¿Por qué se forman los núcleos inestables?

Question

¿Por qué se forman los núcleos inestables? ¿Es que simplemente encontramos núcleos inestables en la naturaleza y entendemos qué hacen estos núcleos para volverse más estables?

Creo que los libros de texto pasan por alto esta cuestión cuando abordan la radiactividad.

Answer 1

Existen varias formas de producir núcleos inestables:

• Fusión nuclear es una forma bastante común de producir núcleos inestables en la naturaleza. A energías suficientemente altas, los núcleos estables pueden fusionarse para crear núcleos inestables. Por ejemplo, una de las secuencias habituales de combustión de hidrógeno en las estrellas combina un núcleo de helio-3 y otro de helio-4 (ambos estables) en un núcleo de berilio-7, que es inestable y tiene una vida media de unos 53 días. Las estrellas suelen utilizar la fusión nuclear para producir la mayoría de los elementos, desde el boro hasta aproximadamente el hierro, durante su vida. También es la forma en que producimos muchos de los elementos sintéticos pesados en el laboratorio, cuando hacemos colisionar haces de iones con un blanco fijo.

• Captura de neutrones también puede convertir un núcleo estable en uno inestable. Como los neutrones no tienen carga, no se ven afectados por la repulsión de Coulomb de los protones del núcleo y pueden incorporarse con bastante facilidad incluso a un núcleo estable con la energía adecuada. Incluso materiales de construcción comunes como el hormigón y el acero pueden volverse radiactivos en presencia de suficiente radiación neutrónica con la energía adecuada. La captura de neutrones puede incluso inducir la fisión nuclear y, de hecho, éste es el mecanismo por el que funcionan los reactores nucleares de fisión. A menudo, estos reactores se ponen en marcha mediante un "cañón de neutrones" que inyecta neutrones de la energía adecuada en el núcleo del reactor. La captura de neutrones desempeña un papel destacado en la creación de elementos aún más pesados, en condiciones más extremas como supernovas, fusiones de estrellas de neutrones y otros sucesos cataclísmicos. En un proceso de nucleosíntesis estelar como el proceso r (abreviatura de "proceso de captura rápida de neutrones"), los núcleos semilla capturan neutrones para pasar a masas cada vez más pesadas. Esos isótopos pesados son inestables y sufren desintegración beta hacia la estabilidad. La mayoría de esos núcleos pesados tienen vidas medias extremadamente cortas, pero algunos núcleos del proceso r son lo suficientemente longevos como para encontrarse en la Tierra.

• Desintegración de otros núcleos inestables es bastante obvio, pero debe incluirse porque es un proceso distinto. La mayoría de los núcleos que vemos en la Tierra con vidas medias cortas son a su vez productos de desintegración de núcleos inestables con vidas medias más largas. Por ejemplo, el gas radón que se acumula en los sótanos es uno de los productos de desintegración del uranio-238 que ha estado en el suelo básicamente desde que se formó la Tierra.

• Interacciones entre neutrinos son una contribución minúscula, pero notable, a la nucleosíntesis. Un neutrino de alta energía tiene una probabilidad pequeña, pero no nula, de expulsar un protón o un neutrón de un núcleo. En las supernovas, hay una asombroso la cantidad de neutrinos producidos (un "y si " obligatorio de xkcd: https://what-if.xkcd.com/73/ ); como hay tantos neutrinos de alta energía volando por ahí, en realidad se produce un número no despreciable de reacciones nucleares inducidas por neutrinos, y actualmente se cree que la nucleosíntesis inducida por neutrinos explica en parte las abundancias observadas de algunos núcleos ligeros numerados impar, como el flúor-19.

No se trata necesariamente de una lista exhaustiva, pero observará que contiene tanto ejemplos encontrados en la naturaleza como ejemplos producidos en el laboratorio.

Answer 2

No hay ningún principio fundamental que haga que los estados inestables no puedan existir. Simplemente, al ser inestables, no existirán durante mucho tiempo. Por ejemplo, tomemos un cono. Se puede colocar el cono sobre una mesa con la base en la parte inferior, y sería estable ("estable" significa que si se produce una pequeña perturbación, el objeto vuelve a su estado original). También se podría colocar el cono sobre una mesa con la punta en la parte inferior, lo que sería inestable. El estado inestable no se mantendrá durante mucho tiempo -el más mínimo viento hará que el cono se vuelque-, pero en principio se puede hacer.

Lo mismo ocurre con los núcleos inestables. Se pueden fabricar núcleos inestables, y se fabrican, por ejemplo, en las estrellas o en los aceleradores de partículas. No es de esperar que duren mucho, y de hecho muchos no lo hacen (aunque también hay núcleos inestables que duran millones de años), pero aún así se pueden fabricar.

¿Por qué hacerlos? En las estrellas, son simplemente una consecuencia de las otras cosas que están pasando. En los aceleradores de partículas, es porque queremos hacerlos por la razón que sea.

Answer 3

Parece que estás pensando que los núcleos inestables deben formarse por un proceso especial que los demás núcleos no tienen. Esto es incorrecto: se forman exactamente por los mismos procesos que los núcleos estables, y si quieres saber cuáles son, tu pregunta es "¿cómo se núcleos sin distinción de estabilidad. La respuesta básica es que se forman al unir núcleos más pequeños o al separar núcleos más grandes, y teniendo en cuenta que un solo protón o un solo neutrón también son núcleos, los más pequeños posibles, al igual que un grupo que contiene una persona puede considerarse un "grupo" en sentido natural.

En cuanto a cómo los núcleos inestables se vuelven estables, la respuesta es que lo hacen a través de la desintegración, es decir, la radiactividad.

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Ahora bien, si también se pregunta " por qué ¿son algunos núcleos inestables y otros estables?", eso es la parte guay. Verás, el núcleo atómico es básicamente un tira y afloja a tres bandas entre 3 tipos diferentes de fuerzas:

1. Una de estas fuerzas es la fuerza electromagnética . Esta fuerza se debe a las cargas positivas de los protones. Las cargas positivas -o cualquier carga eléctrica de la misma polaridad- muy próximas, intentan repelerse. Esta fuerza, por lo tanto, quiere volar el núcleo .
2. La otra fuerza es la fuerza fuerte residual . Esta fuerza es más difícil de explicar, pero básicamente resulta en una atracción muy fuerte de protones y neutrones entre sí (en cualquier combinación), una vez que están convenientemente cerca. Esta fuerza quiere atiborrar el núcleo . Sin embargo, la fuerza disminuye muy rápidamente con la distancia, mucho más rápidamente que el cuadrado inverso de la fuerza electromagnética, aunque a distancias cortas la supera ampliamente en fuerza.
3. La tercera fuerza es muy extraño porque, al menos en este contexto, no es lo que normalmente se considera una "fuerza", es decir, algo que empuja y tira de las cosas, sino que lo que hace es cambiar protones y neutrones entre sí, y su objetivo es, por tanto, "tirar" de sus números hacia un equilibrio. Esta "fuerza" se denomina interacción débil .

Dependiendo de cómo vaya el balance de estas tres fuerzas, el núcleo estará en equilibrio, o estable, o no lo estará, y por tanto inestable, y las fuerzas actuarán juntas para moverlo hacia ese equilibrio, cambiándolo como sea, por ejemplo expulsando partes y convirtiendo protones/neutrones unos en otros hasta que se alcance la condición de equilibrio.

Answer 4

Los núcleos inestables se forman de muchas maneras diferentes. En primer lugar, muchos se crean en estrellas viejas, especialmente cuando explotan como supernovas. Este es el caso de todos los elementos con números atómicos superiores al Hierro, ya que no se forman durante la vida normal de una estrella.

Como resultado, elementos como $^{238}U$ con una vida media de 4.500 millones de años, se formaron en supernovas y son más antiguas que el sistema solar. Sin embargo $^{235}U$ tiene una vida media de sólo 700 millones de años. Sólo alrededor del 1% de cualquier $^{235}U$ se formó antes de que existiera el sistema solar. Este problema es aún peor con isótopos con vidas medias aún más cortas, p. ej. $^{14}C$ que tiene una vida media de sólo 5700 años.

Estos isótopos se forman aquí en la Tierra a través de diversos procesos. Por ejemplo, $^{14}C$ se crea cuando las partículas (rayos cósmicos o partículas solares) golpean $^{14}N$ átomos

Answer 5

Las preguntas "por qué" en física pueden responderse de dos maneras:

1) eso es lo que observamos

2) tenemos un modelo matemático que explica las observaciones y detalla cómo se forman los núcleos inestables. El modelo se valida mediante predicciones correctas, y podemos explicar cómo pueden existir núcleos inestables.

Estamos en el segundo modo: dado que existen núcleos inestables, podemos explicar cómo y por qué existen en esa forma concreta utilizando nuestros modelos.

Los modelos son mecánicos cuánticos y también dependen de la relatividad especial.

Al igual que los modelos atómicos, predicen niveles de energía para los núcleos, sobre cómo protones y neutrones pueden llenar niveles de energía cumpliendo la conservación del número cuántico y la Principio de exclusión de Pauli .

Con el modelo atómico, los electrones están en envolturas alrededor del núcleo, y la inestabilidad aparece por interacciones, cuando los electrones están en estados de salida y existen niveles de energía más bajos a los que el átomo puede relajarse emitiendo un fotón.

Con el modelo de envoltura nuclear

La evidencia de un tipo de estructura de cáscara y un número limitado de estados de energía permitidos sugiere que un nucleón se mueve en algún tipo de pozo de potencial efectivo creado por las fuerzas de todos los demás nucleones. Esto conduce a la cuantización de la energía de forma similar al pozo cuadrado y a los potenciales del oscilador armónico. Dado que los detalles del pozo determinan las energías, se han dedicado muchos esfuerzos a la construcción de pozos de potencial para el modelado de los niveles de energía nuclear observados.

La inestabilidad aparecerá en los productos de desintegración de núcleos de larga vida pero inestables, o en las interacciones, como ocurrió en nucleosíntesis tiempo en los modelos cosmológicos.

Es un problema de muchos cuerpos. Cada nucleón en un potencial efectivo es creado por la presencia de todos los demás nucleones, obedeciendo todas las reglas cuánticas, incluyendo la conservación de la energía y la conservación del momento angular.

Existen soluciones en el modelo para varios estados energéticos. Como en todos los modelos cuánticos, un estado de mayor energía caerá a un estado de menor energía si todas las reglas de conservación de los números cuánticos lo permiten. Los estados de mayor energía tienen una probabilidad (esto es mecánica cuántica y se trata de probabilidades) de decaer a los estados inferiores, y eso se puede calcular como un tiempo de vida para la desintegración. Los modelos de envoltura del núcleo pueden predecir el tiempo de desintegración y los productos de desintegración, porque en general el modelo de envoltura es un modelo validado. Por lo tanto, si existe un nivel de energía inferior para los núcleos y no se viola la conservación de los números cuánticos, se producirá una desintegración a un núcleo final con un nivel de energía estable (vida larga) en el modelo de envoltura.

Así que la respuesta matemática es: debido a la mecánica cuántica y a las leyes de conservación. Merece la pena leer el enlace proporcionado.