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 energía de enlace en función de la cantidad de neutrones y protones, y la parte más baja del valle corresponde 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 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 individuales o neutrones individuales . Las regiones de inestabilidad dentro del valle con un número atómico alto también incluyen la desintegración radiactiva por radiación alfa o fisión espontánea . La forma del valle es aproximadamente la de un paraboloide alargado que corresponde a las energías de enlace de los nucleidos en función de los números atómicos y de neutrones. [1]
Los nucleidos que se encuentran dentro del valle de estabilidad abarcan toda la tabla de nucleidos . El diagrama de estos nucleidos también se conoce como diagrama de Segrè, en honor al físico Emilio Segrè . [3] El diagrama de Segrè puede considerarse un mapa del valle nuclear. La región de combinaciones de protones y neutrones fuera del valle de estabilidad se conoce como el mar de inestabilidad. [4] [5]
Los científicos han buscado durante mucho tiempo isótopos pesados de larga duración fuera del valle de estabilidad, [6] [7] [8] planteado por Glenn T. Seaborg a fines de la década de 1960. [9] [10] Se espera que estos nucleidos relativamente estables tengan configuraciones particulares de números atómicos y de neutrones " mágicos " , y formen una llamada isla de estabilidad .
Todos los núcleos atómicos están compuestos de protones y neutrones unidos entre sí por la fuerza nuclear . Hay 286 nucleidos primordiales que se producen de forma natural en la Tierra, cada uno de los cuales corresponde a un número único de protones, llamado número atómico , Z , y un número único de neutrones, llamado número neutrónico , N. El número másico , A , de un nucleido es la suma de los números atómico y neutrónico, 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 hay muchas combinaciones de protones y neutrones que forman nucleidos que son inestables. Un ejemplo común de un nucleido inestable es el carbono-14 que se desintegra por desintegración beta en nitrógeno-14 con una vida media de unos 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 esta y todas las desintegraciones de nucleidos es que la energía total del producto de la desintegración es menor que la del nucleido original. La diferencia entre las energías de enlace inicial y final del nucleido es arrastrada por las energías cinéticas de los productos de la 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 de los números de neutrones y protones. [1] La mayoría de los nucleidos estables tienen cantidades aproximadamente iguales de protones y neutrones, por lo que la línea para la que Z = N forma una línea inicial aproximada que define los nucleidos estables. Cuanto mayor sea el número de protones, más neutrones se requieren 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 el negativo de la energía de enlace, siendo la energía de enlace la energía requerida para descomponer el nucleido en sus componentes de protones y neutrones. Los nucleidos estables tienen una energía de enlace alta, y estos nucleidos se encuentran a lo largo del fondo del valle de 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. Los nucleidos inestables pueden formarse en reactores nucleares o supernovas , por ejemplo. Estos nucleidos suelen desintegrarse en secuencias de reacciones llamadas cadenas de desintegración que llevan a los nucleidos resultantes secuencialmente por las pendientes del valle de estabilidad. La secuencia de desintegraciones lleva a los nucleidos hacia mayores energías de enlace, y los nucleidos que terminan la cadena son estables. [1] El valle de estabilidad proporciona tanto un enfoque conceptual para organizar la miríada de nucleidos estables e inestables en una imagen coherente como una forma intuitiva de entender cómo y por qué ocurren las 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 isospín trata a estas partículas como idénticas, pero en un estado cuántico diferente. Sin embargo, esta simetría es solo 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 ligado de un protón (p) y un neutrón (n), es estable, los nucleidos exóticos como el diprotón o el dineutrón no están ligados. [11] La fuerza nuclear no es lo suficientemente fuerte como para formar estados ligados pp o nn, o equivalentemente, la fuerza nuclear no forma un pozo de potencial lo suficientemente profundo como para unir estos nucleones idénticos. [ cita requerida ]
Los nucleidos estables requieren aproximadamente el mismo número de protones y neutrones. El nucleido estable carbono-12 ( 12 C) está compuesto de seis neutrones y seis protones, por ejemplo. Los protones tienen una carga positiva, por lo tanto, dentro de un nucleido con muchos protones hay grandes fuerzas repulsivas entre protones que surgen de la fuerza de Coulomb . Al actuar para separar los protones entre sí, los neutrones dentro de un nucleido juegan un papel esencial en la estabilización de los nucleidos. Con un número atómico creciente, se requieren incluso mayores cantidades 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 neutrón-protón , correspondiente a los nucleidos más estables. En un lado del valle de estabilidad, esta relación es pequeña, lo que corresponde a un exceso de protones sobre neutrones en los nucleidos. Estos nucleidos tienden a ser inestables a la desintegración β + o 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. En el otro lado del valle de estabilidad, esta relación es grande, lo que corresponde a un exceso de neutrones sobre protones en los nucleidos. Estos nucleidos tienden a ser inestables a la desintegración β − , ya que dicha desintegración convierte neutrones en protones. En este lado del valle de estabilidad, la desintegración β − también sirve para mover los nucleidos hacia una relación neutrón-protón 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 el 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 están 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 se divide a menudo por el número másico para obtener la energía de enlace por nucleón para las comparaciones de 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 neutrón-protón muestra que en los nucleidos estables el número de neutrones es mayor que el número de protones por 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 números de masa atómica muy pequeños (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 promedio más alta de todos los nucleidos, mientras que el hierro-58 (26 protones, 32 neutrones) y el hierro-56 (26 protones, 30 neutrones) son un segundo y tercer lugar cercanos. [13] Estos nucleidos se encuentran en el fondo del valle de estabilidad. Desde este fondo, la energía de enlace promedio por nucleón disminuye lentamente con el aumento del número de masa atómica. El nucleido pesado 238 U no es estable, pero se desintegra lentamente con una vida media de 4.5 mil 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 desintegración, y X y X′ son los nucleidos inicial y final, respectivamente. Para la desintegración β + , la forma genérica es
Estas reacciones corresponden a la desintegración de un neutrón en un protón o a la desintegración de un protón en un neutrón, dentro del núcleo, respectivamente. Estas reacciones comienzan en un lado o en el otro del valle de estabilidad y las direcciones de las reacciones son desplazar 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 través del valle de estabilidad para nucleidos con número másico 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 a la izquierda experimenta una desintegración β − , que convierte un neutrón en un protón, por lo tanto, desplaza el nucleido hacia la derecha y hacia una mayor estabilidad. Un nucleido a la derecha experimenta de manera similar una desintegración β + , 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,
Al igual que en la desintegración β, el producto de desintegración X′ tiene una 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 neutrón-protón 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 están en los extremos de la relación neutrón-protón. En relaciones neutrón-protón más allá de las líneas de goteo, no puede existir ningún núcleo. La ubicación de la línea de goteo de neutrones no es bien conocida para la mayor parte del diagrama 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 todos ellos desempeñan papeles importantes en la física nuclear.
La diferencia de energía de enlace entre nucleidos vecinos aumenta a medida que se asciende por 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 de uno en uno a un nucleido dado, el proceso acabaría dando lugar a un nucleido recién formado que es tan inestable que se desintegra rápidamente emitiendo un protón (o neutrón). Hablando coloquialmente, el nucleón se ha "filtrado" o "goteado" fuera del núcleo, lo que da lugar al término "línea de goteo".
La emisión de protones no se observa en nucleidos naturales. Los emisores de protones se pueden producir mediante reacciones nucleares , generalmente utilizando aceleradores lineales de partículas (linac). Aunque la emisión de protones rápida (es decir, no beta-retardada) se observó a partir de un isómero en cobalto-53 ya en 1969, no se encontraron otros estados emisores de protones hasta 1981, cuando se observaron los estados fundamentales radiactivos de protones de lutecio-151 y tulio-147 en experimentos en el GSI en Alemania Occidental. [16] La investigación en el campo floreció después de este avance, y hasta la fecha se ha encontrado que más de 25 nucleidos exhiben emisión de protones. El estudio de la emisión de protones ha ayudado a la comprensión de la deformación nuclear, las masas y la estructura, y es un ejemplo de efecto 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 ). Como en este proceso solo se pierde un neutrón, el átomo no gana ni pierde ningún protón, 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 inmediato es un neutrón emitido inmediatamente por un evento de fisión nuclear . Los neutrones inmediatos emergen de la fisión de un núcleo pesado fisionable o fisible inestable casi instantáneamente. La desintegración retardada de neutrones puede ocurrir dentro del mismo contexto, emitido después de la desintegración beta de uno de los productos de fisión . La desintegración retardada de neutrones puede ocurrir en momentos desde unos pocos milisegundos hasta unos pocos minutos. [18] La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos define un neutrón inmediato como un neutrón que emerge de la fisión dentro de 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 construido en "capas" de una manera similar a la estructura de las capas de electrones mucho más grandes en los átomos. En ambos casos, las capas son solo grupos de niveles de energía cuántica que están relativamente cerca uno del otro. Los niveles de energía de los estados cuánticos en dos capas diferentes estarán separados por una brecha de energía relativamente grande. Entonces, cuando el número de neutrones y protones llena por completo los niveles de energía de una capa dada 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 números de protones coincidentes posibles son 114, 120 y 126. Estas configuraciones implican que los isótopos esféricos más estables serían el flerovio -298, el unbinilio -304 y el unbihexio -310. Cabe destacar en particular el 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 ser 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 suele seguir una secuencia de pasos conocida como cadena de desintegración. Por ejemplo, el 238 U se desintegra en 234 Th, que a su vez se desintegra en 234 m Pa, y así sucesivamente, hasta llegar finalmente al 206 Pb :
Con cada paso de esta secuencia de reacciones, se libera energía y los productos de desintegración se mueven más abajo en el valle de estabilidad hacia la línea de estabilidad beta. El 206 Pb es estable y se encuentra en la línea de estabilidad beta.
Los procesos de fisión que ocurren dentro de los reactores nucleares están acompañados por la liberación de neutrones que sostienen la reacción en cadena . La fisión ocurre cuando un nucleido pesado como el uranio-235 absorbe un neutrón y se rompe en nucleidos de elementos más ligeros como el bario o el criptón , generalmente con la liberación de neutrones adicionales. Como todos los nucleidos con un alto número atómico, estos núcleos de uranio requieren muchos neutrones para reforzar su estabilidad, por lo que tienen una gran relación neutrón-protón ( N / Z ). Los núcleos resultantes de una fisión ( productos de fisión ) heredan una N / Z similar , pero tienen números atómicos que son aproximadamente la mitad del uranio. [1] Los isótopos con el número atómico de los productos de fisión y una N / Z cercana al del uranio u otros núcleos fisionables tienen demasiados neutrones para ser estables; Este exceso de neutrones es la razón por la que normalmente se emiten múltiples neutrones libres pero ningún protón libre en el proceso de fisión, y también es la razón por la que muchos núcleos de productos de fisión experimentan una larga cadena de desintegraciones β − , cada una de las cuales convierte un núcleo N / Z en ( N − 1)/( Z + 1), donde N y Z son, respectivamente, los números de neutrones y protones contenidos en el núcleo.
Cuando las reacciones de fisión se mantienen a una velocidad determinada, como en un reactor nuclear refrigerado por líquido o de combustible sólido, el combustible nuclear del sistema produce muchos antineutrinos por cada fisión que se ha producido. Estos antineutrinos proceden de la desintegración de productos de fisión que, a medida que sus núcleos avanzan por una cadena de desintegración β − hacia el valle de estabilidad, emiten un antineutrino junto con cada partícula β − . En 1956, Reines y Cowan explotaron el (previsto) intenso flujo de antineutrinos de un reactor nuclear en el diseño de un experimento para detectar y confirmar la existencia de estas esquivas partículas. [21]
Conferencia del Premio Nobel
![{\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{238}_{92}U->[\alpha ][4.5\times 10^{9}\ {\ce {y }}]{^{234}_{90}Th}->[\beta ^{-}][24\ {\ce {d}}]{^{234\!m}_{91}Pa}} }{\ce {->[\beta ^{-}][1\ {\ce {min}}]}}{\ce {^{234}_{92}U->[\alpha ][2.4\ multiplicado por 10^{5}\ {\ce {y}}]{^{230}_{90}Th}->[\alpha ][7.7\times 10^{4}\ {\ce {y}}] }}\\{\ce {^{226}_{88}Ra->[\alpha ][1600\ y]{^{222}_{86}Rn}->[\alpha ][3.8\ {\ce {d}}]{ ^{218}_{84}Po}->[\alpha ][3\ {\ce {min}}]{^{214}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][27 \ {\ce {min}}]{^{214}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][20\ {\ce {min}}]}}\\{\ce {^ {214}_{84}Po->[\alpha ][164\ \mu {\ce {s}}]{^{210}_{82}Pb}->[\beta ^{-}][22 \ {\ce {y}}]{^{210}_{83}Bi}->[\beta ^{-}][5\ {\ce {d}}]{^{210}_{84}Po}-> [\alpha ][138\ {\ce {d}}]{^{206}_{82}Pb}}}\\{}\end{array}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ba2b0c735b768ae8bdff71e9622addbc3a6ab68f)