PATRONES DE ESTABILIDAD NUCLEAR

La estabilidad de un núcleo en particular depende de una variedad de factores. No hay una regla única que nos permita predecir si un núcleo específico es radiactivo y cómo podría desintegrarse. Sin embargo, varias observaciones empíricas ayudan a predecir la estabilidad de un núcleo.

Relación de neutrones a protones

Debido a que cargas iguales se repelen entre sí, podría parecer sorprendente que un gran número de protones puedan residir dentro del pequeño volumen del núcleo.Sin embargo, a cortas distancias, existe una intensa fuerza de atracción, conocida como fuerza nuclear, entre los nucleones. Los neutrones están íntimamente involucrados en esta fuerza de atracción. Todos los demás núcleos diferentes al }H contienen neutrones. Conforme aumenta el número de protones en el núcleo, hay una necesidad siempre creciente de que los neutrones contrarresten el efecto de las repulsiones protón-protón. Los núcleos estables con números atómicos bajos (hasta aproximadamente 20) tienen casi el mismo número de neutrones y protones. En el caso de los núcleos con números atómicos mayores, el número de neutrones excede el número de protones. De hecho, el número de neutrones necesario para crear un núcleo estable aumenta más rápido que el número de protones, como muestra en la figura. Entonces, las relaciones de neutrones a protones de los núcleos estables aumentan cuando aumenta el número atómico. La banda de color de la figura es el área dentro de la cual se encuentran todos los núcleos estables. A esta área se le conoce como banda de estabilidad. La banda de estabilidad termina en el elemento 83 (bismuto). Todos los núcleos con 84 o más protones (número atómico ^ 84) son radiactivos. Por ejemplo, todos los isótopos del uranio, número atómico 92, son radiactivos.

El tipo de desintegración radiactiva que experimenta un radionúclido específico depende en gran medida de cómo se compara su relación neutrones a protones

Banda de estabilidad. El número de neutrones aparece graficado en función del número de protones de núcleos estables. Conforme aumenta el número atómico, la relación de neutrones a protones de núcleos estables aumenta. Los núcleos estables se ubican en el área sombreada de la gráfica, conocida como la banda de estabilidad. La mayoría de los núcleos radiactivos se encuentran fuera de esta banda.

con aquellas de los núcleos cercanos dentro de la banda de estabilidad. Podemos representar tres situaciones generales:

1.Núcleos por arriba de la banda de estabilidad (relaciones de neutrones a protones grandes). Estos núcleos ricos en neutrones pueden disminuir su relación y moverse hacia la banda de estabilidad emitiendo una partícula beta. La emisión beta disminuye el número de neutrones y aumenta el número de protones en un núcleo.

2. Núcleos por abajo de la banda de estabilidad (relaciones de neutrones a protones pequeñas). Estos núcleos ricos en protones pueden aumentar su relación ya sea por la emisión de positrones o por la captura de electrones. Ambos tipos de desintegración aumentan el número de neutrones y disminuyen el número de protones. La emisión de positrones es más común que la captura de electrones entre los núcleos ligeros. Sin embargo, la captura de electrones se vuelve cada vez más común conforme aumenta la carga nuclear.

3.Núcleos con números atómicos ≥ 84. Estos núcleos pesados, los cuales se encuentran más allá del límite superior derecho de la banda de estabilidad, tienden a experimentar una emisión alfa. La emisión de una partícula alfa disminuye en 2 tanto el número de neutrones como el número de protones, moviendo el núcleo en diagonal hacia la banda de estabilidad.

23.2

Cambios de protones y neutrones en procesos nucleares. La gráfica muestra los

resultados de la emisión alfa (42

He), emisión beta (0

−1e), emisión de positrón (01

e) y

captura de electrones sobre el número de protones y neutrones en un núcleo. En el desplazamiento de izquierda a derecha o de abajo hacia arriba, cada cuadro representa un protón o neutrón adicional, respectivamente. El desplazamiento en la dirección inversa indica la pérdida de un protón o un neutrón.

Estabilidad nuclear

El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo, pero contiene la mayor parte de su masa porque allí residen los protones y neutrones. Al estudiar la estabilidad del núcleo atómico conviene conocer algo acerca de su densidad, ya que esta propiedad refleja qué tan empaquetadas se hallan las partículas. La enormemente alta densidad del núcleo nos lleva a preguntar qué es lo que mantiene fuertemente unidas a las partículas. De acuerdo con la ley de Coulomb, las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, y es fácil imaginar que exista una fuerte repulsión entre los protones, sobre todo si se considera que deben estar muy juntos. De hecho esto es lo que sucede; sin embargo, además de la repulsión, también hay atracciones de corto alcance entre los mismos protones, entre protones y neutrones, y entre los neutrones. La estabilidad de cualquier núcleo depende de la diferencia entre las fuerzas de repulsión coulómbica y las fuerzas de atracción de corto alcance. Si la repulsión es mayor que la atracción, el núcleo se desintegra y emite partículas o radiación. Si las fuerzas de atracción predominan, el núcleo es estable.

El factor principal que determina la estabilidad del núcleo es la relación neutrones/protones (n/p). Para los átomos estables de elementos con un número atómico bajo, la proporción n/p se acerca a 1. Conforme aumenta el número atómico, la relación neutrones/protones tiende a ser mayor a 1. Esta desviación se debe a que se necesita un mayor número de neutrones para contrarrestar las fuertes repulsiones que hay entre los protones para estabilizar al núcleo.

Las siguientes reglas ayudan a predecir la estabilidad nuclear:

1. Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones suelen ser más estables que los que no los poseen. Así, por ejemplo, existen 10 isótopos estables del estaño (Sn) con número atómico de 50, y sólo dos isótopos estables del antimonio (Sb) con número atómico de 51. Los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 se llaman números mágicos. El significado de estos números para la estabilidad nuclear es similar a la del número de electrones asociados con los gases nobles estables (esto es, 2, 10, 18, 36, 54 y 86 electrones).

2. Los núcleos con números pares de protones y neutrones son, por lo general, más estables que los que tienen números impares de estas partículas.

3. Todos los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son radiactivos. Todos los isótopos del tecnecio (Tc, Z = 43) y del prometio (Pm, Z = 61) son radiactivos.

En la figura se representa el número de neutrones frente al número de protones de varios isótopos. Los núcleos más estables se localizan en una zona llamada cinturón de estabilidad. La mayor parte de los núcleos radiactivos se encuentra fuera de este cinturón. Por arriba de éste, los núcleos tienen una proporción neutrón/protón mayor que aquellos que se encuentran dentro del cinturón (y que tienen el mismo número de protones). Para disminuir esta proporción (y así moverse hacia la banda de estabilidad), estos núcleos experimentan el siguiente proceso, denominado emisión de partículas β:

La emisión de partículas beta lleva a aumentar el número de protones en el núcleo y, al mismo tiempo, disminuye el número de neutrones; por ejemplo:

Debajo del cinturón de estabilidad, los núcleos tienen una proporción neutrón/protón menor que aquellos que están en el cinturón (y que tienen el mismo número de protones). Para aumentar esta proporción (y así acercarse al cinturón de estabilidad), estos núcleos emiten un positrón:

Diagrama de la relación entre neutrones y protones en diferentes isótopos estables, representados por puntos. La línea recta representa los puntos en los cuales la proporción neutrones a protones es igual a 1. El área sombreada simboliza el cinturón de estabilidad.

o capturan un electrón. La siguiente reacción ejemplifica la emisión de un positrón.

La captura de un electrón, otro proceso, consiste justamente en la captura de un electrón por parte del núcleo, por lo general uno 1s, el cual se combina con un protón para formar un neutrón. De esta manera, el número atómico disminuye en una unidad, pero el número de masa no cambia. Este proceso tiene el mismo efecto neto que la emisión de un positrón.