¿Los núcleos emiten fotones?

Question

Generalmente en los libros de texto dicen que cuando un electrón pasa de un estado de alta energía a otro de menor energía emite fotones. Mi pregunta es, ¿es posible que un protón que pasa de un estado de alta energía a un estado de menor energía también emita fotones?

Answer 1

Los núcleos emiten rayos gamma, que son fotones de alta energía. Los fotones emitidos cuando el electrón de un átomo cambia su estado energético suelen estar en el espectro óptico, que se encuentran con más frecuencia en la tecnología y la vida real, por lo que reciben más atención en los libros de texto.

Observaciones
Para subrayar por qué los fotones son menos "importantes" para los núcleos que para los átomos:

• Naturaleza de las interacciones Cabe señalar que los átomos, los sólidos y las moléculas se mantienen unidos por la interacción de Coulomb (es decir, por fuerzas electromagnéticas), razón por la cual su dinámica estructural está fuertemente acoplada a los fotones, las partículas portadoras de esta interacción. Las fuerzas nucleares son de naturaleza diferente: aunque los fotones desempeñan un papel, no son más que una de las muchas partículas implicadas.
• Talla Siendo partículas cargadas los protones deben estar acoplados al campo EM. La fuerza de esta interacción es proporcional al momento dipolar $d=r_ne$ donde $r_n\approx10^{-15}m$ (un Fermi) es el radio nuclear que es mucho más pequeño que el radio de un átomo $r_a\approx10^{-10}m$ (un Angstrom). En otras palabras, el acoplamiento de los protones al campo de fotones es $10^{5}$ veces más débil.
• Masa tanto los protones como los neutrones tienen espín y pueden acoplarse al campo electromagnético mediante el acoplamiento Zeeman. Sin embargo, su masa es unas mil veces mayor que la de los electrones, lo que resulta en una relación giromagnética mil veces menor (es decir, el magnetón nuclear es mil veces menor que el magnetón de Bohr), es decir, el acoplamiento es débil.
• Por último, he aquí una referencia autorizada sobre el tema: Interacción de los núcleos con la radiación electromagnética

Cita
La siguiente cita procede del libro "Fundamentos de física nuclear" de Besdevant, Rich y Spiro :

While the numbers (A, Z) or (N, Z) define a nuclear species, they do not 
determine uniquely the nuclear quantum state. With few exceptions, a nucleus 
(A, Z) possesses a rich spectrum of excited states which can decay to the ground 
state of (A, Z) by emitting photons. The emitted photons are often called 
gamma-rays. The excitation energies are generally in the MeV range and their 
lifetimes are generally in the range of 10^{9}–10^{15} s. Because of their 
high energies and short lifetimes, the excited states are very rarely seen on Earth 
and, when there is no ambiguity, we denote by (A, Z) the ground state of the 
corresponding nucleus.

Answer 2

Sí, núcleos excitados emiten fotones en forma de muy enérgico $\gamma$ -rayos .

El hecho de que estas emisiones sean mucho más energéticas que los fotones VIS que emanan de las nubes de electrones excitados puede ser algo heurísticamente entendido observando el espectro de energía de un partícula en un $\text{1D}$ caja de longitud $L$ :

$$E_n=\frac{n^2h^2}{8mL^2}$$

Así que el energías de emisión son inversamente proporcional al tamaño del sistema :

$$\Delta E \propto \frac{1}{L^2}$$

De ello se deduce que sistemas más pequeños como los núcleos emiten fotones mucho más potentes que los átomos (nubes de electrones).

El contenido energético de un fotón VIS es de aproximadamente $2\text{ }\mathrm{eV}$ el de una gama media $\gamma$ -fotón sobre $1.2\times 10^6\text{ }\mathrm{eV}$ .

Por supuesto, ninguno de los sistemas anteriores son $\text{1D}$ cajas y en realidad no es más que una analogía útil.

Answer 3

Cuando los núcleos se encuentran en un estado excitado y decaen, a menudo liberan fotones (casi siempre en las energías gamma/rayos X). Un buen ejemplo de ello es la desintegración de isómeros nucleares metaestables .

Por ejemplo, la desintegración del Hafnio-178m2 (la "m" representa un isómero nuclear del Hafnio-178) produce un fotón de 2,5 MeV. Hay intentos de utilizar este isómero como arma . Uno de los isómeros nucleares de menor energía es Torio-229m que se desintegra en Torio-229, liberando un fotón de sólo unos 7,6 eV (ultravioleta lejano).

Otro isómero nuclear interesante es el Tantalio-180m, de vida extremadamente larga. Se trata de un núcleo primordial (es decir, si se obtiene una muestra de Tantalio, ésta contendrá algunos Tantalio-180m ), y tiene una vida media de más de $10^{15}$ años. Un modo de desintegración es caer a Tantalio-180, liberando un fotón de 77 keV. Lo curioso de este isómero es que, una vez que cae al estado basal (Tantalio-180), el núcleo en estado basal es menos estable que el isómero en estado excitado, ¡con una vida media de 8,1 horas!

Answer 4

La respuesta es sí. He aquí un ejemplo de la vida real en el que esto es importante.

Para producir la "señal", el escáner de resonancia magnética interactúa con los protones del cuerpo. Los protones orientados aleatoriamente se alinean con el potente campo magnético del interior del escáner. Una secuencia de pulsos de radiofrecuencia producida por el escáner, que se repite rápidamente, provoca la "excitación" y la "resonancia" de los protones. Al retirar cada pulso de radiofrecuencia, los protones se "relajan" para volver a alinearse con el campo magnético y, al hacerlo, emiten una "señal" de radiofrecuencia que el escáner detecta y transforma en una imagen.

Fuente: https://www.radiologymasterclass.co.uk/tutorials/mri/mri_signal

También puede ser interesante mencionar como una capa adicional de información que los quarks dentro del protón también se excitan de forma similar a un electrón. No llevan la misma clase SPDF, sino que forman Resonancias [Nucleónicas] que son estados excitados de protones/neutrones. Esta fue la base de mi trabajo de doctorado. En este caso emiten principalmente partículas en lugar de fotones (piones, kaones, nuevos nucleones, etc.).

Answer 5

Sí, se realizan muchos experimentos de la forma X(n,n'g)X para medir los niveles de energía de un núcleo. Un neutrón incidente se dispersa en el núcleo objetivo y si la energía del neutrón incidente es lo suficientemente alta dejará al núcleo objetivo en un estado excitado. Estos estados suelen decaer por la emisión de rayos gamma. El nivel de energía de un núcleo puede determinarse midiendo las energías de los rayos gamma.