Estabilidad Nuclear
La estabilidad nuclear es el equilibrio entre las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones y la fuerza atractiva nuclear de corto alcance, que experimentan los protones y neutrones del núcleo. La relación entre el número de protones (Z) y neutrones (N) es por lo tanto clave para la estabilidad del núcleo.
Para los núcleos ligeros, N es aproximadamente igual a Z, es decir, la relación entre N y Z es 1 (N/Z = 1), por lo que son estables. Para los núcleos pesados, la estabilidad se consigue con un mayor número de neutrones y la relación entre N y Z puede llegar a ser de hasta 1.56 (N/Z = 1.56), desviándose del valor 1 en el que el núcleo es estable.
Radionucleidos Primordiales
En la naturaleza se encuentran radionucleidos primordiales porque sus periodos de semidesintegración son comparables con la edad de la Tierra. Los isótopos del uranio y del torio encabezan una larga cadena de radioisótopos descendientes que están presentes también en la naturaleza. Como la desintegración alfa es común para números másicos superiores a 205 y el número másico de la partícula alfa es 4, hay cuatro cadenas de desintegración distintas de los núcleos pesados.
Equilibrio Radiactivo
Muchos núclidos radiactivos sufren sucesivas transformaciones en que: núclido padre → núclido hijo (también radiactivo). Si la vida media del padre es mayor que la del hijo, entonces después de cierto periodo se va a producir una suerte de equilibrio en que la razón entre la actividad del hijo y la del padre llegará a ser constante. El decaimiento (tasa o razón de decaimiento) del hijo está entonces gobernado por la vida media o decaimiento (o tasa de desintegración) del padre.
- Equilibrio Transitorio: Cuando la vida media del padre no es tan grande comparada con la del hijo.
- Equilibrio Secular: Cuando la vida media del padre es muy grande comparada con la del hijo.
Tipos de Decaimiento Nuclear
1. Decaimiento por Emisión de Partículas Alfa
- Núclidos radiactivos de número atómico muy grande (> 82) frecuentemente decaen con emisión de una partícula alfa.
- Al aumentar el número de protones, las fuerzas culombianas de repulsión superan a las fuerzas nucleares.
- Así, el núcleo inestable emite una partícula compuesta por dos protones y dos neutrones.
- El número atómico disminuye en dos y el número másico en cuatro.
- Q es la energía liberada en el proceso, Energía de Desintegración.
- Q es equivalente a la diferencia de masa entre el núcleo padre y el núcleo producido.
- Q aparece como energía cinética de la partícula alfa y del núcleo producido.
- Ejemplo típico
- Las partículas alfa tienen energías que van de 5-10 MeV. Dada su alta masa y que se emiten a gran velocidad (± 107 m/s), al chocar con la materia pierden gradualmente su energía, ionizando los átomos, y se frenan muy rápidamente, por lo que quedan detenidas en unos pocos cm de aire o unas milésimas de agua.
2. Decaimiento por Emisión de Partículas Beta
- Eyección de un electrón + o – desde el núcleo.
- Estas partículas beta+ o beta- se crean en el momento del decaimiento, no existen dentro del núcleo.
Emisión Beta-
- Radionúclidos con excesivo número de neutrones o alta proporción N/P.
- Ecuación general.
- Se reduce la alta proporción N/P hasta alcanzar la estabilidad.
- Q sale de la diferencia de masa entre el núcleo inicial y los productos.
- Q se repartirá entre las partículas emitidas (incluso los rayos gamma emitidos por el núcleo hijo), pero la energía del núcleo producido, por ser muy pequeña, se considerará despreciable.
- El neutrino, como no tiene carga ni masa, es difícil de detectar; solo se verifica su existencia por la diferencia de energía.
Emisión Beta+
- Cuando la razón N/P es más pequeña que esos núcleos estables de igual número atómico o número de neutrones.
- Se alcanzará la estabilidad aumentando el valor N/P.
- Ecuación general.
- Al igual que beta-, Q es llevada por las partículas emitidas.
- Tanto los beta+ y beta- son emitidos como un espectro de energías.
- Se produce cuando la energía del padre y del hijo por separado sean mayores a 1.02 MeV.
- Beta+ es inestable y eventualmente se combina con otros electrones produciéndose aniquilación, lo que da como resultado dos fotones gamma, cada uno de 0.51 MeV; así se convierte la masa de dos electrones en energía.
3. Captura Electrónica
- Un electrón orbital es capturado por el núcleo, transformándose un protón en un neutrón. Es un proceso alternativo al decaimiento beta+.
- La captura del electrón es desde la capa K, aunque también desde las capas L y M.
- Se produce un espacio vacío que es llenado por un electrón más externo, produciéndose rayos X característicos.
- También hay emisión de electrones Auger, los que son electrones monoenergéticos producidos por la absorción de los rayos X característicos y reemisión de la energía eyectando electrones orbitales desde el átomo (es como un efecto fotoeléctrico interno).
4. Conversión Interna
- La emisión de rayos gamma es la forma en que un núcleo excitado se libera del exceso de energía después de una transformación nuclear. Pero hay otra forma que es la conversión interna.
- Aquí el exceso de energía se transfiere a un electrón orbital, el cual es eyectado del átomo. Es como un efecto fotoeléctrico interno: el rayo gamma sale del núcleo e interactúa con los electrones orbitales del mismo átomo.
- La energía del electrón orbital es igual a la entregada por el núcleo, menos la energía necesaria para sacar el electrón de su orbital.
- Se producen rayos X característicos producidos al llenarse el orbital vacío con electrones de orbitales más externos.
5. Transición Isomérica
- En el caso de algunos núclidos, el estado excitado del núcleo persiste por un tiempo considerable. En este caso se dice que el núcleo existe en estado metaestable.
- El núcleo metaestable es un isómero del núcleo final; tienen el mismo número másico y número atómico, pero diferente estado energético.