Imagen: El valle de la estabilidad isotópica por tipo de desintegración radiactiva.
- En negro: núcleos estables, no sufren desintegración radiactiva y no emiten radiación.
- En naranja, azul y amarillo: núcleos inestables que se desintegran por radiactividad β ya sea por radiactividad α para descender al valle.
- En rojo y violeta: núcleos inestables que tienen demasiados protones o neutrones emiten un protón o un neutrón para descender al valle.
- En verde pálido: núcleos inestables que tienen demasiados protones y neutrones deben agrietarse para descender al valle.
Podemos notar que para Z<20, el conjunto de núcleos estables se encuentran en la bisectriz N=Z.
Para Z>20, el conjunto de núcleos estables se encuentra por encima de la línea N=Z en el valle de estabilidad. Los núcleos deben integrar más y más neutrones que protones a medida que crecen.
Para Z>83, no hay núcleos más estables a pesar del límite observable del número de protones que se estima en alrededor de Z=126.
Los núcleos inestables sufren una cascada de desintegraciones radiactivas para finalmente arrojarse al río de materia estable que fluye en el fondo del valle.
Límites de estabilidad de los isótopos
En la naturaleza, toda la materia se concentra en la masa de energía de núcleos 100 000 veces más pequeños que los átomos, pero miles de veces más pesados que todos sus electrones.
En materia, muchos núcleos atómicos son estables y su estado permanece igual indefinidamente. Un isótopo es estable cuando tiene un número armonioso de protones y neutrones. Por otro lado, muchos más son inestables porque tienen demasiados protones o neutrones o demasiados de ambos.
Los físicos han identificado poco menos de 300 isótopos estables y casi 3000 inestables. Si los núcleos son inestables es por la barrera de Coulomb que establece una competencia entre la fuerza de repulsión electrostática entre los protones y la fuerza nuclear de atracción entre los neutrones y los protones. Es por eso que los núcleos tienen que integrar cada vez más neutrones a medida que crecen.
Todos los núcleos de la materia buscan una parsimoniosa estabilidad energética. Entonces, para volver a un estado estable, deben transformarse expulsando energía en forma de masa o radiación (E=mc2). A esto se le llama radiactividad.
Este fenómeno de la radiactividad natural actúa en todas partes en la materia, tanto en los minerales como en nuestros alimentos (la Comunidad Europea ha establecido dosis de radiactividad que no deben superarse en los alimentos) e incluso en nuestro cuerpo (debido a la presencia de carbono 14 y potasio 40).
• Cuando representamos todos los isótopos conocidos en un gráfico (imagen opuesta) por su número de protones (Z) y su número de neutrones (N), vemos que todos los isótopos estables (puntos negros) están agrupados alrededor de una línea.Esta línea está en el hueco de un valle llamado "valle de estabilidad".
Los núcleos inestables se distribuyen a los lados del valle a cada lado de esta línea negra que representa el río de materia estable que fluye al fondo del valle. Cuanto más inestables son los núcleos, más altos están en el valle. Así, en este valle, el camino más corto para alcanzar la estabilidad es descender hasta el fondo del valle.
• Los nucleidos del flanco izquierdo del valle (en azul en la imagen), excedentes de neutrones en comparación con su número de protones, recuperan la estabilidad mediante una cascada de desintegraciones β- con emisión de d electrones y neutrinos que les permite descender gradualmente por las laderas del valle.
• Los nucleidos del lado derecho del valle (en naranja), exceso de protones, recuperan la estabilidad mediante una cascada de desintegraciones β+ con emisión de positrones y neutrinos.
• Los nucleidos en la pequeña cresta izquierda del valle (en violeta) en el límite periférico de la zona azul, recuperan estabilidad por emisión de neutrones, el núcleo mantiene el mismo número atómico (Z) pero su masa atómica decrece.
• Los nucleidos ubicados en la pequeña cresta derecha del valle (en rojo) en el límite periférico de la zona naranja, recuperan estabilidad por emisión de protones, el número atómico (Z) y la masa atómica del núcleo disminuyen.
• En el lado de los núcleos muy pesados, es la fisión la que tendrá lugar. Los nucleidos, más allá de la línea de isótopos estables (en verde pálido), recuperan la estabilidad dividiendo el núcleo en dos núcleos más ligeros con la emisión de uno o más neutrones.
• Los nucleidos de alta masa atómica (en amarillo) se someten a una desintegracione α a menudo acompañado de emisión de fotones de alta energía o rayos gamma. Si la pendiente es demasiado alta, entonces se insertan desintegraciones β entre las desintegraciones α. Se necesita una cascada de desintegraciones radiactivas para llegar al fondo del valle.
• Finalmente, los núcleos particularmente estables tienen un cierto número de nucleones (2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126) que corresponden al modelo estratificado del núcleo atómico (niveles de energía cuantificados basados en el principio de exclusión de Pauli). Estos llamados números mágicos se identifican a lo largo de los escalones de la escalera de la curva negra. Se dice que los núcleos que tienen un número mágico de protones y neutrones y un número de protones igual al número de neutrones son doblemente mágicos porque son muy estables.
Este es el caso del plomo 208, que está compuesto por 82 protones y 126 neutrones, y del calcio 48, compuesto por 20 protones y 28 neutrones.
• Las discontinuidades de la curva negra en neutrones (19, 21, 35, 39, 45, 84, 115 y 123) y en protones (43 y 61) corresponden a casos donde no existe un núcleo estable con estas cantidades de nucleones.
En conclusión, el valle de estabilidad contiene alrededor de 3000 nucleidos observados, estables, inestables y muy inestables. Pero no conocemos los límites de estabilidad (líneas de goteo) de los nucleidos. Para los protones (número máximo de protones) es relativamente bien conocido a través de la tabla de Mendeléyev. Para los neutrones (número máximo de neutrones), los límites de estabilidad solo se conocen para los primeros elementos, desde el hidrógeno hasta el oxígeno 15. Por ejemplo, para Z = 8, el número máximo de neutrones es 16, dando oxígeno 24 como el isótopo de oxígeno más pesado posible.
Se desconoce la extensión total del Valle de la Estabilidad y parece que lo que queda por descubrir es enorme.
N.B.: el núcleo del átomo está formado por protones y neutrones. Los átomos del mismo elemento químico tienen el mismo número de protones pero pueden tener un número diferente de neutrones, estos son isótopos. Los átomos estables no sufren desintegración radiactiva.