Física nuclear

• Núcleo • Nucleones (p, n) • Materia nuclear • Fuerza nuclear • Estructura nuclear • Procesos nucleares

La línea de goteo nuclear es el límite más allá del cual los núcleos atómicos emiten espontáneamente un protón o un neutrón.

Una combinación arbitraria de protones y de neutrones no necesariamente produce un núcleo atómico estable. Se puede pensar en moverse hacia arriba o hacia la derecha a través de la tabla de nucleidos añadiendo un protón o un neutrón, respectivamente, a un núcleo determinado. Sin embargo, agregar nucleones uno por uno a un núcleo determinado finalmente conducirá a un núcleo recién formado que se desintegrará inmediatamente emitiendo un protón (o neutrón). Hablando coloquialmente, el nucleón se ha filtrado o ha goteado fuera del núcleo, dando origen al término línea de goteo.

Las líneas de goteo están definidas para protones y neutrones en el límite de la relación neutrones-protones. Con proporciones p:n en o más allá de las líneas de goteo, no pueden existir núcleos estables. Si bien la ubicación de la línea de goteo de protones es bien conocida para muchos elementos, la ubicación de la línea de goteo de neutrones solo se conoce para elementos hasta el neón.

Descripción general La estabilidad nuclear se limita a aquellas combinaciones de protones y de neutrones descritas por la tabla de nucleidos, localizadas en las ubicaciones que conforman el denominado valle de estabilidad. Los límites de este valle son la línea de goteo de neutrones en el lado rico en neutrones y la línea de goteo de protones en el lado rico en protones. Estos límites existen debido a la desintegración de partículas, de forma que puede producirse una transición nuclear exotérmica mediante la emisión de uno o más nucleones (no confundir con la desintegración de partículas en la física de partículas). Como tal, la línea de goteo puede definirse como el límite más allá del cual la energía de separación del protón o del neutrón se vuelve negativa, favoreciendo la emisión de una partícula desde un sistema libre recién formado.

Transiciones permitidas Al considerar si una transmutación nuclear específica, una reacción o una desintegración, está energéticamente permitida, solo es necesario sumar las masas del núcleo o núcleos iniciales y restar de ese valor la suma de las masas de las partículas del producto. Si el resultado, o valor Q, es positivo, entonces se permite la transmutación y es exotérmica porque libera energía; y si el valor Q es una cantidad negativa, entonces es endotérmica, ya que se debe agregar al menos esa cantidad de energía al sistema antes de que pueda producirse la transmutación. Por ejemplo, para determinar si el 12C, el isótopo de carbono más común, puede sufrir una emisión de protones para pasar a ser 11B, se encuentra que se deben agregar aproximadamente 16 MeV al sistema para que se permita este proceso.Wang, M.; Audi, G.; Kondev, F. G.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Xu, X. (2017). "The AME2016 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references" (PDF). Chinese Physics C. 41 (3): 030003-1–030003-442. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030003 Si bien los valores Q se pueden usar para describir cualquier transmutación nuclear, para la desintegración de partículas también se usa la cantidad de energía de separación de partículas S, que es equivalente al valor de Q en negativo. En otras palabras, la energía de separación de protones Sp indica cuánta energía se debe agregar a un núcleo determinado para liberar un solo protón. Así, las líneas de goteo de partículas definen los límites donde la energía de separación de partículas es menor o igual a cero, por lo que energéticamente es posible la emisión espontánea de esa partícula. Thoennessen, M. (2016). The Discovery of Isotopes: A Complete Compilation. Springer. (págs.275–292) doi:10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN 2016935977

Aunque la ubicación de las líneas de goteo está bien definida como el límite más allá del cual la energía de separación de partículas se vuelve negativa, la definición de qué constituye un núcleo o una resonancia libre no está clara. Algunos núcleos conocidos de elementos ligeros más allá de las líneas de goteo se desintegran con vidas del orden de 10−22 segundos, duración que a veces se define como un límite de la existencia nuclear porque varios procesos nucleares fundamentales (como la vibración y la rotación) ocurren en esta escala de tiempo. Para núcleos más masivos, las vidas medias de emisión de partículas pueden ser significativamente más largas debido a una barrera de Coulomb más fuerte, lo que permite que se produzcan otras transiciones como la desintegración alfa y la desintegración beta. Esto dificulta la determinación inequívoca de las líneas de goteo, ya que los núcleos con vidas lo suficientemente largas como para ser observadas existen mucho más que la escala de tiempo de emisión de partículas y lo más probable es que estén unidos. En consecuencia, los núcleos formados por partículas libres son difíciles de observar directamente y, en cambio, se pueden identificar a través de su energía de desintegración.

Origen en la estructura nuclear de las líneas de goteo La energía de un nucleón en un núcleo es su energía de masa en reposo menos la energía de unión. Además de esto, existe una energía debida a la degeneración: por ejemplo, un nucleón con energía E1 se verá obligado a tener una energía más alta E2 si todos los estados con energías más bajas están llenos. Esto se debe a que los nucleones son fermiones y obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. El trabajo realizado para llevar este nucleón a un nivel de energía más alto da como resultado una presión, denominada presión degenerada. Cuando la energía de enlace efectiva, o energía de Fermi, llega a cero, no es posible agregar un nucleón del mismo isoespín al núcleo, ya que el nuevo nucleón tendría una energía de enlace efectiva negativa, es decir, es más energéticamente favorable (el sistema tendrá la energía total más baja) para que el nucleón se cree fuera del núcleo. Esto define el punto de goteo de partículas para esa especie.

Líneas de goteo de una y dos partículas En muchos casos, los nucleidos en las líneas de goteo no son contiguos, sino que están separados por las llamadas líneas de goteo de una y dos partículas. Esto es una consecuencia de que los números de nucleones pares e impares afectan a la energía de enlace, ya que los nucleidos con un número par de nucleones generalmente tienen una energía de enlace más alta y, por lo tanto, una mayor estabilidad que los núcleos impares adyacentes. Estas diferencias de energía dan como resultado la línea de goteo de una partícula en un nucleido con Z impar o N impar, para lo que la emisión rápida de protones o neutrones es energéticamente favorable en ese nucleido y en todos los demás nucleidos impares más alejados de la línea de goteo. Sin embargo, el siguiente nucleido par fuera de la línea de goteo de una partícula aún puede ser estable si su energía de separación de dos partículas no es negativa. Esto es posible porque la energía de separación de dos partículas es siempre mayor que la energía de separación de una partícula, y una transición a un nucleido impar menos estable está energéticamente prohibida. La línea de goteo de dos partículas se define así donde la energía de separación de dos partículas se vuelve negativa y denota el límite más externo para la estabilidad de las partículas de una especie.

Las líneas de goteo de uno y dos neutrones se han determinado experimentalmente hasta el neón, aunque los isótopos libres con N impar se conocen o se han deducido (sin poder observarlos directamente) para cada elemento hasta el magnesio. Por ejemplo, el último isótopo del flúor con N impar estable es el 26F,Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. (2017). "The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties" (PDF). Chinese Physics C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. aunque el último isótopo con N par estable es el 31F.

Los núcleos cerca de las líneas de goteo son poco comunes en la Tierra De los tres tipos de radioactividades que se producen de forma natural (α, β y γ), solo la desintegración alfa es un tipo de descomposición resultante de la interacción nuclear fuerte. Las otras desintegraciones de protones y de neutrones ocurrieron mucho antes en la vida de las especies atómicas y antes de que se formara la Tierra. Por tanto, la desintegración alfa puede considerarse una forma de desintegración de partículas o, con menos frecuencia, como un caso especial de fisión nuclear. La escala de tiempo de la interacción nuclear fuerte es mucho más breve que la de la interacción nuclear débil o la de la fuerza electromagnética, por lo que la vida útil de los núcleos más allá de las líneas de goteo suele ser del orden de nanosegundos o menos. Para la desintegración alfa, la escala de tiempo puede ser mucho más larga que para la emisión de protones o neutrones, debido a la alta barrera de Coulomb que experimenta un agregado alfa en un núcleo (la partícula alfa debe atravesar la barrera a través de un túnel). Como consecuencia, no hay núcleos naturales en la Tierra que experimenten emisión de protones o emisión de neutrones. Sin embargo, dichos núcleos se pueden crear, por ejemplo, en el laboratorio con aceleradores de partículas o de forma natural en los procesos de nucleosíntesis estelar. La Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Míchigan entró en funcionamiento a mediados de 2022 y está previsto que cree nuevos radioisótopos, que se extraerán en un haz y se utilizarán para su estudio. Utiliza un proceso que consiste en hacer pasar un haz de isótopos relativamente estables a través de un medio material, lo que altera los núcleos y crea numerosos núcleos nuevos, que luego se extraen.

Nucleosíntesis Los eventos astrofísicos explosivos a menudo generan flujos muy grandes de nucleones de alta energía que pueden capturarse en núcleos semilla. En estos entornos, la captura radiactiva de protones o de neutrones es mucho más rápida que la desintegración beta, y como en la actualidad se desconocen entornos astrofísicos con grandes flujos de neutrones y protones de alta energía, el flujo de reacción se alejará de la estabilidad beta hacia o hasta cualquiera de las dos líneas de goteo de neutrones o protones, respectivamente. Sin embargo, una vez que un núcleo alcanza una línea de goteo, como se ha visto, no se pueden agregar más nucleones de esa especie al núcleo en particular, y ese núcleo experimenta una desintegración beta antes de que puedan ocurrir más capturas de nucleones.

Fotodesintegración Si bien las líneas de goteo imponen los límites finales para la nucleosíntesis, en entornos de alta energía la ruta de combustión puede verse limitada antes de que la fotodesintegración llegue a las líneas de goteo, donde un rayo gamma de alta energía expulsa un nucleón de un núcleo. El mismo núcleo está sujeto a un flujo de nucleones y fotones, por lo que se alcanza un equilibrio en el que la masa se acumula en especies nucleares particulares.

Como el baño de fotones normalmente se describirá mediante una distribución planckiana, los fotones de mayor energía serán menos abundantes y, por lo tanto, la fotodesintegración no será significativa hasta que la energía de separación de los nucleones comience a acercarse a cero cerca de las líneas de goteo, donde la fotodesintegración puede ser inducida por una energía de rayos gamma más baja. A 109 kelvin, la distribución de fotones es lo suficientemente energética como para eliminar nucleones de cualquier núcleo que tenga energías de separación de partículas inferiores a 3 MeV, pero para saber qué núcleos existen en qué abundancias también se deben considerar las capturas radiativas en competencia.