Es cierto que los núcleos de la mayoría de los elementos químicos contienen protones y neutrones, y que generalmente los isótopos estables comienzan a tener más neutrones por protón a medida que aumenta el número de masa del núcleo.
Al principio, para los núcleos ligeros, a los núcleos más estables les gusta tener números aproximadamente iguales de neutrones y protones.
Pero el hidrógeno, o protio, como a veces se le llama, es claramente un caso especial.
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Un neutrón por sí mismo es inestable en el espacio libre. En aproximadamente diez minutos se descompone en un protón y un electrón y un antineutrino, y también tiene carga eléctrica cero, por lo que no puede unir un electrón y formar un átomo neutro.
Un protón por sí mismo, por lo que cualquiera puede ver, es completamente estable: no parece descomponerse en absoluto en el espacio libre, y dado que tiene una carga positiva, puede unir un electrón cargado negativamente para formar un átomo llamado hidrógeno.
El neutrón es un poquito más pesado que el protón, por lo que se descompone en el protón, y esta es la razón por la que podemos existir, porque en el universo primitivo había al principio un número aproximadamente igual de neutrones libres y libres. protones, pero muchos de los neutrones libres se descomponen en protones, y la mayoría de esos protones finalmente formaron hidrógeno.
Entonces el hidrógeno forma el primer elemento estable, y no necesita un neutrón para hacerlo.
Dado que el neutrón se desintegra en el espacio libre, no hay un elemento estable que tenga un núcleo formado solo por un neutrón o solo por dos o más neutrones. Tal núcleo podría perder algo de masa si algunos de los neutrones se descomponen en protones.
Hay un isótopo más estable de hidrógeno, que tiene un protón y un neutrón en el núcleo, se llama deuterio.
Se formaron muchos núcleos de deuterio en una etapa muy temprana en el universo a partir de los protones y los neutrones que no se habían descompuesto, pero la mayoría de estos reaccionaron con otros núcleos de deuterio para producir núcleos de helio. Un núcleo de helio tiene dos protones y dos neutrones, y está muy unido. Es un caso perfectamente simétrico e ideal: es el primer núcleo doblemente mágico. Entonces, el helio es el siguiente elemento más común en el universo después del hidrógeno.
Y luego hay un isótopo inestable de hidrógeno llamado tritio, que tiene dos neutrones y un protón. Pero se descompone con una vida útil de aproximadamente 20 años en un núcleo de helio-3 que tiene dos protones y un neutrón en su lugar: la pérdida de masa por la descomposición de neutrones gana sobre la repulsión de Coulomb agregada entre los protones en este caso.
A medida que se forman núcleos que contienen más y más protones, se hace necesario y favorable tener neutrones y protones para ayudar a estabilizar el núcleo; esta estabilización es necesaria porque los protones se repelen entre sí debido a su carga.
Un núcleo que consta de más de un protón no será estable sin neutrones, a pesar de que los protones se atraen entre sí por la fuerza fuerte. La repulsión de Coulomb de los protones es más fuerte en los radios en los que a los protones les gustaría sentarse y gana. No hay un estado unido en el sistema protón-protón.
Pero si se introducen neutrones, entonces suceden dos cosas. El núcleo se agranda debido a que tiene más partículas, ya que ni a los neutrones ni a los protones les gusta sentarse uno encima del otro, por lo que se obligan mutuamente a estar más separados, y este aumento de tamaño reduce la repulsión general de Coulomb entre protones en el núcleo. Lo segundo es que los neutrones también se atraen entre sí.
Finalmente, la fuerza de atracción entre el neutrón y el protón es un poco más fuerte que la fuerza entre el neutrón y el neutrón o la que existe entre el protón y el protón, de modo que la tendencia es que el número de neutrones y protones sea aproximadamente igual en los núcleos de luz, pero esto varía un poco a medida que los núcleos se hacen más grandes para que los números de neutrones más altos que los números de protones comiencen a favorecerse.
La repulsión de Coulomb entre protones está impulsando esto, así como la naturaleza de las fuertes interacciones entre neutrones y protones.
