Núcleos atómicos pares e impares

La desintegración beta de un núcleo par-par produce un núcleo impar-impar, y viceversa. Un número par de protones o neutrones es más estable (mayor energía de enlace ) debido a los efectos de apareamiento , por lo que los núcleos par-par son mucho más estables que los impar-impar. Un efecto es que hay pocos nucleidos impar-impar estables, pero otro efecto es evitar la desintegración beta de muchos núcleos par-par en otro núcleo par-par del mismo número másico pero de menor energía, porque la desintegración que procede paso a paso tendría que pasar por un núcleo impar-impar de mayor energía. La doble desintegración beta directamente de par-par a par-par saltándose un nucleido impar-impar solo es posible ocasionalmente, e incluso entonces con una vida media de más de mil millones de veces la edad del universo . Por ejemplo, el emisor de doble beta ¹¹⁶El Cd tiene una vida media de2,69 × 10 ¹⁹ años. Esto da como resultado un mayor número de nucleidos par-par estables, con algunos números de masa que tienen dos nucleidos estables, y un elemento (número atómico), el estaño , que tiene hasta siete .

Por ejemplo, la extrema estabilidad del helio-4 debido al doble apareamiento (dos protones, dos neutrones, que llenan la capa más baja ) impide que cualquier nucleido que contenga cinco u ocho nucleones exista el tiempo suficiente para servir como plataforma para la acumulación de elementos más pesados ​​mediante fusión nuclear en la nucleosíntesis del Big Bang ; solo en las estrellas hay tiempo suficiente para esto (véase el proceso triple alfa ). Esta es también la razón por la que ^{el 8} ₄ Be se desintegra tan rápidamente en dos partículas alfa , lo que convierte al berilio en el único elemento de número par que es monoisotópico .

Hay 145 nucleidos pares-pares estables, que forman ~58% de los 251 nucleidos estables. También hay 23 nucleidos pares-pares primordiales actualmente conocidos que son radiactivos. Como resultado, muchos de los 41 elementos de número par del 2 al 82 tienen muchos isótopos primordiales . Con 145 isótopos, tienen un promedio de 145/41 ~ 3,54 isótopos estables cada uno. El isótopo par-par estable más ligero es ⁴ ₂ He y el más pesado es ²⁰⁸ ₈₂ Pb . Estos son también los nucleidos doblemente mágicos conocidos más ligeros y más pesados. ^{[ 2 ] 208} ₈₂ Pb es el producto de desintegración final de ²³² ₉₀ Th , un radionúclido primordial con un número par de protones y neutrones. ²³⁸ ₉₂ U es otro radionúclido primordial de este tipo con una vida media de 4.463 mil millones de años; Estos dos, con sus productos de desintegración, producen cada uno casi la mitad del calor radiactivo dentro de la Tierra. ^{[ 3 ]}

Todos los nucleidos par-par tienen espín 0 en su estado fundamental, debido al principio de exclusión de Pauli . ( Para más detalles, consulte el efecto de apareamiento ).

Solo cinco nucleidos estables contienen tanto un número impar de protones como un número impar de neutrones. Los primeros cuatro nucleidos "impar-impar" se encuentran en elementos ligeros, para los cuales cambiar un protón por un neutrón o viceversa daría lugar a una relación protón-neutrón muy desequilibrada ( ² ₁ H , ⁶ ₃ Li , ¹⁰ ₅ B y ¹⁴ ₇ N ; espines 1, 1, 3, 1). Los cuatro isótopos tienen el mismo número de protones y neutrones, y todos tienen un número impar para su espín nuclear . El único otro nucleido impar-impar observablemente estable es ^180m ₇₃ Ta (espín 9), el único isómero nuclear primordial , que aún no se ha observado que se desintegre a pesar de los intentos experimentales. ^{[ 4 ]} Also, four long-lived radioactive odd–odd nuclides – ⁴⁰ ₁₉ K (the most common radioisotope in the human body ^{[ 5 ] [ 6 ]} ), ⁵⁰ ₂₃ V , ¹³⁸ ₅₇ La , and ¹⁷⁶ ₇₁ Lu with spins 4, 6, 5, 7, respectively – occur naturally. As in the case of ^180m ₇₃ Ta decay of high spin nuclides by beta decay (including electron capture ), gamma decay , or (to a lesser extent) internal conversion is greatly inhibited if the only decay possible between isobar nuclides (or in the case of ^180m ₇₃ Ta between nuclear isomers) involves a large change in spin, the "preferred" change of spin that is associated with rapid decay being 0 or 1 for beta decay and also 2 for gamma decay . Esta inhibición de la desintegración por alto espín es la causa de los cinco nucleidos pesados, estables o de larga vida con número impar de protones y neutrones, mencionados anteriormente. Como ejemplo de este efecto, donde se resta el efecto del espín, el tantalio-180, producto de desintegración (teórica) de bajo espín (impar-impar) del tantalio-180m primordial, tiene una vida media de tan solo 8,15 horas.

Se conocen muchos radionúclidos impares-impares (como el estado fundamental del tantalio-180) con vidas medias relativamente cortas. Estos casi siempre se desintegran por desintegración beta positiva o negativa, para producir isótopos pares-pares estables que tienen protones y neutrones apareados. En algunos radionúclidos impares-impares donde la relación de protones a neutrones está cerca de la línea de estabilidad , esta desintegración puede proceder en cualquier dirección, convirtiendo un protón en un neutrón, o viceversa. Un ejemplo es el ⁶⁴ ₂₉ Cu , que puede desintegrarse por emisión de positrones o captura electrónica a ⁶⁴ ₂₈ Ni o por emisión electrónica a ⁶⁴ ₃₀ Zn .

De los nueve nucleidos impares primordiales (cinco estables y cuatro radiactivos), solo ¹⁴ ₇ N es el isótopo más común de un elemento común. Esto se debe a que la captura de protones en ¹⁴ ₇ N es el paso limitante de la velocidad del ciclo CNO-I . ⁶ ₃ Li y ¹⁰ ₅ B son isótopos minoritarios de elementos que son raros en comparación con otros elementos ligeros, mientras que los otros seis isótopos constituyen solo un pequeño porcentaje de la abundancia natural de sus elementos. Por ejemplo, se cree que ^180m ₇₃ Ta es el más raro de todos los nucleidos estables .

Ningún nucleido primordial impar-impar tiene espín 0 en su estado fundamental. Esto se debe a que el neutrón y el protón desapareados presentan una mayor atracción nuclear entre sí si sus espines están alineados (produciendo un espín total de al menos 1 unidad), en lugar de estar antialineados. Véase el deuterio como el caso más simple de este comportamiento nuclear.

Estos 48 nucleidos estables, estabilizados por su número par de neutrones apareados, forman la mayoría de los isótopos estables de los elementos de número impar; los pocos nucleidos impar-impar constituyen los demás. Hay 41 elementos de número impar con Z = 1 a 81, de los cuales 30 (incluido el hidrógeno, ya que cero es un número par ) tienen un isótopo impar-par estable, el tecnecio (₄₃ Tc) yprometio(₆₁ Pm) no tienen isótopos estables y nueve elementos:cloro(₁₇ Cl), potasio(₁₉ K), cobre(₂₉ Cu), galio(₃₁ Ga), bromo(₃₅ Br), plata(₄₇ Ag), antimonio(₅₁ Sb), iridio(₇₇ Ir), ytalio(₈₁ Tl), tienen dos isótopos estables pares-impares cada uno, para un total de 48 isótopos estables pares-impares. El ejemplo más ligero de este tipo de nucleido es ¹ ₁ H(protio) mientras que el ejemplo más pesado es ²⁰⁵ ₈₁ Tl. También hay cinco isótopos radiactivos pares-impares primordiales, ⁸⁷ ₃₇ Rb, ¹¹⁵ ₄₉ In, ¹⁸⁷ ₇₅ Re, ¹⁵¹ ₆₃ Euy ²⁰⁹ ₈₃ Bi. Los dos últimos fueron descubiertos recientemente que experimentan desintegración alfa y tienen vidas medias mayores de 10¹⁸años.

Estos 53 nucleidos estables tienen un número par de protones y un número impar de neutrones. Por definición, todos son isótopos de elementos Z par , donde son una minoría en comparación con los isótopos par-par que son aproximadamente 3 veces más numerosos. Entre los 41 elementos Z par que tienen un nucleido estable, solo dos elementos (argón y cerio) no tienen nucleidos estables par-impar. Un elemento (estaño) tiene tres. Hay 24 elementos que tienen un nucleido par-impar y 13 que tienen dos nucleidos par-impar. El ejemplo más ligero de este tipo de nucleido es ³ ₂ He y el más pesado es ²⁰⁷ ₈₂ Pb .

De los 35 radionúclidos primordiales conocidos, hay tres nucleidos par-impar (véase la tabla de la derecha), incluido el fisionable ²³⁵ ₉₂ U. Debido a su número impar de neutrones, los nucleidos par-impar tienden a tener grandes secciones transversales de captura de neutrones , debido a la energía que resulta de los efectos de apareamiento de neutrones.

Estos nucleidos estables par-impar tienden a ser menos comunes en la naturaleza, generalmente porque para formarse y contribuir a la abundancia primordial, deben haber escapado de la captura de neutrones para formar otros isótopos estables par-par, y por lo tanto son desfavorecidos durante el proceso s de nucleosíntesis en las estrellas. Por esta razón, solo ¹⁹⁵ ₇₈ Pt (un elemento casi totalmente del proceso r ) y ⁹ ₄ Be son los isótopos más abundantes naturalmente de su elemento, el primero solo por un pequeño margen, y el segundo solo porque el berilio-8 esperado tiene una energía de enlace menor que dos partículas alfa y por lo tanto se desintegra inmediatamente en alfa .