La relación neutrón-protón ( relación N/Z o relación nuclear ) de un núcleo atómico es la relación entre su número de neutrones y su número de protones . Entre los núcleos estables y los núcleos naturales, esta relación generalmente aumenta al aumentar el número atómico. [1] Esto se debe a que las fuerzas eléctricas repulsivas entre protones aumentan con la distancia de manera diferente a las fuertes atracciones de fuerzas nucleares . En particular, la mayoría de los pares de protones en núcleos grandes no están lo suficientemente separados, de modo que la repulsión eléctrica domina sobre la fuerza nuclear fuerte y, por lo tanto, la densidad de protones en núcleos estables más grandes debe ser menor que en núcleos estables más pequeños donde más pares de protones tienen una separación apreciable. atracciones de fuerza nuclear de corto alcance.
Para muchos elementos con número atómico Z lo suficientemente pequeño como para ocupar sólo las tres primeras capas nucleares , es decir, hasta el del calcio ( Z = 20), existe un isótopo estable con una relación N / Z de uno. Las excepciones son el berilio ( N / Z = 1,25) y todos los elementos con número atómico impar entre 9 y 19 inclusive (aunque en esos casos N = Z + 1 siempre permite la estabilidad). El hidrógeno-1 ( relación N / Z = 0) y el helio-3 ( relación N / Z = 0,5) son los únicos isótopos estables con una relación neutrones-protones inferior a uno. El uranio-238 tiene la relación N / Z más alta de cualquier nucleido primordial con 1,587, [2] mientras que el mercurio-204 tiene la relación N / Z más alta de cualquier isótopo estable conocido con 1,55. La desintegración radiactiva generalmente se produce de manera que cambie la relación N / Z para aumentar la estabilidad. Si la relación N / Z es mayor que 1, la desintegración alfa aumenta la relación N / Z y, por lo tanto, proporciona una vía común hacia la estabilidad para las desintegraciones que involucran núcleos grandes con muy pocos neutrones. La emisión de positrones y la captura de electrones también aumentan la proporción, mientras que la desintegración beta la disminuye.
Los desechos nucleares existen principalmente porque el combustible nuclear tiene una relación N / Z estable más alta que sus productos de fisión .
Para núcleos estables, la relación neutrón-protón es tal que la energía de enlace está en un mínimo local o cerca de un mínimo.
A partir del modelo de gota de líquido, esta energía de enlace se aproxima mediante la fórmula empírica de Bethe-Weizsäcker
Dado un valor de e ignorando las contribuciones del emparejamiento de espín de los nucleones (es decir, ignorando el término), la energía de enlace es una expresión cuadrática que se minimiza cuando la relación neutrones-protones es .
