¿Por qué los núcleos se descomponen tan rápido y tan lento?

En pocas palabras, los átomos se descomponen porque son inestables y radiactivos.

Ununoctium (u Oganesson ) tiene un número atómico de 118. Eso significa que hay 118 protones en el núcleo de un átomo de Oganesson, y eso no incluye el número de neutrones en el núcleo. Veremos el isótopo más estable de Oganesson,$\mathrm{{}^{294}Og}$. El 294 significa que hay 294 nucleones, o un total de 294 protones y neutrones en el núcleo. Ahora, el isótopo estable más grande de un elemento conocido es$\mathrm{{}^{208}Pb}$, o plomo-208.

Más allá de esa cantidad de nucleones, la fuerza nuclear fuerte comienza a tener problemas para mantener juntos a todos esos nucleones. Mira, normalmente, pensaríamos en el núcleo como imposible porque los protones (todos con una carga positiva) se repelerían entre sí, porque las cargas iguales se repelen. Esa es la fuerza electromagnética. Pero los científicos descubrieron otra fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte. La fuerza nuclear fuerte es muchas veces más fuerte que la fuerza electromagnética (por algo se llama fuerza fuerte), pero solo opera en distancias muy, muy pequeñas. Más allá de esas distancias, el núcleo comienza a desmoronarse. Los átomos de Oganesson y Uranio son lo suficientemente grandes como para que la fuerza fuerte ya no pueda mantenerlos juntos.

Entonces, ahora sabemos por qué los átomos son inestables y se descomponen (tenga en cuenta que esto tiene más complicaciones, pero esta es la descripción general de por qué). Pero, ¿por qué la diferencia en el tiempo de descomposición? Primero, permítanme abordar un concepto erróneo. La mecánica cuántica dice que no sabemos exactamente cuándo se desintegrará un átomo, o si lo hará, pero para una colección de átomos, podemos medir la velocidad de descomposición en lo que se llama la vida media de un elemento. Es el tiempo necesario para que el cuerpo de átomos se reduzca a la mitad.

Entonces, para volver al tiempo de descomposición, está relacionado (como era de esperar) nuevamente con el tamaño del núcleo. En general, los isótopos con un número atómico superior a 101 tienen una vida media inferior a un día, y$\mathrm{{}^{294}Og}$definitivamente se ajusta a esa descripción. (La única excepción aquí es el dubnio-268). Ningún elemento con números atómicos superiores a 82 tiene isótopos estables. El número atómico del uranio es 92, por lo que es radiactivo, pero se desintegra mucho más lentamente que el Oganessson por la sencilla razón de que es más pequeño.

Curiosamente, por razones que aún no se comprenden completamente, puede haber una especie de "isla" de mayor estabilidad alrededor de los números atómicos 110 a 114. Oganesson está algo cerca de esta isla, y su vida media es más larga que algunos valores predichos, dando algo de credibilidad al concepto. La idea es que los elementos con un número de nucleones tal que puedan organizarse en capas completas dentro del núcleo atómico tengan una energía de enlace promedio más alta por nucleón y, por lo tanto, puedan ser más estables. Puedes leer más sobre esto aquí y aquí .

¡Espero que esto ayude!

De hecho, el rango de posibles tiempos de caída es mucho, mucho más amplio incluso que el rango que has dado, como descubrí recientemente . ¡Es difícil imaginar una cantidad física que varíe más!

En un sentido general, una forma de pensar en esto es la siguiente: la desintegración radiactiva se puede considerar crudamente como una forma de túnel cuántico , donde los nucleones salen del estado nuclear metaestable para escapar al espacio libre (y en al hacerlo, el núcleo se vuelve completamente inestable y se deshace). Resulta que las probabilidades de tunelización cuántica generalmente tienen una dependencia exponencial: por ejemplo, en un modelo de tunelización simple, el tiempo de tunelización es como

dónde$\Delta E$es la altura de la barrera de energía que evita que la partícula escape.

La altura efectiva de la barrera para el túnel nuclear es un problema complicado de resolver en detalle, pero el punto es que si tuvieras que imaginar que varía, digamos, en un factor de 1000x entre un núcleo estable e inestable, esto se convierte en una diferencia. en el tiempo de decaimiento que es un factor de$e^{\sqrt{1000}}=10^{13}$. Por lo tanto, esta dependencia exponencial aumenta en gran medida el rango de valores posibles en relación con el rango de las barreras de energía, e independientemente de los detalles microscópicos, garantiza que el rango de vida útil de descomposición variará ampliamente.

¿Por qué se descomponen los átomos?

Por la misma razón que las rocas ruedan cuesta abajo. Hay una tendencia general a que las cosas que están en un nivel de energía alto "bajen" a un nivel de energía más bajo.

En términos de núcleos atómicos, la energía más baja por nucleón es el hierro (Fe-56). La energía puede ser liberada por la fisión de elementos más pesados ​​que el hierro y la fusión de elementos más ligeros que el hierro.

Desde esta perspectiva, la pregunta no es "¿por qué se desintegran los átomos", sino "¿por qué la descomposición no es instantánea?" Esto se debe a que los estados intermedios requieren mayor energía. Sin embargo, los sistemas cuánticos pueden "hacer un túnel" a través de una barrera de energía con cierta probabilidad: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_tunnelling#Radioactive_decay

Por lo tanto, los isótopos de polonio-210 se desintegran a un ritmo mayor que los isótopos de uranio-238 porque la barrera de energía entre el estado inicial y el estado del producto de desintegración es menor.

A bajas temperaturas, la fusión no ocurre espontáneamente porque la barrera de energía es extremadamente alta (aunque, presumiblemente, puede ocurrir una fusión espontánea a través de un túnel cuántico, solo que tiene una probabilidad extremadamente baja). En las estrellas, la barrera de energía es mucho menor porque la temperatura es muy alta y los núcleos involucrados tienen mucha energía cinética que les permite vencer algunas de las fuerzas de Coulomb que las repelen (principal causante de la barrera de energía).