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QUÍMICA NUCLEAR ESTABILIDAD NUCLEAR |
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La mayor parte de los elementos conocidos tienen algún isótopo cuyo núcleo es estable. Todos ellos, sin embargo, tienen al menos un isótopo no estable que se desintegra por alguno de los mecanismos de decaimiento radiactivo. ¿Qué hace que un núcleo sea o no estable?El núcleo atómico es una región material que no tiene nada que ver con la materia que manejamos habtualmente. En él se aloja casi toda la masa y toda la carga positiva del átomo. Dado su pequeño tamaño (r = 5·10-15 m), la densidad que alcanza la materia en el núcleo es increiblemente elevada, del orden de 1014 g/cm3. Esta cantidad es casi 1014 veces mayor que la densidad del agua.
Por otra parte, en el núcleo están hacinados en un espacio muy reducido protones y neutrones y, por lo que sabemos de la interacción electromagnética, los primeros se repelen intensamente. ¿Qué mantiene unido al núcleo?. La respuesta es la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es más intensa que la electromagnética pero solo se manifiesta en distancias tan pequeñas como las que se dan en el núcleo. En su exterior no se manifiesta.
Sabemos que la materia está formada por quarks y leptones. Aunque hay tres familias de esas partículas, la materia ordinaria está formada por la primera de ellas (quark up, quark down, electrón y neutrino electrónico). Quarks y leptones (electrón y neutrino) difieren en como interactúan. Tres fuerzas fundamentales se manifiestan en el campo de las partículas elementales: fuerza nuclear fuerte responsable de la integridad del núcleo, fuerza electromagnética responsable de la atraccíon entre núcleo y electrones y fuerza nuclear débil responsable de, por ejemplo, la radiactividad beta. Los quarks interactúan a través de esas tres fuerzas y están confinados en el interior de los protones y los neutrones. El electrón no es sensible a la fuerza fuerte y, por ello, no siente la atracción de ella procedente del núcleo (si le pudiera alcanzar). Por su parte, el neutrino no es sensible ni a la fuerza fuerte ni a la electromagnética, por ello solo pueden interactuar mediante la fuerza nuclear débil.
La línea de estabilidad nuclear está rodeada de dos zonas principales de inestabilidad. Por encima, están los núcleos con relación n/p elevada, es decir, con una cantidad de neutrones demasiado elevada. En ellos la desintegración ocurre mediante el decaimiento beta. Con ello un neutrón se convierte en protón y se avanza hacia la línea de estabilidad. Por debajo, están los núcleos por una relación n/p baja, es decir, con una cantidad de protones demasiado elevada. En ellos la desintegración ocurre mediante emisión de positrones. Con ello un protón se convierte en neutrón y se eleva la relación n/p. Por otra parte, la emisión alfa es propia de núcleos pesados.Todos los núcleos estables (con la excepción del H) contienen, al menos, un neutrón. Parece ser que la estabilidad nuclear está ligada a la relación neutrón/protón, de hecho, a medida que aumenta el número de protones en el núcleo, también aumenta la relación n/p, o sea, se necesitan más neutrones para evitar la inestabilidad introducida por la repulsión entre protones. Solo dos isótopos estables H-1 y He-3 tienen una relación n/p menor que 1. Algunos isótopos de elementos ligeros tienen una relación n/p igual a 1: He-4, B-10, Ca-40. En los núcleos estables más pesados esa relación n/p llega a 1,5. Por encima de 83 protones en el núcleo, no hay isótopos estables. Por debajo de ese número hay que contemplar las excepciones del tecnecio Z=43 y del prometio Z=61, que no tienen níngún isótopo estable.Algunas regularidades observadas en los números de protones y neutrones en los núcleos estables son las siguientes:- De los 279 núcleos estables conocidos 166 tienen números pares de protones y neutrones. Por el contrario, solo 6 núcleos estables tienen ambos números impares. En una situación intermedia se encuentran los que tienen número par de protones y número impar de neutrones (55) y número impar de protons y número par de neutrones (52).
- Existen números "mágicos" de protones y neutrones que confieren una estabilidad adicional a los núcleos. Estos son los siguientes: 2, 8, 20, 50, 82, y 126. Por ejemplo, hay diez isótopos estables de Sn (Z = 50) y solo uno de Sb (Z=51).Este hecho recuerda el patrón de estabilidad de los gases nobles, en los que el número de electrones era el necesario para completar capas electrónicas. Es posible que los números "mágicos" nucleares sean algo similar, es decir, números de nucleones que completan algún tipo de capa (o similar) en el núcleo. |
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ENERGÍA DE UNIÓN NUCLEARLa energía de unión nuclear es la cantidad de energía que se necesita para separar los nucleones que forman un determinado núcleo. Esta magnitud es una medida de la estabilidad nuclear y puede ser medida mediante el defecto de masa de los núcleos.Los núcleos tienen menos masa que la suma de las masas de los nucleones que los forman, es decir, es más estable que las piezas que lo forman por separado. Esta pérdida de masa se puede calcular a partir de las medidas precisas de la masa atómica del isótopo considerado y de las masas de las particulas que lo forman: protones, neutrones y electrones.
Por ejemplo, la masa de un átomo de deuterio es inferior a la masa de sus componentes (un protón, un neutrón y un electrón) en 0,002388 uma. Teniendo en cuenta la ecuación de Einstein E = m c2, se puede calcular la energía de unión nuclear del núcleo de deuterio. En este caso es 2,22 MeV, o sea, 3,56·10-13J/átomo, o bien, 2,14·108 kJ/mol.El mismo cálculo podría hacerse con otro átomo más grande, por ejemplo, F-19. En este caso el defecto de masa es 0,1587 uma que corresponde a una energía de unión nuclear de 2,38·10-11J/átomo, o sea, 1,43·1010 kJ/mol. Es natural que la cantidad absoluta sea mayor en el caso del F-19 que en el del H-2 ya que el número de nucleones que forman parte del núcleo también es mayor. Para hacer comparables estas cantidades se suele calcular la energía de unión nuclear por nucleón, para ello basta dividir el valor absoluto de energía entre el número másico. Entonces se obtiene 1,78·10-13J/nucleón en el H-2 y 1,25·10-12J/nucleón en el F-19. Como vemos, al aumentar el número másico ha aumentado la energía de unión nuclear, sin embargo, esta tendencia solo se cumple hasta el Fe.
Para números atómicos bajos, la energía de unión nuclear (por nucleón) aumenta rápidamente, presentando picos de núcleos especialmente estables cuando el número de protones es igual al de neutrones (He-4; C-12; O-16). Para valores próximos a Z=15 la curva se suaviza y alcanza un máximo para Z = 26 que corresponde a Fe-56. A partir de él la energía de unión nuclear (por nucleón) disminuye suavemente.Como el núcleo de Fe-56 es el más estable de todos, es esperable que los núcleos más ligeros (izquierda) sufran reacciones (por ejemplo, fusión) que contribuyan a aumentar su número atómico. Por el contrario, los núcleos más pesados (derecha) tenderán a sufrir reacciones (por ejemplo fisión) que contribuyan a disminuir el número atómico.EjemploDeterminar la energía de unión nuclear por nucleón del Fe-56. Como datos se dispone de la masa atómica relativa de Fe-56 (55,934938 uma) de H-1 (1,007825 uma) y del neutrón (1,008665 uma).La suma de las masas de los componentes del átomo del isótopo Fe-56 es: 26·(1,007825 uma)+30·(1,008665 uma)=56,463400 uma.Esto permite calcular el déficit de masa = 56,463400 uma - 55,934938 uma = 0,528462 umaLa energía de unión nuclear es = 0,528462 uma · 931 MeV/amu = 492 MeVLa energía de unión nuclear por nucleón se calculará dividiendo la cantidad anterior entre 56, suma de protones y neutrones del Fe-56. El resultado obtenido es 8,79 MeV/nucleón
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