Fundamentalmente, ¿por qué algunos núcleos emiten radiación ionizante?

Todos los elementos por encima de Iron se crean cuando una estrella implosiona por su propia gravedad en forma de supernova. Estos elementos pesados ​​son expulsados ​​al espacio en este proceso y pasan a formar partes de planetas como la Tierra. Esto incluye todos sus diversos isótopos radiactivos.

Desde el momento en que se crea el isótopo inestable, quiere decaer radiactivamente para alcanzar una configuración más estable. Esto continuará sucediendo hasta que el átomo alcance un estado que tenga una vida media extremadamente larga (como$\text{Pb}^{82}$). Las tres formas más importantes en que un átomo puede decaer son las siguientes:

1)$\alpha$-Decay: Eyección de Helio$(\text{He}^{2+})$ion

2)$\beta^-$-Decay: Eyección de electrones$(\text{e}^{-}) \text{ and anti-neutrino}(\bar v_e)$

3)$\beta^+$-Decay: Eyección de positrones$(\text{e}^{+}) \text{ and neutrino} (v_e)$

Estos tres afectan el número atómico y de masa de diferentes maneras sobre las que puede leer más aquí . Toda desintegración radiactiva sigue una cinética de primer orden. El$\gamma$-los rayos liberados es solo la diferencia de masa entre los dos atomos. Esto sucede según la famosa ecuación de Einstein.$E=\Delta mc^2$. Estos son solo los conceptos básicos que deberían ser suficientes para fines de comprensión.

Acerca del marco teórico básico:
en una aproximación aceptable, se puede pensar que la energía interna total del núcleo surge de dos fuerzas: la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electrostática .

Los protones en el núcleo se repelen entre sí ya que todos tienen carga positiva; es la fuerza nuclear fuerte la que mantiene unido el núcleo. El alcance de la fuerza nuclear fuerte es limitado. Para un núcleo grande, la fuerza nuclear fuerte no se extiende de un lado del núcleo al otro. Por eso, para núcleos más pesados ​​que los núcleos de plomo no existe un isótopo estable.

El artículo de wikipedia sobre la desintegración radiactiva también tiene el diagrama con la tabla de isótopos.

Para los elementos más ligeros hay un número equivalente de neutrones y protones en el núcleo. Cuanto mayor es el número atómico, más neutrones hay en proporción a los protones. Los neutrones contribuyen a la cantidad total de fuerza nuclear fuerte que mantiene unido el núcleo, pero no a la fuerza electrostática, lo que contribuye a la estabilidad del núcleo.

Para cada número atómico existe una proporción óptima de neutrones a protones. Para un isótopo con esa relación óptima no hay un modo de decaimiento disponible: todos los estados que se pueden alcanzar a través de cualquiera de los modos de decaimiento es un estado de mayor energía que el que ya tiene ese núcleo.

Hay un video muy interesante sobre la descomposición nuclear del youtuber científico Scott Manley. (El público objetivo son los novatos, con Scott con frecuencia dando la advertencia "Esto es, por supuesto, una simplificación excesiva".)

La pregunta natural es: bueno, si se dispone de un modo de desintegración, ¿por qué muchos isótopos tienen una vida media tan larga?

Scott Manley da un ejemplo donde el único modo de decaimiento disponible requiere que ocurran dos decaimientos beta simultáneamente (o al menos dentro de una ventana de tiempo suficientemente corta). Eso hace que la probabilidad de que ocurra esa descomposición sea mucho menor.

Cualquier desintegración radiactiva tiene que superar una joroba de energía. La imaginería habitual es la de una canica en una repisa con borde, junto a una ladera larga y empinada. Si la canica puede pasar por encima del borde, puede rodar hacia abajo, pero primero la canica tiene que pasar por encima de ese borde.

Para el núcleo de un isótopo con una vida media larga: dado el tiempo suficiente, en algún momento, una parte del núcleo tendrá la energía para superar la joroba. La probabilidad de superar la joroba nunca es cero, pero cuanto mayor sea la joroba inicial, menor será la probabilidad.

Reconociendo el comentario de PM 2ring, eliminé los dos párrafos anteriores. Imagen incorrecta, incluso cuando se permite una simplificación excesiva .

Nuevo intento: el modo de decaimiento no es un proceso único, sino un proceso complejo. Hay tanta complejidad que, dependiendo de las circunstancias específicas, la probabilidad de que ocurra una descomposición puede ser muy baja.

Quiero corregir tu pregunta: dijiste que$\alpha$y$\beta$radiación son "observables" dentro del núcleo. Si te entendí bien, quieres decir que antes de descomponerse estas partículas formaban parte del núcleo. Para$\alpha$partículas es correcto pero no del todo para$\beta$:

El núcleo está hecho de protones y neutrones, es decir, solo de quarks (las partículas que los forman), mientras que una partícula beta es un electrón o un positrón, que no es un quark (técnicamente, es un tipo de leptón). ¡Lo que significa que la partícula beta no se pudo observar en el núcleo antes de la descomposición porque no estaba allí en primer lugar!

Para entender lo que está pasando, necesitas entender la naturaleza de$\beta$decadencia (que se llama "la fuerza débil"). Es bastante complejo, pero para empezar, debes conocer 2 quarks importantes: el quark up (llamémoslo 'u') y el quark down ('d'). El quark u tiene una carga eléctrica de$+\frac{2}{3} e$y el quark d tiene una carga de$-\frac13 e$(dónde$-e$es la carga de un electrón, y$e$es la carga del protón). Un protón tiene solo 2 quarks arriba y un quark abajo, por lo que la carga total es$\frac23 e + \frac23 e - \frac13 e = e$, y un neutrón es un quark up y 2 quarks down, por lo que la carga total es$\frac23 e -\frac13 e - \frac13 e=0$(partícula neutra).

En la desintegración beta, un quark up se convierte en un quark down o viceversa (que "convierte" un protón: uud, en un neutrón: udd, o viceversa). Observe, sin embargo, que tienen diferente carga eléctrica. Por conservación de carga, lo que en un momento un quark down "decide" convertirse en un quark up, ganará una carga eléctrica de$e$(ir desde$-\frac13 e$a$\frac23 e$), que significa otra cosa con una carga de$-e$necesita ser creado para que eso suceda: ¡el electrón! Lo que significa que no había ningún electrón primero (los quarks son partículas elementales, no consisten en electrones) y en el momento de la descomposición nació la partícula beta. La partícula beta no se pudo observar antes de la descomposición porque aún no existía.

Esta respuesta no responde a su pregunta, pero es demasiado larga para un comentario y creo que valió la pena discutirla. Espero haber ayudado un poco a entender más.

En primer lugar, mantengámonos humildes. Para empezar, recordemos que nadie sabe realmente la respuesta a su pregunta. Esa es la naturaleza del método científico:

• Observamos fenómenos macro.
• Abstraemos lo que vemos.
• Pensamos, "si eso es correcto, entonces... es verdad".
• Probamos la extrapolación empíricamente.
• Refinamos nuestra abstracción dependiendo del resultado.

Realmente nunca lo sabemos. Las revoluciones en la física ocurren cuando algún individuo capaz e inquisitivo piensa que hay un agujero en el statu quo y propone una solución. Se prueba que él/ella está equivocado por medio de un experimento o se convierte en un gigante, generalmente publicando en forma humorística.

Con eso en mente, recordemos que la división de las fuerzas en 'fuertes', 'débiles' y 'electrostáticas' es una abstracción totalmente artificial que ha demostrado ser útil. Es el 'modelo estándar' actual y es sólo eso, un modelo. Ha habido otras intuiciones que, hasta el momento, no han revolucionado la comprensión.

En particular, existe la idea de Yukawa de un potencial que fusiona estas tres fuerzas en un potencial más complejo. El razonamiento es que la naturaleza aborrece las singularidades matemáticas. Por lo tanto, el potencial electrostático debe tener una forma diferente en radios pequeños. Yukawa modeló esa idea con un numerador que va a cero en el radio inverso, pero rápidamente va a la unidad para distancias del orden de un radio nuclear. La pendiente de radio pequeño es la fuerza 'fuerte', una pendiente de transición de radio más grande es la fuerza 'débil' y la pendiente asintótica es la ley del cuadrado inverso electrostático (la fuerza es la derivada espacial, o pendiente, del potencial).

Con ese enfoque, obtienes un pozo profundo pero finito en el centro de un nucleón. Con esta línea de pensamiento, el motor principal de la desintegración radiactiva es un desequilibrio completamente electrostático. El trabajo de Yukawa, por supuesto, no fue del todo correcto, pero sigue siendo influyente. Hay muchas otras funciones que exhiben las propiedades deseables, por lo que tal vez tengamos un caso como el del desarrollo histórico de las estadísticas de Bose-Einstein que subyacen a la radiación del cuerpo negro, donde los primeros intentos de conciliar la 'catástrofe ultravioleta' estuvieron cerca, pero no del todo. bien.

Con respecto a la aparente ausencia de carga negativa en el núcleo, conviene recordar que un neutrón libre decaerá en un protón, un electrón y un neutrino con una vida media de unos 12 minutos.

Esto sugiere que un neutrón se puede polarizar, ya que en esta línea de pensamiento, es de alguna manera una combinación de un electrón y un protón. De hecho, esto ha sido probado empíricamente. Recuerdo haber asistido a una presentación de los resultados de una prueba de este tipo hace unos 15 años. En ese momento, la polarizabilidad de un neutrón resistió intentos de medición capaces de resolver 10 a -27 metros, lo que indica que la fuerza de unión de esa combinación particular es muy 'fuerte'. Tal prueba es ciencia 'grande', es muy costosa.

Si asumes estas líneas de pensamiento, entonces en el núcleo las barreras son más bajas y un electrón que desata un protón rápidamente vuelve a unir otro en el caso estable. En el caso inestable, hay demasiados neutrones, por lo que existe una posibilidad no despreciable de una emisión beta. En el caso de un núcleo grande sin suficientes neutrones, existe una posibilidad no despreciable de que se rompa un bloque completo, típicamente una emisión alfa debido a la gran estabilidad de esa configuración, pero en el contexto de alguna perturbación energética, tal vez una fisión.

La idea es que un electrón en un neutrón puede equilibrar más de un protón nuclear debido a la forma de corto alcance del potencial.

Finalmente, la desintegración radiactiva no se limita a los núcleos grandes. Obtenga una copia de la tabulación de isótopos de la tabla periódica y dedique algunas horas (o días o años) a examinar las relaciones entre la estabilidad, la línea de goteo de neutrones y la línea de goteo de protones. Toda esa complejidad son datos empíricos y, por lo tanto, deben aceptarse como hechos.

Algunos pueden criticar las suposiciones especulativas no estándar que subyacen a esta línea de pensamiento. Tengo los hombros gigantes de Yukawa para pararme y ayudar a sofocar algo de eso. Es necesario pensar más allá del statu quo. Pero más necesariamente, uno debe cuantificar matemáticamente las ideas cualitativas de una manera que prediga el empirismo conocido. Eso es muy difícil.

Tal audacia conducirá necesariamente a errores, pero puede conducir a la grandeza. Quizás eres lo suficientemente fuerte como para responder a tu propia pregunta en tu vida y convertirte en una leyenda. Sé que no lo soy.

Lo que otros han dicho aquí es una reiteración del modelo estándar. Lo que han dicho no está mal, pero tampoco aborda realmente el quid de su pregunta que tiene sus raíces en la cruda curiosidad y el asombro que rodea lo desconocido y lo incognoscible. ¡Felicitaciones por tener el coraje de preguntar!

Mi cita favorita de Albert Einstein es:

"Sería suficiente para entender realmente el electrón".

Tal vez la respuesta a su pregunta sea comprender realmente el neutrón, que, en esta línea de pensamiento, es el mecanismo fundamental que gobierna la desintegración radiactiva.

Su pregunta trata sobre dos conceptos relacionados: desintegración radiactiva y radiación ionizante . Cualquier partícula cargada con masa puede ionizar átomos si tiene suficiente energía cinética, por lo que la radiación alfa y beta es ionizante. La radiación gamma también es ionizante, porque consiste en fotones con mucha más energía que los umbrales prácticos generalmente establecidos entre 10 y 100 eV . Entonces, la desintegración radiactiva produce radiación ionizante.

Sin embargo, la desintegración radiactiva también produce otros efectos, como la emisión de neutrones y la captura de electrones . Su pregunta parece centrarse en por qué ocurre la desintegración radiactiva, no en sus consecuencias para otros asuntos cercanos, por ejemplo. si resulta o no en radiación "ionizante".

Como se señaló en las otras respuestas, la descomposición radiactiva es el colapso espontáneo de una estructura nuclear que es metaestable por razones mecánicas cuánticas complicadas que se responden directamente en esta pregunta . Un libro de texto de física nuclear probablemente sería un mejor recurso que Stack Exchange para comprender este tema.

Para responder a la última parte de su pregunta, un radioisótopo "nace radiactivo", porque forma parte de una cadena de desintegración (o se creó en alguna otra reacción nuclear), y "morirá" por desintegración radiactiva en algún punto aleatorio en el futuro.