isóbaros estables por desintegración beta

Los isóbaros estables frente a la desintegración beta son el conjunto de nucleidos que no pueden sufrir desintegración beta , es decir, la transformación de un neutrón en un protón o de un protón en un neutrón dentro del núcleo . Un subconjunto de estos nucleidos también es estable frente a la desintegración beta doble o, teóricamente, a la desintegración beta simultánea de mayor energía, ya que poseen la energía más baja de todos los isóbaros con el mismo número másico .

Este conjunto de nucleidos también se conoce como la línea de estabilidad beta , un término que ya se usaba comúnmente en 1965. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Esta línea se encuentra a lo largo del fondo del valle de estabilidad nuclear .

La línea de estabilidad beta se puede definir matemáticamente encontrando el nucleido con la mayor energía de enlace para un número másico dado, mediante un modelo como la fórmula de masa semiempírica clásica desarrollada por C.F. Weizsäcker . Estos nucleidos son máximos locales en términos de energía de enlace para un número másico dado.

Cada familia de isóbaros tiene solo hasta tres nucleidos beta estables. Cada una con un número másico impar tiene solo un nucleido beta estable.

Entre los de número másico par, cinco (124, 130, 136, 150, 154) tienen tres nucleidos beta estables. Ninguno tiene más de tres; todos los demás tienen uno o dos.

• Del 2 al 34 , todos tienen solo uno.
• De 36 a 72, solo ocho (36, 40, 46, 50, 54, 58, 64, 70) tienen dos, y los 11 restantes tienen uno.
• Del 74 al 122, tres (88, 90, 118) tienen uno, y los 22 restantes tienen dos.
• Del 124 al 154, solo uno (140) tiene uno, cinco tienen tres y los 10 restantes tienen dos.
• Del número 156 al 262, solo dieciocho tienen uno, y los 36 restantes tienen dos, aunque también puede haber algunos aún por descubrir.

Todos los nucleidos primordiales son estables a la desintegración beta, con la excepción de ⁴⁰ K, ⁵⁰ V, ⁸⁷ Rb, ¹¹³ Cd, ¹¹⁵ In, ¹³⁸ La, ¹⁷⁶ Lu y ¹⁸⁷ Re. Además, no se ha observado la desintegración de ¹²³ Te y ^180m Ta, pero se cree que experimentan desintegración beta con vidas medias extremadamente largas (más de 10 ¹⁵ años). Teóricamente, ¹²³ Te solo puede experimentar captura electrónica a ¹²³ Sb, mientras que ^180m Ta puede desintegrarse en ambas direcciones, a ¹⁸⁰ Hf o ¹⁸⁰ W. Entre los nucleidos no primordiales, hay algunos otros casos de desintegración beta teóricamente posible pero nunca observada, incluyendo notablemente ²²² Rn ^{[ 3 ]} y ²⁴⁷ Cm (los isótopos más estables de sus elementos considerando todos los modos de desintegración). Finalmente, no se ha observado que el ^48Ca experimente desintegración beta (teóricamente posible), la cual está extremadamente suprimida, pero sí se ha observado desintegración beta doble. Una supresión similar de la desintegración beta simple ocurre también para el ^148Gd , un emisor alfa de vida relativamente corta; y también para ^{el 96Zr} , donde la desintegración beta simple es nuevamente posible, pero está suprimida hasta el punto de tener una vida media un orden de magnitud mayor que la desintegración beta doble. ^{[ 4 ]}

Se sabe que todos los elementos hasta el nobelio inclusive , con excepción del tecnecio , el prometio y el mendelevio , poseen al menos un isótopo beta estable. Se sabe que el tecnecio y el prometio no tienen isótopos beta estables; las incertidumbres de medición actuales no son suficientes para determinar si el mendelevio los posee o no.

Se han identificado definitivamente 346 nucleidos (incluido ^{el 260 Fm, cuyo descubrimiento no está confirmado) como beta-estables. [ 5 ] [ 6 ]} La desintegración beta doble predicha teóricamente u observada experimentalmente se muestra mediante flechas, es decir, las flechas apuntan hacia el isóbaro de menor masa. Esto a veces está dominado por la desintegración alfa o la fisión espontánea , especialmente para los elementos pesados. Los modos de desintegración observados se enumeran como α para la desintegración alfa, SF para la fisión espontánea y n para la emisión de neutrones en el caso especial del ^{5 He. Para la masa 5 no hay isóbaros ligados; la masa 8 tiene isóbaros ligados, pero el 8} Be beta-estable no está ligado. ^{[ 7 ]}

Existen dos nucleidos estables de desintegración beta para números de neutrones impares 1 ( ² H y ³ He), 3 ( ⁵ He y ⁶ Li – el primero tiene una vida media extremadamente corta), 5 ( ⁹ Be y ¹⁰ B), 7 ( ¹³ C y ¹⁴ N), 55 ( ⁹⁷ Mo y ⁹⁹ Ru) y 85 ( ¹⁴⁵ Nd y ¹⁴⁷ Sm); los primeros cuatro casos involucran nucleidos muy ligeros donde los nucleidos impares-impares son más estables que sus isóbaros pares-pares circundantes, y los dos últimos rodean los números de protones 43 y 61 que no tienen isótopos estables de desintegración beta. Además, existen dos nucleidos estables de desintegración beta para números de protones impares 1, 3, 5, 7, 17, 19, 29, 31, 35, 47, 51, 63, 77, 81 y 95; Los primeros cuatro casos involucran nucleidos muy ligeros donde los nucleidos impares-impares son más estables que sus isóbaros pares-pares circundantes, y los demás números rodean los números de neutrones 19, 21, 35, 39, 45, 61, 71, 89, 115, 123, 147 que no tienen isótopos beta estables. (Para N = 21 existe el ⁴⁰ K primordial de larga vida , y para N = 71 existe el ¹²³ Te cuya captura electrónica aún no se ha observado, pero ninguno de los dos es beta estable).

Todos los números pares de protones 2 ≤ Z ≤ 102 tienen al menos dos nucleidos estables de desintegración beta, con exactamente dos para Z = 4 ( ⁸ Be y ⁹ Be – el primero con una vida media extremadamente corta) y 6 ( ¹² C y ¹³ C). Además, los únicos números pares de neutrones con solo un nucleido estable de desintegración beta son 0 ( ¹ H) y 2 ( ⁴ He); Existen al menos dos nucleidos estables a la desintegración beta para números pares de neutrones en el rango 4 ≤ N ≤ 160, con exactamente dos para N = 4 ( ⁷ Li y ⁸ Be), 6 ( ¹¹ B y ¹² C), 8 ( ¹⁵ N y ¹⁶ O), 66 ( ¹¹⁴ Cd y ¹¹⁶ Sn, teniendo en cuenta también el primordial pero no estable a la desintegración beta ¹¹⁵ In), 120 ( ¹⁹⁸ Pt y ²⁰⁰ Hg) y 128 ( ²¹² Po y ²¹⁴ Rn, ambos muy inestables a la desintegración alfa ). Existen siete nucleidos estables de desintegración beta para el mágico N = 82 ^{[ i ]} y cinco para N = 20 ^{[ ii ]} , 50 ^{[ iii ]} , 58 ^{[ iv ]} , 74 ^{[ v ]} , 78 ^{[ vi ]} , 88 ^{[ vii ]} y 90 ^{[ viii ]} .

Para A ≤ 209, los únicos nucleidos estables a la desintegración beta que no son nucleidos primordiales son ⁵ He, ⁸ Be, ¹⁴⁶ Sm, ¹⁵⁰ Gd y ¹⁵⁴ Dy. ( ¹⁴⁶ Sm tiene una vida media lo suficientemente larga como para que apenas deba sobrevivir como nucleido primordial, pero nunca se ha confirmado experimentalmente como tal). Se sabe que todos los nucleidos estables a la desintegración beta con A ≥ 209 experimentan desintegración alfa, aunque para algunos, la fisión espontánea es el modo de desintegración dominante. La desintegración en cúmulos también es posible en ocasiones, pero en todos los casos conocidos es una rama menor en comparación con la desintegración alfa o la fisión espontánea. La desintegración alfa es energéticamente posible para todos los nucleidos estables a la desintegración beta con A ≥ 165 con la única excepción de ²⁰⁴ Hg, pero en la mayoría de los casos el valor Q es lo suficientemente pequeño como para que dicha desintegración nunca se haya observado. ^{[ 8 ]}

Con la excepción del ²⁶² , actualmente no se conocen nucleidos con A > 260 que sean beta-estables. Además, los núcleos beta-estables conocidos para masas individuales A = 222, A = 256 y A ≥ 258 (que corresponden a números de protones Z = 86 y Z ≥ 98, o a números de neutrones N = 136 y N ≥ 158) pueden no representar el conjunto completo. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Se espera que los patrones generales de estabilidad beta continúen en la región de elementos superpesados , aunque la ubicación exacta del centro del valle de estabilidad depende del modelo. Se cree ampliamente que existe una isla de estabilidad a lo largo de la línea de estabilidad beta para los isótopos de elementos cercanos al copernicio que se estabilizan mediante cierres de capa en la región; dichos isótopos se desintegrarían principalmente por desintegración alfa o fisión espontánea. ^{[ 13 ]} Más allá de la isla de estabilidad, varios modelos que predicen correctamente muchos isótopos beta-estables conocidos también predicen anomalías en la línea de estabilidad beta que no se observan en ningún nucleido conocido, como la existencia de dos nucleidos beta-estables con el mismo número másico impar. ^{[ 9 ] [ 14 ]} Esto es consecuencia del hecho de que una fórmula de masa semiempírica debe considerar la corrección de capa y la deformación nuclear, que se vuelven mucho más pronunciadas para los nucleidos pesados. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Los núcleos beta estables totalmente ionizados (con todos los electrones arrancados) son algo diferentes. En primer lugar, si un nucleido rico en protones solo puede desintegrarse por captura electrónica (porque la diferencia de energía entre el padre y el hijo es menor que 1,022 MeV , la cantidad de energía de desintegración necesaria para la emisión de positrones ), entonces la ionización completa hace que la desintegración sea imposible. Esto sucede, por ejemplo, para ^{el 7} Be. ^{[ 16 ]} Además, a veces la diferencia de energía es tal que, mientras que la desintegración β ⁻ viola la conservación de la energía para un átomo neutro, la desintegración β ⁻ de estado ligado (en la que el electrón de desintegración permanece ligado al hijo en un orbital atómico) es posible para el núcleo desnudo correspondiente. Dentro del rango 2 ≤ A ≤ 270 , esto significa que ¹⁶³ Dy, ¹⁹³ Ir, ²⁰⁵ Tl, ²¹⁵ At y ²⁴³ Am, entre los nucleidos neutros beta-estables, dejan de ser beta-estables como nucleidos desnudos y son reemplazados por sus hijos ¹⁶³ Ho, ¹⁹³ Pt, ²⁰⁵ Pb, ²¹⁵ Rn y ²⁴³ Cm ( se ha observado la desintegración β ⁻ en estado ligado para ¹⁶³ Dy y ²⁰⁵ Tl, y se predice para ¹⁹³ Ir, ²¹⁵ At y ²⁴³ Am). ^{[ 17 ]} 

La desintegración beta generalmente provoca que los nucleidos se desintegren hacia el isóbaro de menor masa (que suele ser, aunque no siempre, el de mayor energía de enlace) con el mismo número másico. Aquellos con menor número atómico y mayor número de neutrones que el isóbaro de masa mínima experimentan desintegración beta menos , mientras que aquellos con mayor número atómico y menor número de neutrones experimentan desintegración beta más o captura electrónica .

Sin embargo, existen algunos nucleidos impares entre dos isóbaros pares-pares estables beta, que decaen predominantemente al isóbaro de mayor masa. Por ejemplo, ^{el 40} K podría experimentar captura electrónica o emisión de positrones para formar el ⁴⁰ Ar, o bien desintegración beta menos para formar el ⁴⁰ Ca: ambos productos posibles son estables beta. El primer proceso produciría el isóbaro más ligero, pero el segundo es más común.

• Masas isotópicas de:
  • Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación NUBASE2020 de las propiedades nucleares" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .

• Cadenas de desintegración https://www-nds.iaea.org/relnsd/NdsEnsdf/masschain.html
• (Ruso) Núclidos estables a la desintegración beta hasta Z = 118 (los datos para Z ≥ 102 son predicciones)