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 de masa A. Lo más importante es que la rareza de Z y N tiende a reducir la energía de enlace nuclear , lo que hace que los núcleos impares sean generalmente menos estables. Este efecto no sólo 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 capa nuclear . Esta diferencia de energía de enlace nuclear entre núcleos vecinos, especialmente de isobaras A impares , 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 medio entero impar para todos los núcleos A impares .
La relación neutrones-protones no es el único factor que afecta la estabilidad nuclear. Agregar neutrones a isótopos puede variar sus espines y formas nucleares, provocando diferencias en las secciones transversales 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 sujeto a ciertos tipos de desintegración nuclear . Los nucleidos inestables con un número no óptimo de neutrones o protones se desintegran mediante desintegración beta (incluida la desintegración de positrones), captura de electrones u otros medios, como la fisión espontánea y la desintegración de cúmulos .
Los nucleidos de número de masa 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 protones pares y neutrones pares (EE), que necesariamente tienen espín 0 debido al emparejamiento. El resto de los nucleidos bosónicos estables son cinco nucleidos estables de protones impares y neutrones impares (2 1h,6
3li
,10
5B
,14
7norte
y180m
73Ejército de reserva
), todos con un giro 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 neutrones son más estables (mayor energía de enlace ) debido a los efectos de emparejamiento , por lo que los núcleos pares-pares son mucho más estables que los impares-impares. Un efecto es que hay pocos nucleidos impares e impares estables, pero otro efecto es evitar la desintegración beta de muchos núcleos pares-pares en otro núcleo par-par del mismo número másico pero de menor energía, porque la desintegración avanza paso a paso. Tendría que pasar a través de un núcleo impar de mayor energía. La desintegración beta doble directamente de par-par a par-par saltando un nucleido impar-impar sólo es posible ocasionalmente, e incluso entonces con una vida media mayor que mil millones de veces la edad del universo . Por ejemplo, el doble emisor beta116
Cd
tiene una vida media de2,9 × 10 19 años. Esto genera un mayor número de nucleidos pares estables, 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 emparejamiento de dos protones y dos neutrones impide que cualquier nucleido que contenga cinco u ocho nucleones exista durante el tiempo suficiente como para servir como plataforma para la acumulación de elementos más pesados mediante la fusión nuclear en el Big Bang. nucleosíntesis ; Sólo en las estrellas hay tiempo suficiente para esto (ver proceso triple alfa ). Esta es también la razón por la cual8
4Ser
se desintegra muy rápidamente en dos partículas alfa , lo que convierte al berilio en el único elemento par que es monoisotópico .
Hay 145 nucleidos pares estables, que forman ~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 mas pesado es208
82Pb
. Estos son también los nucleidos doblemente mágicos más ligeros y pesados que se conocen . [1] 208
82Pb
es el producto final de la descomposición de232
90Th
, [2] un radionucleido primordial con un número par de protones y neutrones.238
92Ud.
es otro radionucleido 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 tienen espín 0 en su estado fundamental, debido al principio de exclusión de Pauli (consulte Efectos de emparejamiento para obtener más detalles).
Sólo cinco nucleidos estables contienen tanto un número impar de protones como un número impar de neutrones. Los primeros cuatro nucleidos "impar-impar" ocurren 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 1h,6
3li
,10
5B
, y14
7norte
; tiradas 1, 1, 3, 1). Los cuatro isótopos tienen la misma cantidad de protones y neutrones, y todos tienen un número impar de espín nuclear . El único otro nucleido impar-impar "estable" observacionalmente es180m
73Ejército de reserva
(giro 9), el único isómero nuclear primordial , que aún no se ha observado que se desintegre a pesar de los intentos experimentales. [5] Además, cuatro nucleidos impares radiactivos de larga vida (40
19k
– el radioisótopo más común en el cuerpo humano, [6] [7] 50
23V
,138
57La
,176
71Lu
con giros 4, 6, 5, 7, respectivamente) ocurren de forma natural. Como en el caso de180m
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 entre nucleidos isobáricos (o en el caso de180m
73Ejército de reserva
entre isómeros nucleares del mismo nucleido) implica altos múltiplos de un cambio de espín de 1 unidad, el cambio de espín "preferido" que se asocia con una rápida desintegración. Esta inhibición de la desintegración por alto espín es la causa de los cinco nucleidos pesados, estables o de larga vida de protones y neutrones impares discutidos anteriormente. Como ejemplo de este efecto en el que se resta el efecto de espín, el tantalio-180, el extraño producto de desintegración (teórica) de bajo espín del tantalio-180m primordial, tiene en sí mismo una vida media de sólo unas once horas. [8]
Se conocen muchos radionucleidos extraños (como el tantalio-180) con vidas medias comparativamente cortas. Casi invariablemente, estos se desintegran mediante desintegración beta positiva o negativa, para producir isótopos pares estables que tienen protones y neutrones pares. En algunos radionucleidos impares donde la proporción de protones a neutrones no es ni excesivamente grande ni excesivamente pequeña (es decir, que cae demasiado lejos de la proporción 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 a 64
28Ni
, o por emisión de electrones a64
30zinc
.
De los nueve nucleidos impares primordiales (cinco estables y cuatro radiactivos con vidas medias largas), sólo14
7norte
es el isótopo más común de un elemento común. Este es el caso porque 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 en sí mismos son raros en comparación con otros elementos ligeros, mientras que los otros seis isótopos constituyen sólo un pequeño porcentaje de la abundancia natural de sus elementos. Por ejemplo,180m
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 único neutrón desapareado y el protón desapareado tienen una mayor fuerza de atracción nuclear entre sí si sus espines están alineados (produciendo un espín total de al menos 1 unidad), en lugar de antialineados. Véase deuterio para conocer 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 existe entre par-par e impar-impar, dejando a otros nucleidos del mismo número de masa ( isobaras ) libres para desintegrarse beta hacia el nucleido de menor masa. Para números de masa de 147, 151 y 209+, se ha observado que la isobara 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 vidas medias relativamente largas, superiores a 80 millones de años) con números de masa impares.
Los nucleidos de números de masa impares son fermiones , es decir, tienen espín semientero . En términos generales, dado que los nucleidos con números de masa impar siempre tienen un número par de neutrones o protones, las partículas pares suelen formar parte de un "núcleo" en el núcleo con un espín 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. En total, 29 de los 110 nucleidos primordiales de masa impar tienen espín 1/2, 30 tienen espín 3/2, 24 tienen espín 5/2, 17 tienen espín 7/2 y nueve tienen espín 9/2. [ cita necesaria ]
Los nucleidos estables con número de masa impar se dividen (más o menos uniformemente) en nucleidos de protones impares-neutrones pares y de neutrones impares-protones pares, que se analizan con más detalle a continuación.
Estos 48 nucleidos estables, estabilizados por su número par de neutrones pares, forman la mayoría de los isótopos estables de los elementos impares; los muy pocos nucleidos 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 par impar estable, los elementos tecnecio (
43tc
) y prometio (
61Pm
) no tienen isótopos estables y nueve elementos: cloro (
17CL
), potasio (
19k
), cobre (
29Cu
), galio (
31Georgia
), bromo (
35hermano
), plata (
47Ag
), antimonio (
51sb
), iridio (
77ir
), y talio (
81tl
), tienen dos isótopos estables pares e impares cada uno. Esto hace un total de 30 × 1 + 9 × 2 = 48 isótopos pares e impares estables. El ejemplo más claro de este tipo de nucleido es1 1h(protio) ya que cero es un número par, mientras que el ejemplo más pesado es205
81tl
. También hay cinco isótopos radiactivos pares e impares primordiales de larga vida,87
37Rb
, [9] 115
49En
, [10] [11] 187
75Re
, [12] 151
63UE
, [13] [14] y 209
83Bi
. [15] [16] Recientemente se descubrió 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 3 veces más numerosos. Entre los 41 elementos pares Z que tienen un nucleido estable, sólo dos elementos (argón y cerio) no tienen nucleidos estables pares o 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 claro de este tipo de nucleido es3
2Él
y el mas pesado es207
82Pb
.
De los 34 radionucleidos primordiales, existen tres nucleidos pares e impares (véase el cuadro de la derecha), incluidos los fisibles. 235
92Ud.
. Debido a su número de neutrones impares, los nucleidos pares e impares tienden a tener secciones transversales de captura de neutrones grandes , debido a la energía que resulta de los efectos del apareamiento de neutrones.
Estos nucleidos estables de protones pares y neutrones impares tienden a ser poco comunes por su abundancia en la naturaleza, generalmente porque para formarse y contribuir a la abundancia primordial, deben haber escapado de la captura de neutrones para formar otros isótopos pares-pares estables, tanto durante la Proceso s y proceso r de captura de neutrones, durante la nucleosíntesis en estrellas. Por esta razón, sólo195
78punto
y9
4Ser
son los isótopos más abundantes naturalmente de su elemento, el primero solo por un pequeño margen y el segundo solo porque el berilio-8 esperado tiene una energía de enlace menor que dos partículas alfa y, por lo tanto, se desintegra 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 sí son fisionables con neutrones rápidos . Solo9
4Ser
,14
7norte
, y195
78punto
tienen un número de neutrones impar y son el isótopo más abundante naturalmente de su elemento.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)