¿Puede haber un núcleo atómico donde haya más protones que neutrones?

Lo que estás buscando son isótopos con una relación neutrón-protón N / Z inferior a 1. Puedes encontrar estos isótopos, por ejemplo, en esta lista de Wikipedia. Como puede ver, está buscando miembros de la tabla con N menor que Z.

En esta tabla, está buscando isótopos que estén aproximadamente por encima de la zona gris (también conocida como banda o cinturón de estabilidad ).

Los colores indican qué tan estables son los isótopos, los isótopos grises son estables, los isótopos blancos tienen una vida media de menos de un día, otros colores están en algún punto intermedio. Según la tabla, solo hay tres isótopos con menos neutrones que protones y una vida media de más de un día. hidrógeno-1 y helio-3 que son estables y berilio-7 con una vida media de alrededor de 53 días.

Según Wikipedia :

Además del protio (hidrógeno ordinario), el helio-3 es el único isótopo estable de cualquier elemento con más protones que neutrones.

Para que un núcleo atómico sea estable, la fuerza de repulsión entre los protones debe ser menor que la energía de enlace.

Esto realmente no tiene ningún sentido. No se puede comparar la energía de enlace con la fuerza de repulsión . Esto sería obvio si tratara de cuantificar la afirmación: es mucho más fácil decir que la energía debe ser mayor que la fuerza; es mucho más difícil ponerlo en una ecuación :)

Más bien, hay dos energías de enlace involucradas: una de la fuerza electromagnética y otra de la fuerza nuclear fuerte (podemos ignorar las otras interacciones fundamentales). Entonces, ¿es suficiente que la energía de enlace electromagnético sea más pequeña que la energía de enlace fuerte?

La estabilidad no se trata de números absolutos o de energías relativas. Se trata de si hay un estado de menor energía que puedas ocupar, alcanzable con la energía que tienes (por ejemplo, sin barrera de energía, o una barrera lo suficientemente pequeña para hacer un túnel cuántico, o una barrera lo suficientemente pequeña para la temperatura dada), y sin romper ninguno de las leyes de conservación. Un protón tiene mucha más energía que un electrón; pero no puede decaer porque no hay nada en lo que decaer. Un neutrón tiene solo un poco más de energía que un protón, pero se descompone fácilmente en un protón (+ un electrón y un electrón anti-neutrino). Los neutrones libres no son estables.

Si tiene un núcleo donde el valor absoluto de la energía de enlace electromagnético es mayor que la energía de enlace nuclear fuerte, no será estable. Pero eso no es suficiente; si este fuera el caso, podrías seguir agregando neutrones a los núcleos indefinidamente. La energía de enlace de un He-8 es muy grande. Pero aún se desintegra casi de inmediato, porque hay otras configuraciones que tienen una energía total más baja; en particular, liberará muy rápidamente un positrón y se transmutará en Li-8.

Pero para responder directamente a su pregunta, sí, hay núcleos estables con más protones que neutrones. El más obvio es el H-1 y el otro el He-3. He-2 está muy cerca de ser estable, pero no del todo (la fuerza fuerte es más alta que la repulsión electromagnética, pero hay otros efectos que hacen que su energía de enlace sea positiva).

Las fuerzas nucleares son fuerzas de corto alcance, si no. de protones son mayores que el número de neutrones, entonces los núcleos no son estables y se descompondrán en núcleos hijos más estables, relacionados con la energía durante este proceso debido al defecto de masa llamado energía de enlace. Ahora, en cuanto a su pregunta, hay una excepción: el helio-3 es el único isótopo estable de cualquier elemento con más protones que neutrones. con protio.