4.- Estabilidad nuclear y radiactividad

Entre unos 2500 núclidos conocidos, menos de 300 son estables. Los demás son estructuras

inestables que se desintegran para formar otros núclidos, emitiendo partículas y radiación

electromagnética mediante un proceso llamado radiactividad. La escala de tiempos de esos

procesos de decaimiento va desde una pequeña fracción de microsegundo hasta miles de millones

de años. Los núclidos estables se indican con puntos en la gráfica de la figura 43.4, donde el número

de neutrones N y el número de protones (o número atómico) Z se grafican para cada núclido. Esa

gráfica se llama gráfica de Segré, por su inventor, el físico ítalo-estadunidense Emilio Segré (1905-

1989). Cada línea azul perpendicular a la línea N = Z representa un valor específico del número de

masa A = Z + N. La mayor parte de las líneas de A constante sólo pasan por uno o dos núclidos

estables; esto es, en general hay un intervalo muy pequeño de estabilidad para determinado

número de masa. Las líneas en A = 20, A = 40, A = 60.

y A= 80 son unos ejemplos. En cuatro casos, las líneas pasan por tres núclidos estables, que son con

A = 96, 124, 130 y 136. Nuestros cuatro núclidos estables tienen Z impar y N impar, al mismo

tiempo:

Se llaman núclidos impar-impar. La ausencia de otros núclidos impar-impar demuestra la influencia

del apareamiento. Además, no hay núclido estable con A= 5 o A= 8. El núcleo doblemente mágico ,

con un par de protones y un par de neutrones, no tiene interés en aceptar una quinta partícula en

su estructura. Los conjuntos de ocho nucleones decaen a núclidos menores, y un núcleo decae de

inmediato, dividiéndose en dos núcleos de . Los puntos de la gráfica de Segré que representan

núclidos estables definen una región relativamente delgada de estabilidad. Para bajos números de

masa, las cantidades de protones y neutrones son aproximadamente iguales, N =aprox Z. La

relación N/Z aumenta en forma gradual al aumentar A, hasta aproximadamente 1.6 a números de

masa grandes, debido a la influencia creciente de la repulsión eléctrica de los protones. Los puntos

a la derecha de la región de estabilidad representan núclidos que tienen demasiados protones en

relación con los neutrones, para ser estables. En esos casos gana la repulsión, y el núcleo se divide.

A la izquierda están los núclidos con demasiados neutrones en relación con los protones. En esos

casos, la energía asociada con los neutrones está desbalanceada con la asociada a los protones, y

los núclidos decaen en un proceso que convierte los neutrones en protones. La gráfica muestra

también que

no hay un núclido con A >209 o con Z > 83 que sea estable. Un núcleo es inestable si es demasiado

grande. También se observa que no hay núclido estable con Z = 43 (tecnecio) o 61 (prometio). La

figura 43.5, una versión tridimensional de la gráfica de Segré, muestra el “valle de estabilidad” para

los núclidos ligeros (hasta Z = 22).

Un ejemplo conocido de los emisores alfa es el radio, [figura 43.6a]. La velocidad de la partícula alfa

emitida, determinada a partir de la curvatura de su trayectoria en un campo magnético transversal,

es de 1.52 X 107 m/s. Esta rapidez, aunque es elevada, sólo es el 5% de la rapidez de la luz, por lo

que podemos usar la ecuación no relativista de energía cinética.

Las partículas alfa siempre se emiten con energías cinéticas definidas, determinadas por la

conservación de la cantidad de movimiento y la energía. Por su carga y su masa.

4.1.-Decaimiento alfa

4.2.-Decaimiento beta:

4.2.-Decaimiento gama:

La energía del movimiento interno en un núcleo está cuantizada. Un núcleo normal tiene un

conjunto de niveles permitidos de energía, que incluyen un estado fundamental (estado de mínima

energía) y varios estados excitados. Debido a la gran fuerza de las interacciones nucleares, las

energías de excitación de los núcleos son, en forma característica, del orden de 1 MeV, en

comparación con algunos eV de los niveles atómicos de energía. En las transformaciones físicas y

químicas ordinarias el núcleo siempre permanece en su estado fundamental. Cuando un núcleo se

pone en un estado excitado, ya sea por bombardeo con partículas de alta energía o por una

transformación radiactiva, puede decaer al estado fundamental emitiendo uno o más fotones,

llamados rayos gamma o fotones de rayo gamma, comúnmente con energías entre 10 keV y

5 MeV. A este proceso se le llama decaimiento gamma . Por ejemplo, las partículas alfa emitidas

por el 226Ra tienen dos energías cinéticas posibles: o bien 4.784 MeV o 4.602 MeV. Incluyendo la

energía de retroceso del núcleo de 222Rn resultante, corresponden a una energía total liberada de

4.871 MeV o 4.685 MeV, respectivamente.

Cuando se emite una partícula alfa con la menor energía, el núcleo de 222Rn queda en

un estado excitado. Entonces decae a su estado fundamental, con un fotón de rayo

gamma con energía.

Un fotón con esta energía se observa durante este decaimiento (figura 43.6).

(4.871- 4.685) MeV = 0.186 MeV