Isóbaras estables de desintegración beta
Conjunto de nucleidos que no pueden sufrir desintegración beta

Las isóbaras estables 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 son estables con respecto a la desintegración beta doble o a la desintegración beta simultánea, teóricamente superior, ya que tienen la energía más baja de todas las isóbaras con el mismo número másico .

Este conjunto de nucleidos también se conoce como línea de estabilidad beta , un término que ya era de uso común en 1965. [1] [2] Esta línea se encuentra a lo largo del fondo del valle nuclear de estabilidad .

Introducción

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 CF Weizsäcker . Estos nucleidos son máximos locales en términos de energía de enlace para un número másico dado.

Desintegración β estable / uniforme A
βDSUnoDosTres
2-3417
36-5866
60-7252
74-116220
118-1542125
156-192514
194-21063
212-262719
Total50765

Todos los números de masa impares tienen solo un nucleido estable de desintegración beta.

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 sólo uno.
  • Del 36 al 72, sólo 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, sólo uno (140) tiene uno, cinco tienen tres y los 10 restantes tienen dos.
  • Del 156 al 262, sólo dieciocho tienen uno, y los 36 restantes tienen dos, aunque también pueden existir algunos sin descubrir.

Todos los nucleidos primordiales son estables a la desintegración beta, con excepción de 40 K, 50 V, 87 Rb, 113 Cd, 115 In, 138 La, 176 Lu y 187 Re. Además, no se ha observado que 123 Te y 180m Ta se desintegren, pero se cree que experimentan una desintegración beta con una vida media extremadamente larga (más de 10 15 años). ( 123 Te solo puede experimentar captura de electrones 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, incluidos notablemente 222 Rn y 247 Cm (los isótopos más estables de sus elementos considerando todos los modos de desintegración). Finalmente, no se ha observado que 48 Ca y 96 Zr sufran desintegración beta (lo que teóricamente es posible para ambos), pero se conoce la desintegración beta doble para ambos.

Se sabe que todos los elementos, incluido el nobelio , excepto el tecnecio , el prometio y el mendelevio , tienen 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 decir si el mendelevio los tiene o no.

Lista de isóbaras estables de desintegración beta conocidas

Actualmente se conocen 350 nucleidos estables de desintegración beta. [3] [4] La desintegración beta doble predicha teóricamente u observada experimentalmente se muestra con flechas, es decir, las flechas apuntan hacia la isobara de masa más ligera. Esto a veces está dominado por la desintegración alfa o la fisión espontánea , especialmente para los elementos pesados. Los posibles modos de desintegración se enumeran como α para la desintegración alfa, SF para la fisión espontánea y n para la emisión de neutrones en el caso especial de 5 He. Para la masa 5 no hay isóbaras ligadas en absoluto; hay isóbaras ligadas para la masa 8, pero la beta-estable 8 Be no está ligada. [5]

Existen dos nucleidos estables de desintegración beta para los 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 impar-impar son más estables que sus isóbaros pares-pares circundantes, y los dos últimos rodean los protones números 43 y 61 que no tienen isótopos beta-estables. Además, existen dos nucleidos estables de desintegración beta para los protones números 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 impar-impares son más estables que sus isóbaros circundantes pares-pares, y los otros 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 hay 123 Te cuya captura de electrones aún no se ha observado, pero ninguno es beta-estable.)

Todos los números de protones pares 2 ≤ Z ≤ 102 tienen al menos dos nucleidos estables a la desintegración beta, con exactamente dos para Z = 4 ( 8 Be y 9 Be – el primero tiene una vida media extremadamente corta) y 6 ( 12 C y 13 C). Además, los únicos números de neutrones pares con solo un nucleido estable a la desintegración beta son 0 ( 1 H) y 2 ( 4 He); Existen al menos dos nucleidos estables a la desintegración beta para números de neutrones pares 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, notando también el primordial pero no beta-estable 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 ( 136 Xe, 138 Ba, 139 La, 140 Ce, 141 Pr, 142 Nd y 144 Sm) y cinco para N = 20 ( 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K y 40 Ca), 50 ( 86 Kr, 88 Sr, 89 Y, 90 Zr y 92 Mo, destacando también el primordial pero no beta-estable 87 Rb), 58 ( 100 Mo, 102 Ru, 103 Rh, 104 Pd y 106 Cd), 74 ( 124 Sn, 126 Te, 127 I, 128 Xe y 130 Ba), 78 ( 130 Te, 132 Xe, 133 Cs, 134 Ba y 136 Ce), 88 ( 148 Nd, 150 Sm, 151 Eu, 152 Gd y 154 Dy – este último no primordial) y 90 ( 150 Nd, 152 Sm, 153 Eu, 154 Gd y 156 Dy).

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. ( El 146 Sm tiene una vida media lo suficientemente larga como para que apenas sobreviva como un nucleido primordial, pero nunca se ha confirmado experimentalmente como tal).

Incluso NN impar
Incluso ZIncluso unImpar A
Z imparImpar AIncluso un
Todas las isóbaras estables de desintegración beta conocidas ordenadas por número de masa
Impar AIncluso unImpar AIncluso unImpar AIncluso unImpar AIncluso un
1 hora2 horas3 Él4 Él5 Él (n)6 Li7 Li8 Sé (α)
9 Ser10 B11 B12 C13 C14 N15 N16 O
17 O18 O19 F20 Ne21 Ne22 Ne23 de noviembre24 mg
25 mg26 mg27 Al28 Sí29 Sí30 Sí31 P32 S
33 S34 S35 cl36 S ← 36 Ar37 cl38 Ar39 mil40 Ar ← 40 Ca
41 mil42 Ca43 Ca44 Ca45 sc46 Ca → 46 Ti47Ti​48 Ti [a]
49Ti​50 Ti ← 50 Cr51 voltios52 créditos53 créditos54 cromo ← 54 hierro55 Mn56 Fe
57 Fe58 Fe ← 58 Ni59 Compañía60 Ni61 Ni62 Ni63 pies cúbicos64 Ni ← 64 Zn
65 pies cúbicos66Zn​67Zn​68Zn​69 Ga70 Zn → 70 Ge71 Ga72 Gen
73 Gen.74 Ge ← 74 Se75 como76 Ge → 76 Se77 Sí78 Se ← 78 Kr79 Br80 Se → 80 Kr
81 Br82 Se → 82 Kr83 coronas84 Kr ← 84 Sr85 rublos86Kr → 86Sr​87 Sr88 Sr
89 años90 Zr91 Zr92 Zr ← 92 Mo93 Nb94 Zr → 94 Mo95 meses96 Mo ← 96 Ru [b]
97 meses98 meses → 98 rusos99 ru100 meses → 100 ru101 ru102 Ru ← 102 Pd103 Rh104 Ru → 104 Pd
105 páginas106 páginas ← 106 discos compactos107 de agosto108 páginas ← 108 discos compactos109 de agosto110 Pd → 110 Cd111 discos compactos112 Cd ← 112 Sn
113 en114Cd → 114Sn​115 seg116Cd → 116Sn​117 seg118 seg119 seg120 Sn ← 120 Te
121 sb122Sn → 122Te​123 sb124Sn → 124Te ← 124Xe​125 Te126 Te ← 126 Xe127 yo128 Te → 128 Xe
129 Xe130 Te → 130 Xe ← 130 Ba131 Xe132 Xe ← 132 Ba133 C134 Xe → 134 Ba135 Ba136 Xe → 136 Ba ← 136 Ce
137 Ba138 Ba ← 138 Ce139 La140 d. C.141 Pr142 d. C. → 142 d. C.143º​144Nd (α) ← 144Sm
145º​146Nd → 146Sm (α)147Sm (α)148Nd → 148Sm (α) [c]149 Pequeño150 Nd → 150 Sm ← 150 Gd (α)151 Eu(α)152 Sm ← 152 Gd (α)
153 UE154 Sm → 154 Gd ← 154 Dy (α)155 Dios156 Dios ← 156 Mor157 Dios158 Dios ← 158 Mor159 terabytes160 días de edad → 160 días de edad
161 Día162 Dy ← 162 Er163 Dy164 Dy ← 164 Er165 años166 Sí167 Sí168 Er ← 168 Yb
169 toneladas170 Er → 170 Yb171 años172 años173 años174 Yb ← 174 Hf (α)175 Lu176Yb → 176Hf​
177 HF178 HF179 HF180 Hf ← 180 W (α)181 Ta182 W183 W184 W ← 184 Os(α)
185 Re186 W → 186 Os (α)187 Os188 Os189 Os190 Os ← 190 Pt (α)191 Ir192 Os → 192 Pt
193 Ir194 puntos195 puntos196 puntos ← 196 Hg197 Au198 puntos → 198 Hg199 Hg200 Hg
201 Hg202 Hg203 Tl204 Hg → 204 Pb205 tls206 PB207 PB208 PB
209 Bi(α)210 Po(α)211 Po(α)212Po (α) ← 212Rn (α)213 Po(α)214 Po(α) ← 214 Rn(α)215 En (α)216Po (α) → 216Rn (α)
217 Rn(α)218Rn (α) ← 218Ra (α)219 Francia (α)220 Rn(α) → 220 Ra(α)221 Ra(α)222 Ra [d] (α)223 Ra(α)224 Ra(α) ← 224 Th(α)
225 Ac(α)226 Ra(α) → 226 Th(α)227Th (α)228Th (α)229 Th (α)230Th (α) ← 230U (α)231 Pa(α)232Th (α) → 232U (α)
233 U(α)234 U(α)235 U(α)236U (α) ← 236Pu (α)237 Np(α)238U (α) → 238Pu (α)239 Pu(α)240 Pu(α)
241 Soy (α)242 Pu(α) ← 242 Cm(α)243 Soy (α)244 Pu(α) → 244 Cm(α)245 cm (alfa)246 cm (alfa)247 Bk (α)248 Cm(α) → 248 Cf(α)
249 Cf(α)250 Cf(α)251 Cf(α)252 Cf(α) ← 252 Fm(α)253 Es(α)254 Cf(SF) → 254 Fm(α)255 FM (α)256 Cf (Francia) → 256 Fm (Francia)
257 FM (α)258 FM (SF) ← 258 No (SF)[mi]260 Fm [f] (SF) → 260 No (SF)[gramo]262 No (SF)
Un gráfico de nucleidos conocidos y predichos hasta Z = 149, N = 256. El negro denota la línea de estabilidad beta predicha, que concuerda bien con los datos experimentales, aunque no predice que Tc y Pm no tienen isótopos beta estables (las diferencias de masa que causan estas anomalías son pequeñas). Se predice que las islas de estabilidad se centrarán cerca de 294 Ds y 354 126, más allá de los cuales el modelo parece desviarse de varias reglas de la fórmula de masa semiempírica. [11]

Se sabe que todos los nucleidos estables a la desintegración beta con A ≥ 209 sufren desintegración alfa, aunque para algunos, la fisión espontánea es el modo de desintegración dominante. La desintegración en cúmulos también es posible a veces, 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 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 nunca se haya observado dicha desintegración. [12] Con la excepción de 262 No, ningún nucleido con A > 260 ha sido identificado definitivamente como beta-estable. 260 Fm no está confirmado. [10] Además, los núcleos beta-estables conocidos para masas individuales A > 257 pueden no representar el conjunto completo. [11] [13]

Se espera que los patrones generales de estabilidad beta continúen en la región de los 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 alrededor del copernicio que se estabilizan por cierres de capas en la región; dichos isótopos se desintegrarían principalmente a través de la desintegración alfa o la fisión espontánea. [14] 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 de masa impar. [11] [15] Esto es una consecuencia del hecho de que una fórmula de masa semiempírica debe considerar la corrección de capas y la deformación nuclear, que se vuelven mucho más pronunciadas para los nucleidos pesados. [15] [16]

Los núcleos beta-estables completamente ionizados (con todos los electrones despojados) son algo diferentes. En primer lugar, si un nucleido rico en protones solo puede desintegrarse por captura de electrones (porque la diferencia de energía entre el padre y la hija 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. [17] 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 − en estado ligado (en la que el electrón de desintegración permanece ligado a la hija 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. [18]

Desintegración beta hacia la masa mínima

La desintegración beta generalmente hace que los nucleidos se desintegren hacia la isobara con la masa más baja (que a menudo, pero no siempre, es la que tiene la energía de enlace más alta) con el mismo número másico. Aquellos con un número atómico más bajo y un número de neutrones más alto que la isobara de masa mínima experimentan una desintegración beta-menos , mientras que aquellos con un número atómico más alto y un número de neutrones más bajo experimentan una desintegración beta-más o captura de electrones .

Sin embargo, hay algunos nucleidos impares-impares entre dos isóbaros beta-estables pares-pares, que se desintegran predominantemente en la masa más alta de los dos isóbaros beta-estables. Por ejemplo, 40 K podría sufrir captura de electrones o emisión de positrones a 40 Ar, o sufrir desintegración beta negativa a 40 Ca: ambos productos posibles son beta-estables. El primer proceso produciría el más ligero de los dos isóbaros beta-estables, pero el segundo es más común.

NuclidoMasaNuclidoMasaNuclidoMasa
PadreCl-3635.96830698K-4039.96399848Ag-108107.905956
Desintegración minoritaria (β+/EC)2% a S-3635.9670807610,72% a Ar-4039.96238312253% a Pd-108107.903892
Desintegración mayoritaria (β−)98% a Ar-3635.96754510689,28% a Ca-4039.9625909897% a Cd-108107.904184
NuclidoMasaNuclidoMasaNuclidoMasa
PadreEu-150m149.919747Eu-152m1151.9217935Am-242242.0595474
Desintegración minoritaria (β+/EC)11% a Sm-150149.917275528% a Sm-152151.919732417,3% a Pu-242242.0587426
Desintegración mayoritaria (β−)89% a Gd-150149.91865972% a Gd-152151.919791082,7% a Cm-242242.0588358
NuclidoMasaNuclidoMasaNuclidoMasa
PadrePM-146145.914696
Desintegración minoritaria (β−)37% a Sm-146145.913041
Desintegración mayoritaria (β+/EC)63% a Nd-146145.9131169
  • Masas de isótopos 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.

Notas

  1. ^ El 48 Ca es teóricamente capaz de desintegrarse en beta y convertirse en 48 Sc, por lo que no es un nucleido beta estable. Sin embargo, nunca se ha observado un proceso de este tipo, ya que tiene una vida media parcial superior a 1,1+0,8
    -0,6    ×10 21  años, más largo que su vida media de desintegración beta doble, lo que significa que la desintegración beta doble normalmente ocurriría primero. [6]
  2. ^ El 96 Zr es teóricamente capaz de desintegrarse en beta a 96 Nb, por lo que no es un nucleido estable en beta. Sin embargo, nunca se ha observado un proceso de este tipo, ya que tiene una vida media parcial mayor que 2,4×10 19  años, más larga que su vida media de desintegración beta doble, lo que significa que la desintegración beta doble normalmente ocurriría primero. [7]
  3. ^ Anteriormente se pensaba que el 148 Gd era una tercera isobara beta-estable para la masa 148, [5] pero según las determinaciones de masa actuales tiene una masa mayor que el 148 Eu y puede sufrir captura de electrones. No obstante, la diferencia de masa es muy pequeña (27,0 keV, incluso menor que la captura de electrones del 123 Te, también desconocida), y solo se ha observado experimentalmente la desintegración alfa para el 148 Gd.
  4. ^ Si bien la evaluación de masa atómica de AME2020 le da al 222 Rn una masa menor que al 222 Fr, [8] lo que implica estabilidad beta, se predice que la desintegración beta simple del 222 Rn es energéticamente posible (aunque con una energía de desintegración muy baja ), [9] y cae dentro del margen de error dado en AME2020. [8] Por lo tanto, las determinaciones de masa actuales no pueden determinar decisivamente si el 222 Rn es beta-estable o no, aunque solo se conoce experimentalmente el modo de desintegración alfa para ese nucleido, y la búsqueda de desintegración beta arrojó un límite de vida media parcial inferior de 8 años. [9]
  5. ^ Si bien la evaluación de masa atómica AME2020 le da a 259 Md una masa menor que a 259 Fm, [8] lo que implica estabilidad beta, el margen de error entre ellos es mayor que la diferencia de masa. [8] Por lo tanto, las determinaciones de masa actuales no pueden determinar decisivamente cuál de 259 Fm y 259 Md es beta-estable.
  6. ^ El descubrimiento de este nucleido no está confirmado
  7. ^ No se conoce ninguna isobara beta-estable para la masa 261, aunque se conocen para las masas circundantes 260 y 262. Varios modelos sugieren que uno de los no descubiertos 261 Md y 261 No debería ser beta-estable. [10] [11]

Referencias

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  • Cadenas de desintegración https://www-nds.iaea.org/relnsd/NdsEnsdf/masschain.html
  • (Ruso) Nuclidos estables de desintegración beta hasta Z=118
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