarse beta a 48 Sc, por lo que no es un nucleido beta estable. Sin embargo, nunca se ha observado un proceso de este tipo, ya que tiene una vida media parcial superior a 1,1+0,8
    −0,6    ×10 21  años, más larga que su vida media de doble desintegración beta, lo que significa que la doble desintegración beta normalmente ocurriría primero. [6]
  2. ^ 96 Zr es teóricamente capaz de desintegrarse beta a 96 Nb, por lo que no es un nucleido beta estable. Sin embargo, nunca se ha observado un proceso de este tipo, ya que tiene una vida media parcial superior a 2,4 × 10 19  años, más larga que su vida media de desintegración beta doble, lo que significa que la desintegración beta doble normalmente ocurriría primero. [7]
  3. ^ Anteriormente se pensaba que 148 Gd era una tercera isobara beta estable para la masa 148, [5] pero según las determinaciones de masa actuales tiene una masa mayor que 148 Eu y puede sufrir captura de electrones. Sin embargo, la diferencia de masa es muy pequeña (27,0 keV, incluso menor que la captura de electrones igualmente invisible del 123 Te), y sólo se ha observado experimentalmente la desintegración alfa del 148 Gd.
  4. ^ Si bien la evaluación de la masa atómica de AME2016 da al 222 Rn una masa menor que al 222 Fr, [4] lo que implica estabilidad beta, se predice que la desintegración beta única del 222 Rn es energéticamente posible (aunque con una energía de desintegración muy baja ), [8] y cae dentro del margen de error indicado en AME2016. [4] Por lo tanto, el 222 Rn probablemente no sea beta estable, aunque sólo se conoce experimentalmente el modo de desintegración alfa para ese nucleido, y la búsqueda de la desintegración beta arrojó un límite inferior de vida media parcial de 8 años. [8]
  5. ^ No se conoce ninguna isobara beta estable para la masa 261, aunque se conocen para las masas circundantes 260 y 262. Varios modelos sugieren que uno de los 261 Md y 261 No no descubiertos debería ser beta estable. [9] [10]

Referencias

  1. ^ Procedimiento. En t. Simposio sobre por qué y cómo deberíamos investigar los nucleidos lejos de la línea de estabilidad", Lysekil, Suecia, agosto de 1966, eds. W. Forsling, CJ Herrlander y H. Ryde, Estocolmo, Almqvist & Wiksell, 1967.
  2. ^ Hansen, PG (1979). "Núcleos alejados de la línea de estabilidad beta: estudios por separación de masas en línea". Revisión anual de la ciencia nuclear y de partículas . 29 : 69-119. Código Bib : 1979ARNPS..29...69H. doi : 10.1146/annurev.ns.29.120179.000441 .
  3. ^ "Gráfico interactivo de nucleidos (Laboratorio Nacional de Brookhaven)". Archivado desde el original el 25 de julio de 2020 . Consultado el 19 de junio de 2009 .
  4. ^ abcd Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "La evaluación de propiedades nucleares de NUBASE2016" (PDF) . Física China C. 41 (3): 030001. Código Bib :2017ChPhC..41c0001A. doi :10.1088/1674-1137/41/3/030001.
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  6. ^ Aunola, M.; Suhonen, J.; Siiskonen, T. (1999). "Estudio de modelo de caparazón de la desintegración beta altamente prohibida 48 Ca → 48 Sc". EPL . 46 (5): 577. Código bibliográfico : 1999EL.....46..577A. doi :10.1209/epl/i1999-00301-2.
  7. ^ Pinzón, SO; Tornow, W. (2016). "Búsqueda de la desintegración β de 96Zr". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 806 : 70–74. Código Bib : 2016NIMPA.806...70F. doi : 10.1016/j.nima.2015.09.098 .
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  15. ^ Möller, P. (2016). «Los límites del mapa nuclear que marcan la fisión y la desintegración alfa» (PDF) . Web de Conferencias EPJ . 131 : 03002:1–8. Código Bib : 2016EPJWC.13103002M. doi : 10.1051/epjconf/201613103002 .

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