Física nuclear: ¿por qué se produce la desintegración radiactiva?

Esto depende mucho de lo que quieras decir con “radiación”.

Mucha gente olvida que la radiación nos rodea. Ahora estás leyendo esta publicación debido a la radiación. La única razón por la que puede ver algo es por la radiación.

La radiación es simplemente ondas electromagnéticas. Luz, en varios espectros. ¡Tú emites radiación! Tiene calor corporal: radiación infrarroja.

Cuando mucha gente piensa en la radiación, piensa en la radiación ionizante.

La radiación de ionización es un poco diferente de sus ondas electromagnéticas corrientes.

Claro, algunos de ellos todavía son electromagnéticos: ¡Gammas y rayos X, pero no todos!

Entonces, ¿qué queremos decir con radiación ionizante?

Una búsqueda rápida en Google nos dice que la radiación ionizante es “radiación que consiste en partículas, rayos X o rayos gamma con suficiente energía para causar ionización en el medio a través del cual pasa”.

Entonces, cómo “funciona” es impactar electrones dentro de los átomos y eliminarlos; en el caso de gammas y rayos X, imparten energía a través del efecto fotoeléctrico y la dispersión de Compton, así como también generan electrones y positrones a través de la producción de pares. Estos iones producen reacciones químicas. En algunos casos, donde las personas están involucradas, esto sucede en las células y puede dañarlas. Los neutrones son capaces de golpear directamente tu ADN.

Pero, ¿qué es la radiación ionizante?

Neutrones: la partícula neutral estándar. No interactúa con mucho, lo que significa que tiene una gran cantidad de poder de perforación. Estos no son producidos por muchas desintegraciones normales de la radiación.

Alfa: helio ionizado. El más grande y más ionizado los convierte en los más dañinos y los más fáciles de proteger. Tu capa de piel muerta es suficiente para protegerte. Los problemas surgen cuando consume un emisor alfa.

Betas: electrones y positrones. Más fácil de proteger que los gammas y neutrones, pero más difícil que los alfas. La ropa, la ropa promedio, es suficiente.

Gammas y rayos X : luz. Penetran bastante bien, de ahí la utilidad en medicina. Es más difícil protegerse, pero el daño infligido es menor que los neutrones.

¡Espero que eso ayude a la primera parte de tu pregunta!
Ahora a la segunda parte:

¿Qué hace que algo sea radiactivo?

La fuerza nuclear fuerte juega un papel importante en esto.

Me gusta pensar así:

Cuando obtienes tus tacos, no los dejas ir. Los defenderás con vehemencia, pero solo puedes contener a tantos. Eventualmente no tienes lugar para poner más tacos, por lo que cualquier taco agregado estará muy precariamente equilibrado. Pueden caerse y caerse en cualquier momento. Si uno cae, podría perder un montón de una vez, y eso sería terrible. Tú tomas la decisión. Vas a hacer caer un taco intencionalmente para no perder todos los tacos.

Esta es la Fuerza Nuclear Fuerte. Todos los nucleones lo tienen. Es muy fuerte … pero también es de muy corto alcance. Obtienes suficientes nucleones juntos y sus fuertes fuerzas nucleares ya no se superponen. Algunos de esos son protones, se repelen entre sí. Estas fuerzas competidoras hacen que la disposición sea muy inestable y que pueda colapsar.

A veces, estos átomos eliminan parte del exceso de energía o nucleones que están causando esta inestabilidad, a fin de buscar un estado de mayor estabilidad. A veces se manifiesta como una gamma, una beta o una alfa. Esto es radioactividad.

La respuesta corta es que el equilibrio entre la fuerza nuclear fuerte que mantiene unido el núcleo y la repulsión electrostática entre los protones está en el filo de la navaja, y los eventos cuánticos ocasionales que no entendemos del todo inclinan el equilibrio a favor de la repulsión. Esta no es una explicación intuitiva para los diferentes tipos de desintegración nuclear. La desintegración alfa escupe dos protones y dos neutrones (una partícula alfa o núcleo de helio), lo que hace que el núcleo sea más pequeño y corrige el desequilibrio de fuerza, pero otros tipos de desintegración no tienen un resultado tan conveniente. Beta-plus emite un positrón como resultado de convertir un protón en un neutrón, lo que aumenta la fuerza de unión a expensas de la repulsión electrostática, pero parece que beta-menos (que emite un electrón y cambia un neutrón a un protón) haz lo contrario Ocasionalmente, se emiten neutrones o protones. La radiación gamma parece ser emitida sin cambios en la composición nuclear. Claramente, hay algún otro factor involucrado, porque el desequilibrio de fuerza explica por qué los elementos pesados ​​son radiactivos, pero no tiene en cuenta el tecnecio, número atómico 43, que está en el centro estable de la tabla periódica y, sin embargo, no tiene isótopos estables.

La respuesta más simple es: “Porque puede”.

Cada vez que un núcleo o partícula puede convertirse en uno diferente emitiendo una o más partículas sin violar las leyes de conservación, eventualmente lo hará.

Una ley de conservación importante es la conservación de la energía. Tenga en cuenta que la masa es energía. Si hay un núcleo de menor masa que algún otro núcleo, y el segundo puede convertirse en el primero emitiendo una partícula alfa (núcleo de helio) o una partícula beta (electrón o positrón), eventualmente lo hará en las siguientes condiciones :

La masa total del núcleo inicial es mayor que la masa del núcleo final más la suma de las masas de todas las demás partículas producidas. La diferencia entre la masa inicial y la masa final se convierte en energía cinética de los productos finales, y esto funciona de acuerdo con (Mi – Mf) c ^ 2. La diferencia de masa se convierte literalmente en energía cinética.

Cuando las diferencias de masa son pequeñas y el cambio en las partículas solo puede tener lugar con la interacción “débil”, la tasa de desintegración radiactiva es lenta.

Cuando las diferencias de masa son relativamente grandes y el cambio tiene lugar a través de la interacción “fuerte” (o más fundamentalmente “color”), la tasa de descomposición es rápida.

Hay muchos otros factores involucrados en las tasas de descomposición, pero se escriben libros completos sobre estos, y sería una tontería tratar de poner todo eso en una respuesta.

Otra forma de ver el problema de la descomposición es que, en general, las cosas tienden a pasar de estados más altos de energía potencial a estados más bajos, a menos que alguna barrera lo impida. En la física clásica, las barreras, como las colinas, los muros y las fuerzas pueden parecer absolutas. Sin embargo, en la mecánica cuántica se ha descubierto que estas barreras no son absolutas, y es posible que una partícula alfa, por ejemplo, haga un túnel a través de la barrera de la fuerza nuclear que de otro modo la mantendría allí.

En cualquier reacción espontánea, como la desintegración radiactiva, los productos resultantes deben estar en una configuración de menor energía, más estable. Eso no significa que el núcleo del producto de una desintegración radiactiva deba estar en un estado estable. Puede descomponerse en un producto más estable. Esto se observa fácilmente en la cadena de desintegración de los elementos radiactivos naturales, como U-238, U-235, Th-232, Ra-226 o Rn-222. Todos esos radionucleidos tienen sus propias cadenas de desintegración.

Puede derivar este hecho de la matemática de la desintegración radiactiva: una vez que la cadena está en el miembro con la vida media más larga, por ejemplo, U-238, los productos secundarios crecerán en equilibrio con el padre de larga vida, siempre que no están separados de la cadena, la cadena se descompondrá con la vida media del padre de larga vida. A cada descomposición del progenitor le seguirá una descomposición de cada miembro de la cadena hasta alcanzar el producto final estable.

Sin embargo, si una de las hijas se separa del padre, digamos que una hija de Radón se escapa ya que es volátil, entonces se inicia una nueva cadena con la vida media del isótopo Rn.

La energía de la desintegración es arrastrada por los productos de desintegración: alfa, beta, rayos gamma, positrones; energía cinética del núcleo de retroceso y productos de fisión espontánea (si se produjo fisión espontánea, como puede ocurrir con varios isótopos de elementos pesados). La energía cinética de los productos de desintegración proviene de la masa que se convierte en energía (usando E = reactivos de masas delta menos productos X velocidad de la luz al cuadrado), y explica la energía cinética de los productos de desintegración y la energía de retroceso de los productos pesados. núcleo.

Como la respuesta de Morgan Sinnock a ¿Por qué ocurre la desintegración radiactiva? Ya se menciona, la desintegración radiactiva pasa a estabilizar el núcleo de un átomo. Quiero agregar un poco de detalle a eso.

Comencemos con los constituyentes de un núcleo. Los núcleos atómicos consisten en protones cargados positivamente electircamente y neutrones eléctricamente neutros. En el átomo más simple, el hidrógeno, el núcleo consta de un solo protón, el siguiente núcleo más complejo es el deuterio, un isótopo de hidrógeno donde se agrega un neutrón al protón para formar el núcleo. Los núcleos más complejos que se encuentran naturalmente en la tierra son los isótopos de uranio, donde 92 protones más más de 140 neutrones forman núcleos más o menos estables. En la Tierra, los núcleos con un mayor número de protones están disponibles solo por el hombre y alcanzan hasta el elemento 118 (= número de protones).

Tanto los protones como el neutrón son objetos complejos en sí mismos construidos por el llamado Quark, Wikipedia, que, hasta donde sabemos, no tienen una estructura interna. Los Quarks son partículas que interactúan a través de la interacción Fuerte: Wikipedia, que tiene un rango muy corto y la fuerza electromagnética que tiene un rango infinito, pero es más pequeña que la fuerza fuerte en escalas cortas. Los protones y los neutrones consisten en tres quarks cada uno, donde los protones están formados por dos quarks “arriba” con carga eléctrica +2/3 cada uno y un quark “abajo” con carga eléctrica -1/3. Los neutrones consisten en dos quarks “abajo” y un quark “arriba”.

La fuerte interacción de los tres sistemas de quark crea un campo de fuerza “residual” muy fuerte, que atrae unos pocos femtómetros sobre el límite exterior de protones y neutrones. Este campo proporciona el “pegamento” para hacer que los protones y los neutrones se unan si se acercan lo suficiente entre sí. La fuerza fuerte es contrarrestada por la fuerza electromagnética que es infinita y fuertemente repulsiva para partículas con la misma carga eléctrica. Y allí tenemos la razón de dos tipos de radiactividad: emisión alfa (mejor emisión de racimo) y fisión espontánea:

• En el caso de la emisión alfa, la forma del potencial nuclear que es una combinación entre la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética juega un papel importante. Como ilustración, imagine la forma de este potencial como una especie de colina o un volcán con un chapuzón o un tazón en la cumbre, que es mucho más profundo que el nivel del suelo donde se encuentra el vulcano. Además, imagine que esta inmersión se llena sucesivamente con bolas duras, que son protones y neutrones. Debido al principio de incertidumbre de Heisenbergs junto con la repulsión electromagnética, estas bolas de mecánica cuántica, a diferencia de sus hermanos y hermanas macroscópicos, no pueden descansar, se mueven alrededor todo el tiempo. La inmersión es la región donde un núcleo puede ser estable y tan pronto como una de las bolas cruza el borde de la inmersión, rodará cuesta abajo; El núcleo se descompuso. En el caso de la emisión alfa, otro efecto de la mecánica cuántica desempeña un papel: el hecho de que los objetos de la mecánica cuántica están asociados con una función de onda de probabilidad que describe la probabilidad de encontrar una partícula en una determinada ubicación en el espacio. En el caso de los emisores alfa, la inmersión profunda en la cumbre de nuestro vulcano se llena con bolas cercanas al límite de llenado máximo de la inmersión. Debido al movimiento de las partículas en la inmersión, sucede que los grupos de protones / neutrones (en la mayoría de los casos, núcleos de helio = partículas alfa) son expulsados ​​hacia la región cercana al borde del recipiente. Allí, donde la distancia entre el interior del cuenco y las laderas que caen del vulcano es pequeña, sucede que la función de onda de la partícula alfa llega a través del borde en la pendiente descendente. Debido a esto, sucede de vez en cuando (¡probabilidad!) Que una partícula se encuentra repentinamente en la pendiente descendente en la colina que es dada por la repulsión electrostática. Tan pronto como la partícula esté en esta pendiente, no puede hacer nada más que rodar colina abajo.
• Ahora a la fisión espontánea – Wikipedia. Este tipo de radiactividad ocurre solo en el caso de núcleos grandes con muchos nucleones, el elemento más ligero donde se ha observado fisión espontánea es el torio (Z = 91). Uno puede imaginar este tipo de núcleos como gotas de agua (piense en las burbujas de agua que flotan en entornos de gravedad cero) con una tensión interna, debido a la repulsión electrostática, que repele los extremos lejanos de la gota. La “gotita” tiene una cierta tensión superficial que es menor si la gotita tiene una forma esférica. A medida que la gotita se tambalea todo el tiempo con la fuerza eléctrica tirando y empujando los extremos lejanos, sucede que la gotita se deforma tan fuertemente que se divide en dos gotitas más pequeñas que en la configuración grande. Si esto sucede, las dos gotas / núcleos se alejan inmediatamente entre sí por la repulsión electrostática.

La emisión gamma ocurre debido al hecho de que los nucleones solo pueden ocupar “órbitas” muy distintas en el potencial nuclear (ver emisión alfa) similar a los electrones en la capa electrónica de un átomo. Si los nucleones se encuentran en orbitales por encima del estado fundamental de un núcleo, “saltarán” de orbital a orbital hasta que alcancen el estado fundamental que no permite ningún “salto” más bajo. De la misma manera que los electrones emiten luz en el proceso de desexcitación, los nucleones también emiten radiación electromagnética = fotones de muy corta longitud de onda / alta energía (= “partículas gamma”).

Por último, pero no menos importante, la radioactividad beta. Esta forma de radiactividad está asociada con la interacción débil: Wikipedia, que es responsable del hecho de que los quarks se descomponen por la emisión de leptones en quarks más ligeros. En el caso específico de la radioactividad beta, un quark down puede descomponerse espontáneamente en un quark up. Cuando esto sucede en un neutrón, el neutrón se descompone espontáneamente en un protón más un electrón con alta energía cinética. El proceso también puede funcionar de otra manera, luego un protón capturando un electrón o emitiendo un positrón puede convertirse en un neutrón. Esto es lo que llamamos beta-radiactividad. Este tipo de radiactividad normalmente ocurre en núcleos con un exceso de protones o neutrones.

Muy bien, cubramos cómo funciona la radiación. La radiación es simplemente energía electromagnética que viaja a través del espacio. La radiación proviene de algo más que materiales a los que nos referimos como radiactivos. La radiación proviene del Sol, las bombillas, incluso nuestros propios cuerpos. Viaja en forma de onda. Luego, algo es radiactivo cuando tiene un núcleo inestable. Son inestables debido a un exceso de protones o neutrones, lo que da como resultado una energía de unión inadecuada para mantenerse unidos. El átomo sufre desintegración para alcanzar un estado nuclear más estable, que se convierte en lo que sucede durante la desintegración radiactiva. Como dije antes, el propósito de la descomposición es alcanzar la estabilidad. Esta estabilidad se alcanza eliminando la fuente del problema: el exceso de protones o neutrones. Emite estos componentes del núcleo en una de dos formas, alfa o beta (ambos acompañados de radiación gamma).

¡Espero que esto ayude!

La desintegración radiactiva tiene lugar debido a la mecánica cuántica.

Es decir, si no fuera por la mecánica cuántica, la descomposición radiactiva no tendría lugar. Pero debido a que en el micromundo, muchas certezas del macromundo son reemplazadas por probabilidades, porque tenemos niveles de energía discretos en lugar de continuos, obtenemos muchas sorpresas, como el “túnel cuántico”.

Este “túnel cuántico” es el mecanismo detrás de la desintegración alfa (los mismos principios generales se aplican de manera diferente en los casos de desintegración beta y gamma): en lugar de encontrar una barrera potencial, una barrera absoluta como en la mecánica clásica (a una partícula con cinética energía más baja que la altura de la barrera), en la mecánica cuántica, hay una pequeña probabilidad de que la partícula de baja energía se ‘tunele’ al otro lado de la barrera.

Para que esto funcione, la barrera debe ser de altura y anchura finitas. Pero en ese caso, tenemos garantizada una probabilidad distinta de cero de tunelización.

Ahora esa probabilidad puede ser muy baja, como en el caso de las partículas alfa en el núcleo de uranio. Pero cuando hay muchos núcleos de este tipo, obtienes una vida media confiable para la radiación, prácticamente tienes garantizado un número promedio medible de conteos (de eventos de descomposición) por minuto.

Por favor lea mi respuesta sobre isótopos pesados. Para comprender mejor, vea este video de YouTube del seminario en la universidad. Este es un nuevo campo para entender la radiactividad. Dado que los neutrones, la partícula neutral de carga afecta la estabilidad de un elemento, se sospecha que es la fuerza más predominante del universo, la fuerza gravitacional podría estar afectando la composición. A distancias del orden de –15, la fuerza gravitacional es del orden de 30 a partir del cálculo simple usando la ecuación de Newton. Esto, la corriente principal del científico nuclear está ignorando en la actualidad. Pero parece que no debería ser. Por favor ver

Los átomos se descomponen porque tienen demasiados neutrones y protones. Las fuerzas fuertes que mantienen unido el núcleo contra las fuerzas electrostáticas repulsivas son muy fuertes, pero de muy corto alcance. Cuando se llega a un cierto número, los protones en el exterior no están siendo fuertemente atraídos por los que están en el lado opuesto, por lo que se mantienen débilmente, lo suficientemente débil como para que los procesos aleatorios puedan sacar uno o más de el núcleo.

wow tuve que leer mucho para responder a esta pregunta … la buena noticia es que no todo ha sido respondido.
Primero, ¿qué mantiene a un par de protones de la misma carga en el centro de un átomo?

bueno, la respuesta a esto es la misma que la molécula de H2, en la molécula los electrones de una H deben repeler a la otra H y nunca puedes tener el H2, pero sabemos que no ocurre porque los protones existen, los protones de un átomo atraer los electrones del otro H y formar el H2, esta fuerza es una fuerza electrostática efectiva llamada paredes vander. Volviendo al átomo debemos tener una fuerza que mantenga estable el núcleo, que es una fuerza efectiva de fuerza nuclear fuerte.

Como el H2 necesitamos que la fuerza efectiva ayude a mantener el núcleo unido, los neutrones están produciendo la fuerza efectiva (tienen quarks que interactúan con los protones y ponen una fuerza atractiva efectiva), lo que explica la mitad de los átomos inestables. Muy pocos neutrones y no podemos tener suficiente fuerza de atracción efectiva para mantener el núcleo unido.

Otra parte de esta fuerza fuerte nuclear efectiva es que puede ser repulsiva, leí que esto hace que otros átomos sean inestables, pero aún no puedo decir más de esto.

La siguiente parte es por qué poner muchos neutrones hacen que un núcleo sea inestable, bueno, primero debemos saber que la energía en el núcleo actúa como los electrones, lo que significa que tenemos niveles de energía que están llenos de neutrones y protones, lo interesante es que tenemos demasiados neutrones, entonces esos neutrones ocuparán la parte más alta de estos niveles de energía y, a diferencia de los protones, no hay otra fuerza que los mantenga en el núcleo, por lo que esos neutrones tienen la oportunidad de hacer un túnel en el átomo, y nuevamente el átomo no es estable.

La pregunta es en realidad varias preguntas, cada una de las cuales se ha hecho antes en Quora. Responder cualquiera de las subpreguntas sería una respuesta larga. Intenta buscar cada pregunta por separado.

En pocas palabras, la desintegración radiactiva ocurre para estabilizar un núcleo inestable, liberando partículas alfa o beta, o rayos gamma.