En física nuclear , las propiedades de un núcleo dependen de la uniformidad o imparidad de su número atómico (número de protones) Z , número de neutrones N y, en consecuencia, de su suma, el número másico A. Lo más importante es que la imparidad tanto de Z como de N tiende a reducir la energía de enlace nuclear , lo que hace que los núcleos impares sean generalmente menos estables. Este efecto no solo se observa experimentalmente, sino que se incluye en la fórmula de masa semiempírica y se explica mediante algunos otros modelos nucleares , como el modelo de capas nucleares . Esta diferencia de energía de enlace nuclear entre núcleos vecinos, especialmente de isóbaros impares A , tiene consecuencias importantes para la desintegración beta .
El espín nuclear es cero para los núcleos pares-Z, pares-N, entero para todos los núcleos pares- A , y semientero impar para todos los núcleos impares- A .
La relación neutrón-protón no es el único factor que afecta a la estabilidad nuclear. La adición de neutrones a los isótopos puede variar sus espines nucleares y formas nucleares, lo que provoca diferencias en las secciones eficaces de captura de neutrones y en las propiedades de espectroscopia gamma y resonancia magnética nuclear . Si hay demasiados o muy pocos neutrones con respecto a la energía de enlace nuclear óptima, el núcleo se vuelve inestable y está sujeto a ciertos tipos de desintegración nuclear . Los nucleidos inestables con un número no óptimo de neutrones o protones se desintegran por desintegración beta (incluida la desintegración de positrones), captura de electrones u otros medios, como la fisión espontánea y la desintegración en cúmulos .
Los nucleidos de número par, que comprenden 150/251 = ~60% de todos los nucleidos estables, son bosones , es decir, tienen espín entero . 145 de los 150 son nucleidos de protón par, neutrón par (EE), que necesariamente tienen espín 0 debido al apareamiento. El resto de los nucleidos bosónicos estables son cinco nucleidos estables de protón impar, neutrón impar (2
1yo
,6
3Li
,10
5B
,14
7norte
y180 m
73Ejército de reserva
), todos con un espín entero distinto de cero.
La desintegración beta de un núcleo par-par produce un núcleo impar-impar, y viceversa. Un número par de protones o de neutrones es más estable (mayor energía de enlace ) debido a los efectos de apareamiento , por lo que los núcleos pares-pares son mucho más estables que los impares-impares. Un efecto es que hay pocos nucleidos impares-impares estables, pero otro efecto es evitar la desintegración beta de muchos núcleos pares-pares en otro núcleo par-par del mismo número de masa pero menor energía, porque la desintegración que se produce paso a paso tendría que pasar por un núcleo impar-impar de mayor energía. La desintegración beta doble directamente de par-par a par-par saltando un nucleido impar-impar solo es posible ocasionalmente, e incluso entonces con una vida media mayor que mil millones de veces la edad del universo . Por ejemplo, el emisor beta doble116
Cd
tiene una vida media de2,9 × 10 19 años. Esto da como resultado una mayor cantidad de nucleidos estables pares-pares, con algunos números másicos que tienen dos nucleidos estables y algunos elementos (números atómicos) que tienen hasta siete .
Por ejemplo, la extrema estabilidad del helio-4 debido a un doble apareamiento de dos protones y dos neutrones impide que los nucleidos que contienen cinco u ocho nucleones existan durante el tiempo suficiente para servir como plataforma para la acumulación de elementos más pesados a través de la fusión nuclear en la nucleosíntesis del Big Bang ; solo en las estrellas hay tiempo suficiente para esto (véase el proceso triple alfa ). Esta es también la razón por la que8
4Ser
se desintegra tan rápidamente en dos partículas alfa , lo que convierte al berilio en el único elemento de número par que es monoisotópico .
Hay 145 nucleidos pares-pares estables, que forman aproximadamente el 58% de los 251 nucleidos estables. También hay 22 nucleidos pares-pares primordiales de larga vida. Como resultado, muchos de los 41 elementos pares del 2 al 82 tienen muchos isótopos primordiales . La mitad de estos elementos pares tienen seis o más isótopos estables. El isótopo par-par estable más ligero es4
2Él
y el más pesado es208
82Pb
Estos son también los nucleidos doblemente mágicos más ligeros y más pesados conocidos . [1] 208
82Pb
es el producto de desintegración final de232
90El
, [2] un radionúclido primordial con un número par de protones y neutrones.238
92tú
es otro radionúclido primordial notable con una vida media de 4.468 millones de años, [3] y produce casi la mitad de todo el calor radiactivo dentro de la Tierra. [4]
Todos los nucleidos pares-pares tienen espín 0 en su estado fundamental, debido al principio de exclusión de Pauli (ver Efectos de emparejamiento para más detalles).
Sólo cinco nucleidos estables contienen un número impar de protones y un número impar de neutrones. Los primeros cuatro nucleidos "impar-impar" se encuentran en nucleidos de baja masa, para los cuales cambiar un protón a un neutrón o viceversa conduciría a una relación protón-neutrón muy desequilibrada (2
1yo
,6
3Li
,10
5B
, y14
7norte
; espines 1, 1, 3, 1). Estos cuatro isótopos tienen el mismo número de protones y neutrones, y todos tienen un número impar para su espín nuclear . El otro único nucleido impar-impar "estable" observacionalmente es180 m
73Ejército de reserva
(espín 9), el único isómero nuclear primordial , que aún no se ha observado que se desintegra a pesar de los intentos experimentales. [5] Además, cuatro nucleidos impar-impar radiactivos de larga duración (40
19K
– el radioisótopo más común en el cuerpo humano, [6] [7] 50
23V
,138
57La
,176
71Lu
con espines 4, 6, 5, 7, respectivamente) se dan de forma natural. Como en el caso de180 m
73Ejército de reserva
La desintegración de nucleidos de alto espín por desintegración beta (incluida la captura de electrones ), desintegración gamma o conversión interna se inhibe en gran medida si la única desintegración posible es entre nucleidos isobáricos (o en el caso de180 m
73Ejército de reserva
entre isómeros nucleares del mismo nucleido) implica múltiplos altos de un cambio en el espín de 1 unidad, el cambio de espín "preferido" que se asocia con una rápida desintegración. Esta inhibición de la desintegración por espín alto es la causa de los cinco nucleidos pesados estables o de larga vida de protones y neutrones impares analizados anteriormente. Para un ejemplo de este efecto donde se resta el efecto del espín, el tantalio-180, el producto de desintegración de espín bajo (teórico) impar-impar del tantalio-180m primordial, tiene una vida media de solo unas once horas. [8]
Se conocen muchos radionucleidos impar-impar (como el tantalio-180) con vidas medias comparativamente cortas. Casi invariablemente, estos se desintegran mediante desintegración beta positiva o negativa, para producir isótopos par-par estables que tienen protones y neutrones apareados. En algunos radionucleidos impar-impar donde la relación de protones a neutrones no es ni excesivamente grande ni excesivamente pequeña (es decir, se aleja demasiado de la relación de estabilidad máxima), esta desintegración puede ocurrir en cualquier dirección, convirtiendo un protón en un neutrón, o viceversa. Un ejemplo es64
29Cu
, que puede desintegrarse por emisión de positrones en 64
28Ni
, o por emisión de electrones a64
30Zinc
.
De los nueve nucleidos impares-impares primordiales (cinco estables y cuatro radiactivos con vidas medias largas), sólo14
7norte
es el isótopo más común de un elemento común. Esto se debe a que la captura de protones en14
7norte
es el paso limitante de la velocidad del ciclo CNO-I . Los nucleidos6
3Li
y10
5B
son isótopos minoritarios de elementos que son raros en comparación con otros elementos ligeros, mientras que los otros seis isótopos representan solo un pequeño porcentaje de la abundancia natural de sus elementos. Por ejemplo,180 m
73Ejército de reserva
Se cree que es el más raro de los 251 nucleidos estables .
Ninguno de los nucleidos impares primordiales (es decir, estables o casi estables) tiene espín 0 en el estado fundamental. Esto se debe a que el neutrón y el protón desapareados tienen una mayor atracción nuclear entre sí si sus espines están alineados (lo que produce un espín total de al menos 1 unidad), en lugar de antialineados. Véase el deuterio para el caso más simple de este comportamiento nuclear.
Para un número de masa impar dado, hay exactamente un nucleido beta-estable . No hay una diferencia en la energía de enlace entre par-impar e impar-par comparable a la que hay entre par-par e impar-impar, lo que deja a otros nucleidos del mismo número de masa ( isóbaros ) libres para la desintegración beta hacia el nucleido de menor masa. Para números de masa de 147, 151 y 209+, se ha observado que el isóbaro beta-estable de ese número de masa sufre desintegración alfa . (En teoría, los números de masa 143 a 155, 160 a 162 y 165+ también pueden desintegrarse alfa). Esto da un total de 101 nucleidos estables con números de masa impares. Hay otros nueve nucleidos primordiales radiactivos (que por definición tienen todos vidas medias relativamente largas, mayores de 80 millones de años) con números de masa impares.
Los nucleidos de número de masa impar son fermiones , es decir, tienen un espín semientero . En términos generales, dado que los nucleidos de número de masa impar siempre tienen un número par de neutrones o protones, las partículas de número par suelen formar parte de un "núcleo" en el núcleo con un espín de cero. El nucleón desapareado con el número impar (ya sea protón o neutrón) es entonces responsable del espín nuclear, que es la suma del momento angular orbital y el momento angular de espín del nucleón restante.
Los nucleidos estables de número de masa impar se dividen (de manera aproximadamente uniforme) en nucleidos de protón impar-neutrón par y de neutrón impar-protón par, que se analizan con más detalle a continuación.
Estos 48 nucleidos estables, estabilizados por sus números pares de neutrones apareados, forman la mayoría de los isótopos estables de los elementos impares; los pocos nucleidos impar-impares comprenden los demás. Hay 41 elementos impares con Z = 1 a 81, de los cuales 30 (incluido el hidrógeno, ya que cero es un número par ) tienen un isótopo impar-par estable, los elementos tecnecio (
43Tc
) y prometio (
61P.m
) no tienen isótopos estables y nueve elementos: cloro (
17Cl
), potasio (
19K
), cobre (
29Cu
), galio (
31Georgia
), bromo (
35Es
), plata (
47Ag
), antimonio (
51Sb
), iridio (
77Ir
) y talio (
81El
), tienen dos isótopos estables pares e impares cada uno. Esto hace un total de 30×1 + 9×2 = 48 isótopos estables pares e impares. El ejemplo más ligero de este tipo de nucleido es1
1yo
(protio) ya que cero es un número par mientras que el ejemplo más pesado es205
81El
También hay cinco isótopos pares e impares radiactivos primordiales de larga duración,87
37Rb
, [9] 115
49En
, [10] [11] 187
75Re
, [12] 151
63UE
, [13] [14] y 209
83Bi
. [15] [16] Se descubrió recientemente que los dos últimos sufren desintegración alfa, con vidas medias superiores a 10 18 años.
Estos 53 nucleidos estables tienen un número par de protones y un número impar de neutrones. Por definición, todos son isótopos de elementos pares- Z , donde son una minoría en comparación con los isótopos pares-pares que son aproximadamente tres veces más numerosos. Entre los 41 elementos pares- Z que tienen un nucleido estable, solo dos elementos (argón y cerio) no tienen nucleidos estables pares-impares. Un elemento (estaño) tiene tres. Hay 24 elementos que tienen un nucleido par-impar y 13 que tienen dos nucleidos pares-impares. El ejemplo más ligero de este tipo de nucleido es3
2Él
y el más pesado es207
82Pb
.
De los 34 radionucleidos primordiales existen tres nucleidos pares-impares (véase la tabla de la derecha), incluido el fisible. 235
92tú
Debido a sus números de neutrones impares, los nucleidos pares-impares tienden a tener secciones eficaces de captura de neutrones grandes, debido a la energía que resulta de los efectos de apareamiento de neutrones.
Estos nucleidos estables de protones pares e neutrones impares tienden a ser poco comunes en abundancia en la naturaleza, generalmente porque para formarse y contribuir a la abundancia primordial, deben haber escapado a la captura de neutrones para formar otros isótopos pares-pares estables, tanto durante el proceso s como durante el proceso r de captura de neutrones, durante la nucleosíntesis en las estrellas. Por esta razón, solo195
78En
y9
4Ser
son los isótopos más abundantes de su elemento de forma natural, el primero sólo por un pequeño margen, y el segundo sólo porque el berilio-8 esperado tiene una energía de enlace menor que dos partículas alfa y, por lo tanto, se desintegra alfa inmediatamente .
Los actínidos con números de neutrones impares son generalmente fisionables (con neutrones térmicos ), mientras que aquellos con números de neutrones pares generalmente no lo son, aunque son fisionables con neutrones rápidos .9
4Ser
,14
7norte
, y195
78En
tienen un número de neutrones impar y son el isótopo más abundante de forma natural de su elemento.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)