La desintegración radiactiva es impulsada por la cantidad de protones y neutrones en el núcleo. Si un átomo tiene un número estable y una disposición de nucleones (neutrones y protones), entonces no se descompondrá. Será radiológicamente estable y no sufrirá cambios. Como ya se encuentra en su estado de energía más bajo, no hay ningún proceso para llegar a un estado de energía más bajo y, por lo tanto, no se producirán transformaciones nucleares.
El mejor número de neutrones en relación con el número de protones se llama la línea de estabilidad en la Carta de los nucleidos. La tabla de los nucleidos es un gráfico de todas las combinaciones de protones y neutrones que se conocen. El eje horizontal es el número de neutrones; El eje vertical es el número de protones. Por lo tanto, cada cuadrado es una combinación única de protones y neutrones. Si hay menos de aproximadamente 20 protones y neutrones totales, la proporción estable es 1: 1. Es decir, habrá la misma cantidad de protones y neutrones (con algunas variaciones menores). A medida que el núcleo se hace más grande, necesita más neutrones para mantenerlo unido. Básicamente, esto se debe a que a medida que aumenta el número de protones, la fuerza de repulsión electrostática entre todos los protones se hace más grande, por lo que necesita el pegamento de la fuerte fuerza nuclear que tienen los neutrones y los protones. Alrededor de la masa de uranio hay un 50% más de neutrones que protones. Los núcleos en la línea de estabilidad no se descompondrán. Hay 254 núcleos estables.
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Si el núcleo no está en la línea de estabilidad, entonces no está en su estado de energía más bajo posible y el núcleo intentará lograr una disposición más estable. Existen (básicamente) cuatro formas posibles en que el núcleo podría ser “inestable”: demasiados protones, demasiados neutrones, demasiados de ambos, disposición ineficiente de protones y neutrones.
Demasiados protones.
Estos núcleos están arriba ya la izquierda de la curva. Entonces, para la cantidad de neutrones, tiene demasiados protones para ser estable. Para resolver este problema, tiene que reducir la cantidad de protones en relación con la cantidad de neutrones. Como no tiene suficiente energía para expulsar un protón (la energía de unión es demasiado alta), debe resolver este problema de una manera diferente. ¡Hace esto cambiando un protón en un neutrón! Esto reducirá el número de protones en uno y aumentará el número de neutrones en uno. Esto acerca la relación de protones a neutrones a la línea de estabilidad. Ahora, para convertir un protón en un neutrón y seguir cumpliendo con las leyes de conservación, será necesario crear un positrón y un neutrino. El positrón conserva la carga eléctrica ya que el protón y el positrón tienen una carga más uno y el neutrón y el neutrino no tienen carga eléctrica. El neutrino conserva el número de leptones, el giro, etc. Esto se puede expresar como:
Protón -> Neutron + Positron + Neutrino
El positrón y el neutrino tienen demasiada energía cinética para permanecer en el núcleo, por lo que se emitirán. El positrón emitido se llama partícula beta plus y se detecta fácilmente. El neutrino es casi indetectable.
Alternativamente, a veces el núcleo resolverá el problema absorbiendo uno de sus electrones de capa interna. Esto logra el mismo resultado práctico.
Protón + Electrón -> Neutron + Neutrino
La conclusión de todo esto es que cualquier nucleido que esté arriba ya la izquierda de la línea de estabilidad será un emisor beta plus (y puede sufrir captura de electrones).
Ejemplos: Florine-18, Carbon-11
Demasiados neutrones.
Estos núcleos están debajo ya la derecha de la curva. Entonces, para la cantidad de protones, tiene demasiados neutrones para ser estable. Para resolver este problema, tiene que reducir la cantidad de neutrones en relación con la cantidad de protones. Como no tiene suficiente energía para expulsar un neutrón, debe resolver este problema cambiando un neutrón en un protón. Esto reducirá el número de neutrones en uno y aumentará el número de protones en uno, llevando la relación de neutrones a protones más cerca de la línea de estabilidad. Para convertir un neutrón en un protón y cumplir con las leyes de conservación, se creará un electrón y un antineutrino. La carga negativa del electrón equilibra la carga positiva del nuevo protón. Esto se puede expresar como:
Neutron -> Protón + Electrón + Antineutrino
Se emitirán el electrón y el antineutrino. El electrón emitido se llama partícula beta menos y se detecta fácilmente. El antineutrino es casi indetectable.
La conclusión es que cualquier nucleido que esté debajo ya la derecha de la línea de estabilidad será beta menos emisor.
Ejemplos: cobalto-60, estroncio-90
Demasiados neutrones y protones.
Estos núcleos están más allá del extremo derecho de la curva. No hay núcleos estables más pesados que el plomo. (La vida media del bismuto es tan larga que a veces se considera estable). Una forma de pensar es que hay tantos protones que ningún número de neutrones puede mantenerlos unidos. El núcleo debe reducir el número total de nucleones, y lo hace emitiendo dos protones y dos neutrones. Esto es lo mismo que un núcleo de helio y es una combinación excepcionalmente estable de núcleos, tan estable que se mantendrá intacta cuando salga del núcleo.
El núcleo de helio emitido se llama partícula alfa.
El núcleo también puede estar por encima o por debajo de la línea de estabilidad extrapolada. Si es así, sufrirá una desintegración beta menos o beta más además de la desintegración alfa. Se turnará con los diferentes esquemas de descomposición hasta que sea lo suficientemente ligero y tenga la proporción correcta para estar en la línea de estabilidad. Por lo general, terminará como plomo.
A veces, un núcleo en esta área puede espontáneamente fisión. Luego terminará debajo de la línea de estabilidad (a lo largo de una línea recta de relación neutrón / protón de 1.5 al origen). Los productos de fisión se someterán a beta menos descomposición.
La conclusión es que cualquier nucleido que esté más allá de la derecha de la línea de estabilidad será un emisor alfa y también puede emitir partículas beta menos o beta más.
Ejemplos: radón-220, uranio-225
Disposición ineficiente de protones y neutrones.
Después de cualquiera de las desintegraciones anteriores (alfa o beta), el núcleo generalmente queda con demasiada energía. Eliminará el exceso de energía emitiendo energía pura en forma de radiación electromagnética. Esto no cambia la cantidad de neutrones o protones.
La radiación electromagnética emitida desde el núcleo se llama rayo gamma.
Si la gamma se libera inmediatamente después de la desintegración beta anterior, generalmente se considera parte de la misma desintegración, aunque en realidad proviene del producto de desintegración, no del nucleido original. Esto se llama desintegración beta-gamma. Si la gamma se libera mensurablemente más tarde que la partícula beta, se considera una desintegración separada, una transición isomérica.
Ejemplos: tecnecio-99m, cobalto-58m
Resumen
Al saber dónde está un nucleido en el gráfico de los nucleidos, puede predecir efectivamente cómo se descompondrá.
Existen algunos otros tipos de desintegración radiactiva, pero esto cubre los conceptos básicos.
