¿Hay alguna manera simple de predecir la vida media de la desintegración beta?

Pregunta

Para los nucleidos que se desintegran por emisión alfa, la ley de Geiger-Nuttall proporciona una estimación simple y razonablemente precisa de la vida media. Esencialmente, uno puede modelar la partícula alfa como una partícula en una "caja" - el núcleo - y calcular la probabilidad de hacer un túnel fuera de la caja utilizando la mecánica cuántica básica. El resultado es que la vida media depende exponencialmente de la energía de decaimiento:

en λ a 0 a 1 Z mi

dónde λ es la vida media, Z es el número atómico, y mi es la energía de decaimiento.

¿Existe alguna relación simple similar para la desintegración beta?

Respuestas que no funcionan

Las vidas medias de desintegración beta parecen estar muy mal correlacionadas con:

  • Energía de descomposición. El renio-187 y el lutecio-176 tienen vidas medias similares (alrededor de 40 mil millones de años), pero el lutecio-176 tiene una energía de desintegración de 1,2 MeV, mientras que el renio-187 tiene una energía de desintegración de solo 2,6 keV.
  • Número atómico o número de neutrones. El cadmio-113 tiene una vida media de más de 8 cuatrillones de años, mientras que el cadmio-115 tiene una vida media de solo 2 días, aunque los isótopos 112, 114 y 116 son todos estables o tienen vidas medias extremadamente largas.
  • Cierre de capa nuclear. Aunque el potasio-40 se descompone en calcio-40, que tiene números mágicos tanto de protones como de neutrones, tiene una vida media de más de mil millones de años. Mientras tanto, el potasio-42 tiene una vida media de solo 12 horas.

En resumen, las vidas medias de desintegración beta varían ampliamente, y no veo ninguna regla obvia para ayudar a entender por qué. ¿Hay alguna forma de explicar estos resultados sin un cálculo muy complejo?

Revisión de preguntas relacionadas con Physics.SE

La respuesta a ¿La energía de desintegración de un isótopo en desintegración beta disminuye a medida que aumenta la vida media (o viceversa)? dice que:

Eso deja el espacio de fase disponible para los productos como lo que determina casi exclusivamente la vida útil.

En resumen, el espacio de fase disponible para la interacción depende en gran medida de la energía total y en un grado mucho menor de la masa del núcleo remanente en retroceso.

Di un tratamiento bastante más completo en otra respuesta sobre la vida útil de los neutrones libres .

Sin embargo, aunque el argumento teórico de que el espacio de fase debería depender en gran medida de la energía total parece plausible, no parece coincidir muy bien con los resultados experimentales. Como señalé anteriormente, los núcleos con vidas medias similares a menudo tienen energías de descomposición completamente diferentes, y viceversa.

La respuesta más votada a ¿Podemos predecir la vida media de los isótopos radiactivos a partir de la teoría? menciona un

cantidad " F t " que convoluciona la vida media de la desintegración con la interacción eléctrica entre el electrón emitido y el núcleo hijo cargado positivamente.

Se supone que varía dentro de un rango estrecho. Sin embargo, no entiendo esta descripción; también, busqué algunas tablas de F t valores y encontró que F t en realidad varía en muchos órdenes de magnitud entre diferentes núcleos. Por ejemplo, este capítulo del libro de texto (capítulo 8 de Química nuclear moderna de Loveland, Morrissey y Seaborg) cita registro ( F t ) valores que van desde 0.27 a + 7.36 .

Respuestas (1)

Esto debería ser un comentario, pero es demasiado largo.

La partícula alfa es un núcleo estable en sí mismo, y las desintegraciones ocurren puramente por consideraciones energéticas, existe un sistema con energías más bajas al que da acceso la desintegración de un alfa.

La desintegración beta es una desintegración de dos niveles, debe existir un sistema de núcleos con una energía total más baja, pero también el neutrón en sí debe desintegrarse para obtener el beta/electrón. Es un decaimiento de dos caminos, dependiendo el segundo de la interacción débil. Por eso no es posible una sola regla.

Un neutrón tiene la probabilidad de decaer dentro de un núcleo, si es rico en neutrones, y el orbital del neutrón tiene la probabilidad de estar lo suficientemente lejos como para que la fuerza fuerte residual (la fuerza nuclear) sea débil y, cuando esté libre, un neutrón decaiga. Esto dependería no solo de las energías, sino también de los orbitales de neutrones específicos. O podría ser una simple consideración de accesibilidad del nivel de energía y el neutrón se libera y se desintegra.