En física nuclear , el valle de estabilidad (también llamado cinturón de estabilidad , valle nuclear , valle de energía o valle de estabilidad beta ) es una caracterización de la estabilidad de los nucleidos a la radiactividad en función de su energía de enlace. [1] Los nucleidos están compuestos de protones y neutrones . La forma del valle se refiere al perfil de la energía de enlace en función del número de neutrones y protones, correspondiendo la parte más baja del valle a la región de núcleos más estables . [2] La línea de nucleidos estables que baja por el centro del valle de estabilidad se conoce como línea de estabilidad beta . Los lados del valle corresponden a una inestabilidad creciente debido a la desintegración beta (β − o β + ). La desintegración de un nucleido se vuelve más favorable energéticamente cuanto más se aleja de la línea de estabilidad beta. Los límites del valle corresponden a las líneas de goteo nucleares , donde los nucleidos se vuelven tan inestables que emiten protones o neutrones individuales . Las regiones de inestabilidad dentro del valle con un número atómico alto también incluyen desintegración radiactiva por radiación alfa o fisión espontánea . La forma del valle es aproximadamente un paraboloide alargado que corresponde a las energías de unión de los nucleidos en función de los números atómicos y de neutrones. [1]
Los nucleidos dentro del valle de estabilidad abarcan toda la tabla de nucleidos . La carta de esos nucleidos también se conoce como carta de Segrè, en honor al físico Emilio Segrè . [3] La carta del Segrè puede considerarse un mapa del valle nuclear. La región de combinaciones de protones y neutrones fuera del valle de estabilidad se conoce como mar de inestabilidad. [4] [5]
Los científicos han buscado durante mucho tiempo isótopos pesados de larga vida fuera del valle de estabilidad, [6] [7] [8] como planteó Glenn T. Seaborg a finales de los años 1960. [9] [10] Se espera que estos nucleidos relativamente estables tengan configuraciones particulares de números atómicos y de neutrones " mágicos " y formen la llamada isla de estabilidad .
Todos los núcleos atómicos están compuestos de protones y neutrones unidos por la fuerza nuclear . Hay 286 nucleidos primordiales que se producen naturalmente en la Tierra, cada uno de los cuales corresponde a un número único de protones, llamado número atómico , Z , y a un número único de neutrones, llamado número de neutrones , N. El número másico , A , de un nucleido es la suma de los números atómico y de neutrones, A = Z + N. Sin embargo, no todos los nucleidos son estables. Según Byrne, [3] los nucleidos estables se definen como aquellos que tienen una vida media superior a 10 18 años, y existen muchas combinaciones de protones y neutrones que forman nucleidos que son inestables. Un ejemplo común de nucleido inestable es el carbono-14 que se desintegra por desintegración beta en nitrógeno-14 con una vida media de aproximadamente 5.730 años:
En esta forma de desintegración, el elemento original se convierte en un nuevo elemento químico en un proceso conocido como transmutación nuclear y se emiten una partícula beta y un antineutrino electrónico. Una propiedad esencial de ésta y de todas las desintegraciones de nucleidos es que la energía total del producto de desintegración es menor que la del nucleido original. La diferencia entre las energías de unión inicial y final de los nucleidos se debe a las energías cinéticas de los productos de desintegración, a menudo la partícula beta y su neutrino asociado. [3]
El concepto de valle de estabilidad es una forma de organizar todos los nucleidos según la energía de enlace en función del número de neutrones y protones. [1] La mayoría de los nucleidos estables tienen aproximadamente el mismo número de protones y neutrones, por lo que la línea para la cual Z = N forma una línea inicial aproximada que define los nucleidos estables. Cuanto mayor es el número de protones, más neutrones se necesitan para estabilizar un nucleido; Los nucleidos con valores mayores para Z requieren un número aún mayor de neutrones, N > Z , para ser estables. El valle de estabilidad está formado por la energía negativa de enlace, siendo la energía de enlace la energía necesaria para descomponer el nucleido en sus componentes de protones y neutrones. Los nucleidos estables tienen una alta energía de enlace y se encuentran en el fondo del valle de la estabilidad. Los nucleidos con energía de enlace más débil tienen combinaciones de N y Z que se encuentran fuera de la línea de estabilidad y más arriba en los lados del valle de estabilidad. En reactores nucleares o supernovas se pueden formar nucleidos inestables , por ejemplo. Estos nucleidos a menudo se desintegran en secuencias de reacciones llamadas cadenas de desintegración que llevan a los nucleidos resultantes secuencialmente cuesta abajo por las laderas del valle de la estabilidad. La secuencia de desintegraciones lleva a los nucleidos hacia mayores energías de unión, y los nucleidos que terminan la cadena son estables. [1] El valle de la estabilidad proporciona tanto un enfoque conceptual sobre cómo organizar la miríada de nucleidos estables e inestables en una imagen coherente como una forma intuitiva de comprender cómo y por qué ocurren secuencias de desintegración radiactiva. [1]
Los protones y neutrones que componen un núcleo atómico se comportan casi de manera idéntica dentro del núcleo. La simetría aproximada del isospin trata estas partículas como idénticas, pero en un estado cuántico diferente. Sin embargo, esta simetría es sólo aproximada y la fuerza nuclear que une a los nucleones es una función complicada que depende del tipo de nucleón, el estado de espín, la carga eléctrica, el momento, etc. y con contribuciones de fuerzas no centrales . La fuerza nuclear no es una fuerza fundamental de la naturaleza, sino una consecuencia de los efectos residuales de la fuerza fuerte que rodea a los nucleones. Una consecuencia de estas complicaciones es que aunque el deuterio , un estado unido de un protón (p) y un neutrón (n), es estable, los nucleidos exóticos como el diprotón o el dineutrón están libres. [11] La fuerza nuclear no es lo suficientemente fuerte como para formar estados unidos pp o nn, o de manera equivalente, la fuerza nuclear no forma un pozo potencial lo suficientemente profundo como para unir estos nucleones idénticos. [ cita necesaria ]
Los nucleidos estables requieren aproximadamente la misma cantidad de protones y neutrones. El nucleido estable carbono-12 ( 12 C) está compuesto, por ejemplo, por seis neutrones y seis protones. Los protones tienen carga positiva, de ahí que dentro de un nucleido con muchos protones existan grandes fuerzas de repulsión entre protones que surgen de la fuerza de Coulomb . Al actuar para separar protones entre sí, los neutrones dentro de un nucleido desempeñan un papel esencial en la estabilización de los nucleidos. A medida que aumenta el número atómico, se requiere un número aún mayor de neutrones para obtener estabilidad. El elemento estable más pesado, el plomo (Pb), tiene muchos más neutrones que protones. El nucleido estable 206 Pb tiene Z = 82 y N = 124, por ejemplo. Por esta razón, el valle de estabilidad no sigue la línea Z = N para A mayor que 40 ( Z = 20 es el elemento calcio ). [3] El número de neutrones aumenta a lo largo de la línea de estabilidad beta a un ritmo más rápido que el número atómico.
La línea de estabilidad beta sigue una curva particular de relación neutrones-protones , correspondiente a los nucleidos más estables. Por un lado del valle de la estabilidad, esta relación es pequeña y corresponde a un exceso de protones sobre neutrones en los nucleidos. Estos nucleidos tienden a ser inestables ante la desintegración β + o la captura de electrones, ya que dicha desintegración convierte un protón en un neutrón. La desintegración sirve para mover los nucleidos hacia una relación neutrón-protón más estable. Al otro lado del valle de la estabilidad, esta relación es grande y corresponde a un exceso de neutrones sobre protones en los nucleidos. Estos nucleidos tienden a ser inestables ante la desintegración β , ya que dicha desintegración convierte neutrones en protones. En este lado del valle de la estabilidad, la desintegración β también sirve para mover los nucleidos hacia una relación neutrones-protones más estable.
La masa de un núcleo atómico está dada por
donde y son la masa en reposo de un protón y un neutrón, respectivamente, y es la energía de enlace total del núcleo. Aquí se utiliza la equivalencia masa-energía . La energía de enlace se resta de la suma de las masas del protón y del neutrón porque la masa del núcleo es menor que esa suma. Esta propiedad, llamada defecto de masa , es necesaria para un núcleo estable; dentro de un núcleo, los nucleidos quedan atrapados por un pozo de potencial . Una fórmula de masa semiempírica establece que la energía de enlace tomará la forma
La diferencia entre la masa de un núcleo y la suma de las masas de los neutrones y protones que lo componen se conoce como defecto de masa . E B a menudo se divide por el número de masa para obtener la energía de enlace por nucleón para comparar las energías de enlace entre nucleidos. Cada uno de los términos de esta fórmula tiene una base teórica. Los coeficientes , , y un coeficiente que aparece en la fórmula para se determinan empíricamente.
La expresión de la energía de enlace proporciona una estimación cuantitativa de la relación neutrón-protón. La energía es una expresión cuadrática en Z que se minimiza cuando la relación neutrón-protón es . Esta ecuación para la relación neutrones-protones muestra que en los nucleidos estables el número de neutrones es mayor que el número de protones en un factor que escala como .
La figura de la derecha muestra la energía de enlace promedio por nucleón en función del número de masa atómica a lo largo de la línea de estabilidad beta, es decir, a lo largo del fondo del valle de estabilidad. Para un número de masa atómica muy pequeño (H, He, Li), la energía de enlace por nucleón es pequeña y esta energía aumenta rápidamente con el número de masa atómica. El níquel-62 (28 protones, 34 neutrones) tiene la energía de enlace media más alta de todos los nucleidos, mientras que el hierro-58 (26 protones, 32 neutrones) y el hierro-56 (26 protones, 30 neutrones) ocupan el segundo y tercer lugar. [13] Estos nucleidos se encuentran en el fondo del valle de la estabilidad. A partir de este fondo, la energía de enlace promedio por nucleón disminuye lentamente a medida que aumenta el número de masa atómica. El nucleido pesado 238 U no es estable, pero tarda en desintegrarse y tiene una vida media de 4.500 millones de años. [1] Tiene una energía de enlace relativamente pequeña por nucleón.
Para la desintegración β − , las reacciones nucleares tienen la forma genérica
donde A y Z son el número másico y el número atómico del núcleo en descomposición, y X y X′ son los nucleidos iniciales y finales, respectivamente. Para la desintegración β + , la forma genérica es
Estas reacciones corresponden a la desintegración de un neutrón a un protón, o a la desintegración de un protón a un neutrón, dentro del núcleo, respectivamente. Estas reacciones comienzan en un lado u otro del valle de estabilidad, y la dirección de las reacciones es mover los nucleidos iniciales por las paredes del valle hacia una región de mayor estabilidad, es decir, hacia una mayor energía de enlace.
La figura de la derecha muestra la energía de enlace promedio por nucleón a lo largo del valle de estabilidad para nucleidos con número de masa A = 125. [15] En la parte inferior de esta curva está el telurio ( 52 Te), que es estable. Los nucleidos a la izquierda de 52 Te son inestables con un exceso de neutrones, mientras que los de la derecha son inestables con un exceso de protones. Por lo tanto, un nucleido de la izquierda sufre una desintegración β , que convierte un neutrón en un protón y, por lo tanto, desplaza el nucleido hacia la derecha y hacia una mayor estabilidad. Un nucleido de la derecha sufre de manera similar una desintegración β + , lo que desplaza el nucleido hacia la izquierda y hacia una mayor estabilidad.
Los nucleidos pesados son susceptibles a la desintegración α y estas reacciones nucleares tienen la forma genérica,
Como en la desintegración β, el producto de desintegración X′ tiene mayor energía de enlace y está más cerca del centro del valle de estabilidad. La partícula α se lleva dos neutrones y dos protones, dejando un nucleido más ligero. Dado que los nucleidos pesados tienen muchos más neutrones que protones, la desintegración α aumenta la relación neutrones-protones de un nucleido.
Los límites del valle de estabilidad, es decir, los límites superiores de las paredes del valle, son la línea de goteo de neutrones en el lado rico en neutrones y la línea de goteo de protones en el lado rico en protones. Las líneas de goteo de nucleones se encuentran en los extremos de la relación neutrones-protones. En proporciones neutrones-protones más allá de las líneas de goteo, no pueden existir núcleos. La ubicación de la línea de goteo de neutrones no se conoce bien en la mayor parte del gráfico de Segrè, mientras que las líneas de goteo de protones y alfa se han medido para una amplia gama de elementos. Las líneas de goteo están definidas para protones, neutrones y partículas alfa, y todas ellas desempeñan funciones importantes en la física nuclear.
La diferencia en la energía de enlace entre nucleidos vecinos aumenta a medida que se ascienden los lados del valle de estabilidad y, en consecuencia, las vidas medias de los nucleidos disminuyen, como se indica en la figura anterior. Si se añadieran nucleones uno a la vez a un nucleido determinado, el proceso eventualmente conduciría a un nucleido recién formado que es tan inestable que rápidamente se desintegra emitiendo un protón (o neutrón). Coloquialmente hablando, el nucleón se ha "filtrado" o "goteado" fuera del núcleo, dando lugar al término "línea de goteo".
La emisión de protones no se observa en los nucleidos naturales. Los emisores de protones se pueden producir mediante reacciones nucleares , normalmente utilizando aceleradores lineales de partículas (linac). Aunque ya en 1969 se observó una emisión rápida de protones (es decir, no retardada por beta) de un isómero del cobalto-53 , no se encontraron otros estados emisores de protones hasta 1981, cuando los estados fundamentales radiactivos de protones del lutecio-151 y el tulio-147 fueron observados en experimentos en el GSI en Alemania Occidental. [16] La investigación en este campo floreció después de este avance, y hasta la fecha se ha descubierto que más de 25 nucleidos exhiben emisión de protones. El estudio de la emisión de protones ha ayudado a comprender la deformación, las masas y la estructura nucleares, y es un ejemplo de túnel cuántico .
Dos ejemplos de nucleidos que emiten neutrones son el berilio-13 (vida media2,7 × 10 −21 s ) y helio-5 (7 × 10 −22 s ). Dado que en este proceso sólo se pierde un neutrón, el átomo no gana ni pierde protones, por lo que no se convierte en un átomo de un elemento diferente. En cambio, el átomo se convertirá en un nuevo isótopo del elemento original, como el berilio-13 que se convierte en berilio-12 después de emitir uno de sus neutrones. [17]
En ingeniería nuclear , un neutrón puntual es un neutrón emitido inmediatamente por un evento de fisión nuclear . Los neutrones rápidos emergen de la fisión de un núcleo pesado fisionable inestable o fisionable casi instantáneamente. En el mismo contexto puede ocurrir la desintegración retardada de neutrones , emitidos después de la desintegración beta de uno de los productos de fisión . La desintegración retardada de neutrones puede ocurrir en momentos que van desde unos pocos milisegundos hasta unos pocos minutos. [18] La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU . define un neutrón rápido como un neutrón que emerge de la fisión en 10 −14 segundos. [19]
La isla de estabilidad es una región fuera del valle de estabilidad donde se predice que un conjunto de isótopos pesados con números casi mágicos de protones y neutrones revertirán localmente la tendencia de disminución de la estabilidad en elementos más pesados que el uranio . La hipótesis de la isla de estabilidad se basa en el modelo de capas nucleares , que implica que el núcleo atómico está formado en "capas" de una manera similar a la estructura de las capas electrónicas mucho más grandes de los átomos. En ambos casos, las capas son sólo grupos de niveles de energía cuántica que están relativamente cerca unos de otros. Los niveles de energía de los estados cuánticos en dos capas diferentes estarán separados por una brecha energética relativamente grande. Entonces, cuando la cantidad de neutrones y protones llena completamente los niveles de energía de una capa determinada en el núcleo, la energía de enlace por nucleón alcanzará un máximo local y, por lo tanto, esa configuración particular tendrá una vida útil más larga que los isótopos cercanos que no poseen capas llenas. . [20]
Una capa llena tendría " números mágicos " de neutrones y protones. Un posible número mágico de neutrones para núcleos esféricos es 184, y algunos posibles números de protones coincidentes son 114, 120 y 126. Estas configuraciones implican que los isótopos esféricos más estables serían flerovium -298, unbinilium -304 y unbihexium -310. De particular interés es 298 Fl, que sería " doblemente mágico " (se cree que tanto su número de protones de 114 como su número de neutrones de 184 son mágicos). Esta configuración doblemente mágica es la que tiene más probabilidades de tener una vida media muy larga. El siguiente núcleo esférico doblemente mágico más ligero es el plomo -208, el núcleo estable más pesado conocido y el metal pesado más estable.
El valle de la estabilidad puede resultar útil para interpretar y comprender las propiedades de los procesos de desintegración nuclear, como las cadenas de desintegración y la fisión nuclear .
La desintegración radiactiva a menudo se produce mediante una secuencia de pasos conocida como cadena de desintegración. Por ejemplo, 238 U decae a 234 Th, que decae a 234 m Pa y así sucesivamente, hasta llegar finalmente a 206 Pb :
With each step of this sequence of reactions, energy is released and the decay products move further down the valley of stability towards the line of beta stability. 206Pb is stable and lies on the line of beta stability.
The fission processes that occur within nuclear reactors are accompanied by the release of neutrons that sustain the chain reaction. Fission occurs when a heavy nuclide such as uranium-235 absorbs a neutron and breaks into nuclides of lighter elements such as barium or krypton, usually with the release of additional neutrons. Like all nuclides with a high atomic number, these uranium nuclei require many neutrons to bolster their stability, so they have a large neutron-proton ratio (N/Z). The nuclei resulting from a fission (fission products) inherit a similar N/Z, but have atomic numbers that are approximately half that of uranium.[1] Isotopes with the atomic number of the fission products and an N/Z near that of uranium or other fissionable nuclei have too many neutrons to be stable; this neutron excess is why multiple free neutrons but no free protons are usually emitted in the fission process, and it is also why many fission product nuclei undergo a long chain of β− decays, each of which converts a nucleus N/Z to (N − 1)/(Z + 1), where N and Z are, respectively, the numbers of neutrons and protons contained in the nucleus.
When fission reactions are sustained at a given rate, such as in a liquid-cooled or solid fuel nuclear reactor, the nuclear fuel in the system produces many antineutrinos for each fission that has occurred. These antineutrinos come from the decay of fission products that, as their nuclei progress down a β− decay chain toward the valley of stability, emit an antineutrino along with each β− particle. In 1956, Reines and Cowan exploited the (anticipated) intense flux of antineutrinos from a nuclear reactor in the design of an experiment to detect and confirm the existence of these elusive particles.[21]
conferencia del premio nobel
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