¿Por qué la cantidad de neutrones es cercana a la cantidad de protones en un átomo?

Por qué las respuestas son siempre extremadamente difíciles, si no imposibles de responder, a menos que necesite una respuesta metafísica. Sin embargo, sabemos que la cantidad de neutrones es a menudo muy similar a la cantidad de protones en el núcleo que presumiblemente estabiliza las fuerzas repulsivas entre los protones. Ayuda a mantener el equilibrio entre la fuerza atómica y las fuerzas repulsivas de los protones. Sin embargo, cuando el número de protones se vuelve bastante grande (más de 50), parece que necesitamos más neutrones para estabilizar el núcleo. Supongo que cuando el número de protones es significativo, es más difícil posicionarse para permanecer como un núcleo estable, se necesitan más neutrones para estabilizarse. Dado que la fuerza atómica es igual entre los nucleones, la adición de neutrones estabiliza el ensamblaje, de lo contrario tenemos una desintegración espontánea.
Esto es lo que observamos en la naturaleza, pero no sé por qué.

Si supiéramos la respuesta a esa pregunta, probablemente también podríamos explicar muchas de las propiedades del núcleo. Podríamos ser capaces de producir un gráfico de los nucleidos algo así como el gráfico periódico de los elementos. Tendría que ser un gráfico tridimensional porque los nucleidos se pueden enumerar de acuerdo con el número de protones en un eje y el número de neutrones en otro eje. La tercera dimensión correspondería a las columnas del gráfico periódico de los elementos. La tabla periódica de los nucleidos tendría que ser mucho más grande e incluso más compleja. La cuarta dimensión correspondería a la superficie, donde se enumerarían los valores de las propiedades individuales.

El número de ejes de protones oscilaría entre 1 y al menos 118. El número de ejes de neutrones oscilaría entre 0 y al menos 177, como es la Tabla de nucleidos – Wikipedia. Como puede ver, sabemos bastante acerca de las propiedades de los nucleidos, pero casi todo ese conocimiento proviene de mediciones empíricas, no de una teoría que podría dar los mismos resultados mediante el cálculo. Las mejores teorías que tenemos ahora son el modelo de gota líquida y el modelo de caparazón y, en mi opinión, no son lo suficientemente buenas como para dar una respuesta satisfactoria a su pregunta.

Hace varios años, me encontré con una idea que podría conducir a una respuesta adecuada en Unclear2Nuclear. Se basa en ver los protones y los neutrones como lo suficientemente cerca como para que las cargas eléctricas de los quarks puedan tener un efecto sobre los quarks en otro nucleón. Busque en su sitio las ideas básicas y dé crédito a los autores por llevarlo tan lejos como lo hicieron.

Para fines de visualización, piense en los quarks como esferas. Los quarks arriba y abajo son los únicos con los que tenemos que lidiar para la materia ordinaria. Suponemos que su tamaño y forma son aproximadamente iguales. Están estrechamente unidos en grupos de tres que no todos tienen la misma carga eléctrica. Los Ups tienen una carga de +2/3 y los Downs tienen una carga eléctrica de -1/3. Ahora imagine un protón y un neutrón muy juntos con los quarks Up emparejados con los quarks Down en el otro nucleón. ¿No hacen una linda pareja? Esa atracción de carga eléctrica de tres pares de quarks en dos nucleones diferentes podría ser la razón por la cual se favorece la misma cantidad de protones y neutrones en los pequeños nucleidos.

Tal par sin ningún otro nucleón presente se llamaría Deuterón, así que usemos ese término para tales pares, incluso un núcleo. Sostén esa imagen e imagina dos Deuterones. Encajarían de manera similar pero con 4 de esos pares de quarks. De hecho, los giros también se cancelarían, por lo que debería ser una configuración particularmente estable. Fuera de un núcleo, se llamaría una partícula alfa, que de hecho es muy estable.

A partir de ahí, imaginar varias combinaciones de protones, neutrones, deuterones y partículas alfa unidas por una atracción mutua conduce a la idea de una estructura reticular de algún tipo. A medida que se consideran redes cada vez más grandes, la posibilidad de que los neutrones lleguen a “cubrir” algunos de los protones expuestos parece natural (para mí). Esto podría explicar la tendencia a tener una proporción cada vez mayor de neutrones a medida que el núcleo se agranda. Sin embargo, el número de posibles arreglos que deben considerarse es demasiado grande, demasiado rápido, incluso para las computadoras de hoy. Todavía no he descubierto cómo programar uno para esto.

Esta es una pregunta muy importante que los químicos nucleares han estado estudiando durante décadas. James Higbie señaló en su respuesta que a medida que aumenta el número atómico, los isótopos estables de los elementos tienden a tener relaciones más altas de neutrones / protones. Se han hecho muchas conclusiones especulativas con respecto a la estabilidad de los isótopos solo de esta observación. La búsqueda de nuevos isótopos de elementos existentes se debe en parte a la necesidad de explicar estos datos de neutrones / protones. Los proyectos de destrucción de átomos se formulan con este efecto en mente.

La búsqueda también ha generado la búsqueda de una “isla de estabilidad”, donde pueden existir elementos estables pesados ​​en el rango de números atómicos alrededor de 120.

Todos los elementos tienen nucleidos estables y nucleidos inestables. Las proporciones varían bastante. Para los primeros 16 elementos, los nucleidos estables más abundantes tienen el mismo número de protones y neutrones, p’s y n’s. Luego alcanzamos el cloro, del número atómico 17, y encontramos que Cl 34 es muy inestable, con una vida media de solo 1.5 segundos. Sus 2 nucleidos estables son Cl 35 y Cl 37, con Cl 36 con una vida media larga.

¿Cómo podemos explicar todo esto, hasta ahora? Bueno, hay dos modelos del núcleo a los que podemos referirnos. Está el modelo de gota líquida y el modelo de concha. Sin embargo, ambos modelos son muy rudimentarios y no pueden hacer predicciones o explicaciones definitivas, en casos específicos.

Es mejor adoptar un enfoque empírico, basado en masas atómicas medidas, A y energías de unión por nucleón, BE, de nucleidos particulares. El BE de un núcleo es proporcional a su “defecto de masa”, MD. El MD es la masa del núcleo menos la suma de la masa de sus partes constituyentes. Esto siempre tiene un valor negativo, y es numéricamente proporcional a la energía necesaria para desmontar el núcleo en las partículas aisladas que lo componen. Para encontrar esta energía en julios, usamos E = mc ^ 2. Entonces, el BE, en J = MDxc ^ 2. Para ahorrar en el cálculo, podemos tomar el MD (por nucleón) como una medida de BE.

Cuanto mayor es el valor de BE de un nucleido, más estable es. Si un nucleido tiene un BE negativo pequeño, y hay otro nucleido con un BE negativo más grande, que podría transformarse en alguna forma de desintegración radiactiva, entonces será inestable en este tipo de desintegración. Para los primeros 16 nucleidos, con igual número de n’s y p’s, no hay núcleos más estables en los que puedan transformarse, por cualquier tipo de desintegración radiactiva, por lo que todos son estables. Varios de ellos tienen otros nucleidos que también son estables, pero no muy abundantes. Esto se debe a la forma en que se fusionan los nucleidos más pesados, en el interior de las estrellas. El proceso favorece el mismo número de p’s y n’s, ya que se construye a partir de los núcleos Helium-4 y Deuterium-2.

Entonces, ¿qué sucede cuando llegamos a Cl 34, cuando nuevamente tenemos el mismo número de p y n? Bueno, nada de lo que sabemos sobre la teoría cuántica o sobre el núcleo nos permitiría predecir que este núcleo necesita más neutrones. Podemos descubrir esto, empíricamente, ya que Cl 34 se desintegra por emisión beta +, formando S 34. Esto convierte ap en n. Ahora, esto no puede explicarse por el modelo de shell. El modelo de gota líquida funciona mejor. Podríamos decir que la densidad de carga es demasiado alta para un núcleo de este radio particular. Entonces, el núcleo necesita ser ‘diluido’ por otro neutrón, particularmente si la carga también se puede reducir. S 34 también tiene un BE mayor que Cl 34, y es estable.

La proporción de n a p continúa aumentando a medida que Z (el número atómico) aumenta, porque estas combinaciones tienen los mayores BE. Eventualmente, en Z alta, los nucleidos se vuelven inestables debido a la fisión, y entonces no hay combinaciones absolutamente estables.

Porque si tienes “demasiados” neutrones, el núcleo se vuelve beta inestable. Si tiene muy pocos, se vuelve beta + inestable. Si va aún más lejos en los extremos, comienza a recibir emisiones de protones o neutrones.