Qué es un núcleo estable – Un núcleo inestable – Definición

Solo hay ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman núcleos estables. Si hay demasiados o muy pocos neutrones para un número determinado de protones, el núcleo resultante no es estable y sufre desintegración radiactiva. Los isótopos inestables se descomponen a través de varias vías de descomposición radiactiva. Dosimetría de radiación

Núcleos estables – Núcleos inestables

Tabla de nucleidos - Estabilidad nuclear
Gráfico de segre: este gráfico muestra una gráfica de los nucleidos conocidos en función de sus números atómicos y de neutrones. Se puede observar en la tabla que hay más neutrones que protones en los nucleidos con Z mayor que aproximadamente 20 (Calcio). Estos neutrones adicionales son necesarios para la estabilidad de los núcleos más pesados. El exceso de neutrones actúa algo así como el pegamento nuclear.

La estabilidad nuclear está determinada por la competencia entre dos interacciones fundamentales. Los núcleos atómicos consisten en protones y neutrones, que se atraen entre sí a través de  la  fuerza nuclear , mientras que los protones se repelen entre sí a través de  la fuerza electromagnética  debido a su carga positiva. Estas dos fuerzas compiten, lo que lleva a la estabilidad de varios núcleos. Solo hay ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman  núcleos estables . Los neutrones estabilizan el núcleo , porque se atraen entre sí y a los protones, lo que ayuda a compensar la repulsión eléctrica entre los protones. Como resultado, a medida que aumenta el número de protones,  se necesita una proporción creciente de neutrones a protones para formar un núcleo estable. Si hay demasiados (los neutrones también obedecen el principio de exclusión de Pauli ) o muy pocos neutrones para un número dado de protones, el núcleo resultante no es estable y sufre  desintegración radiactiva . Los isótopos inestables se  desintegran a través de varias vías de desintegración radiactiva, más comúnmente desintegración alfa, desintegración beta o captura de electrones. Se conocen muchos otros tipos raros de descomposición, como la fisión espontánea o la emisión de neutrones.

El  principio de exclusión de Pauli  también influye en la  energía crítica  de  los núcleos fisionables  y  fisionables . Por ejemplo, los actínidos con un número impar de neutrones son usualmente fisibles (fisionables con neutrones lentos) mientras que los actínidos con un número par de neutrones no son fisibles (pero son fisionables con neutrones rápidos). Los núcleos pesados ​​con un número par de protones y un número par de neutrones son (debido al principio de exclusión de Pauli) muy estables gracias a la aparición de ‘spin emparejado’. Por otro lado, los núcleos con un número impar de protones y neutrones son en su mayoría inestables.

Números mágicos de protones y neutrones

Un número mágico es un número de nucleones en un núcleo , que corresponde a capas completas dentro del núcleo atómico. Los núcleos atómicos que consisten en un número mágico de nucleones tienen una energía de unión promedio por nucleón más alta de lo que cabría esperar según predicciones como la fórmula de masa de von Weizsaecker (también llamada fórmula de masa semiempírica – SEMF ) y, por lo tanto, son más estables contra la desintegración nuclear. Los números mágicos son predichos por el modelo de caparazón nucleary se prueban mediante observaciones que han demostrado que hay discontinuidades repentinas en las energías de separación de protones y neutrones a valores específicos de Z y N. Estos corresponden al cierre de las capas (o subcapas). Los núcleos con conchas cerradas están más unidos que el siguiente número más alto. El cierre de los depósitos ocurre en Z o N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. Se encuentra que los núcleos con números pares de protones y neutrones son más estables que aquellos con números impares. Los núcleos que tienen tanto el número de neutrones como el número de protones iguales a uno de los números mágicos pueden llamarse » doblemente mágicos «, y se encuentran particularmente estables.números mágicos - núcleos doblemente mágicosExisten otras propiedades especiales de los núcleos, que tienen un número mágico de nucleones:

  1. Mayor abundancia en la naturaleza. Por ejemplo, el helio-4 se encuentra entre los núcleos más abundantes (y estables) del universo.
  2. Todos los elementos estables al final de la serie de descomposición tienen un «número mágico» de neutrones o protones. Los núcleos He-4, O-16 y Pb-208 (82 protones y 126 neutrones) que contienen números mágicos de neutrones y protones son particularmente estables. La relativa estabilidad de estos núcleos recuerda a la de los átomos de gas inerte (capas electrónicas cerradas).
  3. Los núcleos con N = número mágico tienen secciones de absorción de neutrones mucho más bajas que los isótopos circundantes.
  4. Estos núcleos parecen tener una forma perfectamente esférica; tienen cero momentos eléctricos cuadrupolo.
  5. Los núcleos de números mágicos tienen mayor energía de primera excitación.

 

Nucleos inestables – Modos de descomposición

Notación de reacciones nucleares: desintegraciones radiactivas
Notación de reacciones nucleares – desintegraciones radiactivas
Fuente: chemwiki.ucdavis.edu

La desintegración nuclear ( desintegración radiactiva) ocurre cuando un átomo inestable pierde energía al emitir radiación ionizante . La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio  a nivel de átomos individuales, ya que, según la teoría cuántica, es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. Durante la desintegración radiactiva, un núcleo inestable se descompone espontáneamente y aleatoriamente para formar un núcleo diferente (o un estado de energía diferente: desintegración gamma), emitiendo radiación en forma de particiones atómicas o rayos de alta energía. Esta descomposición ocurre a una tasa constante y predecible que se conoce como vida media. Un núcleo estable no sufrirá este tipo de descomposición y, por lo tanto, no es radioactivo. Hay muchos modos de desintegración radiactiva:

  • Alfa radiactividad . La desintegración alfa es la emisión de partículas alfa (núcleos de helio). Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Debido a su gran masa (más de 7000 veces la masa de la partícula beta) y su carga, ioniza mucho el material y tiene un rango muy corto .
  • Radioactividad beta . La desintegración beta es la emisión de partículas beta . Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos como el potasio-40. Las partículas beta tienen un mayor rango de penetración que las partículas alfa, pero aún mucho menos que los rayos gamma. Las partículas beta emitidas son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta.
  • Radioactividad gamma . La radiactividad gamma consiste en rayos gamma. Los rayos gamma son radiación electromagnética (fotones de alta energía) de una frecuencia muy alta y de alta energía. Son producidos por la desintegración de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado inferior conocido como desintegración gamma. La mayoría de las reacciones nucleares van acompañadas de emisión gamma.
  • Emisión de neutrones . La emisión de neutrones es un tipo de desintegración radiactiva de núcleos que contienen exceso de neutrones (especialmente productos de fisión), en los que un neutrón simplemente se expulsa del núcleo. Este tipo de radiación juega un papel clave en el control del reactor nuclear , porque estos neutrones son neutrones retardados .
Tabla de ejemplos de semividas y constantes de descomposición.
Tabla de ejemplos de semividas y constantes de descomposición. Observe que las vidas medias cortas van con grandes constantes de descomposición. El material radiactivo con una vida media corta es mucho más radiactivo, pero obviamente perderá su radiactividad rápidamente.

La tasa de desintegración nuclear también se mide en términos de  vidas medias . La vida media es la cantidad de tiempo que le toma a un isótopo dado perder la mitad de su radioactividad. Las vidas medias varían desde  millonésimas de segundo para productos de fisión altamente radiactivos  hasta  miles de millones de años para materiales de larga duración  (como el uranio natural  ). Observe que  las vidas medias cortas van con grandes constantes de descomposición. El material radiactivo con una vida media corta es mucho más radiactivo (en el momento de la producción) pero obviamente perderá su radiactividad rápidamente. No importa qué tan larga o corta sea la vida media, después de que hayan pasado siete vidas medias, queda menos del 1 por ciento de la actividad inicial.

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