Imagem: O vale de estabilidade do isótopo por tipo de decaimento radioativo.
- Em preto: núcleos estáveis, não sofrem decaimento radioativo e não emitem radiação.
- Em laranja, azul e amarelo: núcleos instáveis que se desintegram por radioatividade β seja por radioatividade α descer para o vale.
- Em vermelho e roxo: núcleos instáveis que têm muitos prótons ou nêutrons emitem um próton ou um nêutron para descer ao vale.
- Em verde claro: núcleos instáveis que possuem muitos prótons e nêutrons devem se quebrar para descer ao vale.
Podemos notar que para Z<20, o conjunto de núcleos estáveis encontra-se na bissetriz N=Z.
Para Z>20, o conjunto de núcleos estáveis encontra-se acima da linha N=Z no vale de estabilidade. Os núcleos devem integrar mais e mais nêutrons do que prótons à medida que crescem.
Para Z>83, não há núcleos mais estáveis, apesar do limite observável do número de prótons, que é estimado em torno de Z=126.
Os núcleos instáveis sofrem uma cascata de decaimentos radioativos para finalmente se jogarem no rio de matéria estável que flui no fundo do vale.
Limites de estabilidade de isótopos
Na natureza, toda a matéria está concentrada na energia da massa dos núcleos 100000 vezes menores que os átomos, mas milhares de vezes mais pesados que todos os seus elétrons.
Na matéria, muitos núcleos atômicos são estáveis e seu estado permanece o mesmo indefinidamente. Um isótopo é estável quando tem um número harmonioso de prótons e nêutrons. Por outro lado, muitos mais são instáveis porque têm muitos prótons ou nêutrons ou muitos de ambos.
Os físicos identificaram pouco menos de 300 isótopos estáveis e quase 3000 instáveis. Se os núcleos são instáveis épor causa da barreira de Coulomb que estabelece uma competição entre a força de repulsão eletrostática entre os prótons e a força nuclear atrativa entre os nêutrons e os prótons. É por isso que os núcleos precisam integrar mais e mais nêutrons à medida que crescem.
Todos os núcleos da matéria buscam uma estabilidade energética parcimoniosa. Portanto, para retornar a um estado estável, eles devem se transformar expelindo energia na forma de massa ou radiação (E=mc2). Isso é chamado de radioatividade.
Este fenómeno da radioatividade natural está presente em toda a matéria, tanto nos minerais como nos nossos alimentos (a Comunidade Europeia estabeleceu doses de radioatividade que não devem ser ultrapassadas nos alimentos) e até no nosso corpo (devido à presença de carbono 14 e potássio 40).
• Quando representamos todos os isótopos conhecidos em um gráfico (imagem ao lado) por seu número de prótons (Z) e seu número de nêutrons (N), vemos que todos os isótopos estáveis (pontos pretos) estão agrupados em torno de uma linha. Esta linha está na depressão de um vale denominado "vale da estabilidade".
Os núcleos instáveis são distribuídos nas laterais do vale, em ambos os lados dessa linha negra que representa o rio de matéria estável fluindo no fundo do vale. Quanto mais instáveis são os núcleos, mais altos eles estão no vale. Portanto, neste vale, o caminho mais curto para alcançar a estabilidade é descer até o fundo do vale.
• Os nuclídeos no flanco esquerdo do vale (em azul na imagem), excedentes em nêutrons em comparação com seu número de prótons, recuperam a estabilidade por uma cascata de decaimentos β- com emissão de elétrons e neutrinos que lhes permitem descer gradualmente as encostas do vale.
• Os nuclídeos no lado direito do vale (em laranja), excesso de prótons, recuperam a estabilidade por uma cascata de decaimentos β+ com emissão de pósitrons e neutrinos.
• Os nuclídeos na pequena crista esquerda do vale (em roxo) no limite periférico da zona azul, recuperam a estabilidade pela emissão de nêutrons, o núcleo mantém o mesmo número atômico (Z) mas sua massa atômica diminui.
• Os nuclídeos localizados na pequena crista direita do vale (em vermelho) no limite periférico da zona laranja, recuperam a estabilidade por emissão de prótons, o número atômico (Z) e a massa atômica do núcleo diminuem.
• Do lado de núcleos muito pesados, é a fissão que vai ocorrer. Os nuclídeos, além da linha de isótopos estáveis (em verde claro), recuperam a estabilidade dividindo o núcleo em dois núcleos mais leves com a emissão de um ou mais nêutrons.
• Nuclídeos de alta massa atômica (em amarelo) sofrem α frequentemente acompanhada pela emissão de fótons ou raios gama de alta energia. Se a inclinação for muito alta, os decaimentos β são inseridos entre os decaimentos α. Uma cascata de decomposição radioativa é necessária para atingir o fundo do vale.
• Finalmente, os núcleos particularmente estáveis têm um certo número de núcleos (2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126) que correspondem ao modelo em camadas do núcleo atômico (níveis de energia quantificados com base no princípio de exclusão de Pauli). Esses chamados números mágicos são identificados ao longo dos degraus da escada da curva preta. Os núcleos que possuem um número mágico de prótons e nêutrons e um número de prótons igual ao número de nêutrons são considerados duplamente mágicos porque são muito estáveis.
É o caso do chumbo 208, composto por 82 prótons e 126 nêutrons, e do cálcio 48, formado por 20 prótons e 28 nêutrons.
• As descontinuidades da curva preta nos nêutrons (19, 21, 35, 39, 45, 84, 115 e 123) e nos prótons (43 e 61) correspondem aos casos em que não há núcleo estável com essas quantidades de núcleons.
Em conclusão, o vale de estabilidade contém cerca de 3000 nuclídeos observados, estáveis, instáveis e muito instáveis. Mas não sabemos os limites de estabilidade (linhas de gotejamento) dos nuclídeos. Para prótons (número máximo de prótons), é relativamente bem conhecido pela tabela de Mendeleïev. Para nêutrons (número máximo de nêutrons) os limites de estabilidade são conhecidos apenas para os primeiros elementos, do hidrogênio ao oxigênio 15. Por exemplo, para Z=8, o número máximo de nêutrons é 16, dando o oxigênio 24 como o isótopo de oxigênio mais pesado possível.
A extensão total do Vale da Estabilidade permanece desconhecida e parece que o que resta a ser descoberto é enorme.
N.B.: o núcleo do átomo é formado por prótons e nêutrons. Os átomos do mesmo elemento químico têm o mesmo número de prótons, mas podem ter um número diferente de nêutrons, são isótopos. Os átomos estáveis não sofrem decaimento radioativo.