¿Qué causa la radiactividad? ¿Es un efecto mecánico cuántico?

La radiactividad es el resultado de una confluencia de la relatividad especial y la mecánica cuántica.

La relatividad especial introduce la energía generalizada,$E=mc^2$, que permite la conservación de la energía al contar en la suma las masas restantes de las partículas que componen un núcleo. En esta conservación de energía relativista encontramos algunos isótopos nucleares que se encuentran en un nivel de energía superior a una posible reorganización de los constituyentes.

En la física clásica también, si existe un estado de energía más bajo para un sistema, es metaestable , el sistema terminará con la energía más baja al final. Cuando se trabaja con las dimensiones del núcleo, se debe utilizar la mecánica cuántica para estimar las probabilidades de transición al estado de menor energía. Además, los canales de menor energía abiertos tienen que conservar los números cuánticos del sistema.

Las desintegraciones pueden ser alfa, beta o gamma (fotones) según el tipo de núcleo y el tipo de enlace y los números cuánticos de los estados de energía.

Alfa es posible porque es un núcleo estrechamente unido y la división en alfa y el resto tiene una buena probabilidad siempre que el nivel de energía sea más alto que el nivel de energía de los estados del núcleo final. El exceso se convierte en energía cinética.

Beta proviene de núcleos que tienen un conteo alto de neutrones o un conteo alto de protones. La repulsión de demasiados protones hace que el estado de menor energía sea más favorable, y las posibilidades de decaimiento de demasiados neutrones permiten una probabilidad de decaimiento de neutrones, para aumentar el número de protones. Los tiempos de vida en general están conectados a la probabilidad calculada a partir de los modelos mecánicos cuánticos.

Gamma es más sencillo y viene porque se ha encontrado un núcleo en un estado excitado (normalmente porque es un fragmento de otra desintegración) y pasa a un estado de menor energía emitiendo una gamma.

La mayoría de los isótopos han sido estudiados y sus tiempos de vida son consistentes con los modelos nucleares mecánicos cuánticos.

Haces muchas preguntas en una, todas tienen su propia respuesta.

• Solo para aclarar, la descomposición nuclear y la reacción nuclear son dos cosas totalmente separadas y diferentes. La radiactividad se produce de forma natural, espontánea. Tienes que sentarte y esperar a que el núcleo se desintegre. Una reacción nuclear es forzada, es algo que se obtiene, por ejemplo, disparando un haz de partículas a un objetivo. Voy a explicar la radiactividad, porque las reacciones nucleares son algo amplio y enorme.

Sí, todo se vuelve "cuántico" cuando vas a contextos muy pequeños (contextos microscópicos, como átomos, núcleos, partículas, etc.).

Los nucleones dentro del núcleo (es decir, protones y neutrones) son partículas limitadas (limitadas por el potencial nuclear) organizadas en capas cuánticas , de manera similar (pero no igual) a como se organizan los electrones dentro de un átomo. Los nucleones están bien descritos por las funciones de onda cuánticas y sus números cuánticos asociados (energía, espín, momentos angulares del núcleo y de la partícula, etc.). Las energías que separan esas capas están cuantificadas , lo que significa que solo puede moverse a través de las capas (o niveles de energía) absorbiendo o irradiando energía (o partículas) en valores discretos. En algunos contextos, puedes ver una partícula como una forma de energía discreta, el ejemplo más común es el fotón (partícula) = rayo gamma (energía). En las desintegraciones nucleares, siempre se produce alguna emisión gamma (a menos que se desintegre directamente al estado inferior del núcleo hijo). Estas energías son generalmente soluciones del hamiltoniano del sistema, si eres capaz de resolver el hamiltoniano en primer lugar, lo cual no es un problema fácil, especialmente para núcleos exóticos y desconocidos.

Estos valores de energía que separan las capas no son los mismos para las mismas capas en diferentes núcleos, porque cuando comienzas a agregar y quitar nucleones, las interacciones entre ellos cambian y eso afecta el potencial nuclear, que a su vez afecta la separación de energía de los niveles ( la posición donde se encuentran las conchas, por decirlo en un lenguaje "humano", que son empujadas hacia arriba o hacia abajo). Cuando aumenta la separación de energía entre capas, eso puede ser un signo de mayor estabilidad (porque necesita más energía para moverse de una capa a la siguiente), mientras que con separaciones de energía cortas es muy fácil pasar al siguiente nivel de energía.

La radiactividad se debe a que el núcleo se vuelve inestable . Hay muchas razones por las que el núcleo puede volverse inestable, y tratará de deshacerse de esa inestabilidad y alcanzar el estado de energía más bajo del sistema (en este caso, el sistema es el núcleo), como todo en la Naturaleza.

El escenario común es: tienes un núcleo padre inestable que se descompone. Dependiendo del caso, emite algunas partículas.

Parte de la energía liberada en la desintegración es utilizada como energía cinética por el resto de la desintegración, pero parte de la energía se puede guardar como energía de excitación en el núcleo hijo. Dado que los nucleones en el núcleo hijo están organizados de cierta manera según capas, números cuánticos, energías, etc., ese núcleo tendrá un conjunto de niveles de energía que es como una huella, y los nucleones de ese núcleo serán promovidos a niveles de energía más altos utilizando la energía de excitación que mencionamos anteriormente.

Una imagen vale más que mil palabras, así que consulte este diagrama de una fuente de referencia radiactiva bien conocida, ⁶⁰ Co, donde puede ver cómo el padre ( ⁶⁰ Co) se desintegra en Ni, y Ni tiene un conjunto de niveles de excitación donde puede terminan cuando provienen de ⁶⁰ Co (su esquema completo de niveles es mucho más complejo, pero si vienes de un decaimiento, solo puedes acceder o "poblar" ciertos niveles de energía, mientras que otros están prohibidos por las leyes de la física cuántica).

^{Fuente de la imagen: Centro Nacional de Datos Nucleares}

Cuando el núcleo hijo se encuentre en estado excitado, (uno a 1332 keV y el otro a 2158 keV) intentará librarse de la inestabilidad emitiendo partículas, en este caso, rayos gamma de energías precisas (cuantizadas ) . (826 keV, 2158 keV y 1332 keV). Esta es la huella de Ni para esa descomposición.

Las inestabilidades en el núcleo se pueden producir por el desequilibrio entre el número de protones y el número de neutrones.. Debido a que los protones se repelen entre sí ya que tienen la misma carga, cuando tiene núcleos enormes con una gran cantidad de protones, necesita aumentar la cantidad de neutrones para agregar más potencial nuclear al sistema y mantenerlo acotado. Es por eso que los núcleos ligeros tienen la misma cantidad de neutrones que de protones, pero los núcleos pesados ​​tienen algunos protones y un montón de neutrones. Algunos de los experimentos que hacen los investigadores consisten en cambiar ese equilibrio agregando o quitando partículas. Si comienzas a agregar protones o eliminar neutrones de un núcleo, la repulsión de Coulomb lo hará inestable y comenzará a decaer, escupiendo protones, neutrones, electrones, positrones, lo que sea que necesite deshacerse. Pero el hecho interesante es que si agrega neutrones al sistema, ¡también se volverá inestable!El límite hasta el cual puedes agregar protones o neutrones a un núcleo hasta que deja de ser estable y comienza a decaer emitiendo nucleones del mismo tipo que estás agregando, se denominan "líneas de goteo de protones y neutrones" .

En el ejemplo anterior, ^{el 60} Co tiene 27 protones y 33 neutrones, esos 33 neutrones hacen que el núcleo sea inestable, por lo que se deshace de uno de ellos mediante el proceso de decaimiento beta menos, donde un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico:

El núcleo hijo resultante que tiene 28 protones y 32 neutrones es ⁶⁰ Ni. Parte de la energía final disponible es compartida como energía cinética por el electrón y el antineutrino, y parte de la energía se usará para excitar el Ni, que eventualmente se descompondrá gamma. Si esa configuración de 28 protones y 32 neutrones aún era inestable, el Ni encontrará la manera de descomponerse, y es posible que tenga una cadena en descomposición, como la del Torio, el Radio, etc.

Las desintegraciones alfa, beta y gamma son solo una forma de deshacerse de esa inestabilidad, y de ninguna manera son los únicos modos de desintegración en el universo. Hay muchos modos de descomposición exóticos cuando se producen núcleos exóticos en un acelerador (o en una estrella, donde se producen a diario). La emisión de protones, la emisión de neutrones, la fisión, la desintegración beta doble, la desintegración de dos protones, la agrupación, los núcleos de halo, son solo algunas de las formas en que un núcleo maneja estas situaciones inestables. El modo de decaimiento que tendrá lugar depende de varias cosas, energía, número de nucleones, espines, etc. Incluso la temperatura puede tener un papel (por ejemplo, en las estrellas, puedo pensar en el ciclo CNO) Los diferentes modos de decaimiento pueden también compiten entre sí (por ejemplo, alfa y beta, beta y emisión de partículas, etc.).

El potencial nuclear describe estos comportamientos. Sin embargo, estamos muy lejos de tener un modelo o teoría nuclear unificada . Lo que tenemos hoy es un modelo que describe núcleos estables y sus isótopos (los que puedes encontrar en la tabla periódica de los elementos). Se han estudiado durante mucho tiempo y se entienden bien. El modelo de gota líquida y el modelo de capa son dos de los primeros intentos de explicar lo que sucede en el núcleo. Por ejemplo, compruebe la fórmula de masa semiempírica, que tiene en cuenta no solo los efectos cuánticos, sino los efectos de Coulomb originados por el hecho de que los protones son partículas cargadas.

Un ejemplo de algunos niveles nucleares con espines y paridades asignadas. Lo difícil es calcular dónde están posicionados esos niveles en términos de energía, y cuáles son los valores de sus espines, paridades, etc. Este es el problema que intentan resolver los cálculos cuánticos al tratar de encontrar un modelo de potencial nuclear unificado que explique qué vemos en los datos. (Fuente de la imagen: Evidencia de una fase emparejada de protones y neutrones alineados con espín de la estructura de nivel de ⁹² Pd, B. Cederwall et al., Nature 469 , 68 (2011) , arXiv: 1101.2187 ).

Pero, ¿qué sucede cuando buscas fuera de esa región de núcleos estables? no lo sabemos El modelo de shell ya no se aplica, aparecen nuevos shells, nuevas configuraciones . Todos ellos se rigen por la mecánica cuántica y los espines, las energías, las funciones de onda y similares. No hemos encontrado un modelo de potencial nuclear que explique cada desintegración radiactiva en cualquier región de la tabla nuclear . Puedes encontrar todos los núcleos exóticos conocidos hasta la fecha en esta carta nuclear actualizada:

http://www.nndc.bnl.gov/chart/

La gente incluso ha tratado de explicar el potencial nuclear en términos de quarks y ha fallado. El núcleo al ser un sistema de muchos cuerpos, es un problema complicado de resolver . En física de partículas, la teoría te dice dónde medir para encontrar una nueva partícula. En física nuclear, primero debe medir y luego tratar de encontrar una teoría que explique los datos. Es un campo fenomenológico.

La emisión alfa

Como dije anteriormente, la posición de los niveles de energía en el núcleo y las capas también se ve afectada por otra fuerza: la fuerza de Coulomb, porque tienes una partícula cargada: el protón, y tendrás una fuerza repulsiva que actúa contra la fuerza nuclear. que quiere juntar los protones . La historia del núcleo es la historia de estas dos fuerzas que actúan una contra la otra y encuentran un equilibrio al final. Cuanto más pesado es el núcleo, más protones tiene, y cuanto mayor es la fuerza de Coulomb, mayor es también la repulsión . Si$Z$es el número de protones, Coulomb aumenta a medida que$Z^2$, mientras que el potencial nuclear aumenta a medida que$Z$(verifique la fórmula de masa de Weizsäcker, la explicación de cada término allí le dará una idea de lo que sucede dentro del núcleo).

Dado que una partícula alfa está formada por dos protones y dos neutrones, la fuerza nuclear es más fuerte que la repulsión de Coulomb para que esos dos protones se unan y formen un núcleo alfa, por lo que es una estructura muy unida y unida. Su emisión es espontánea, ya que es el producto de desintegración el que tiene la relación masa ligereza/energía liberada (su masa es muy pequeña comparada con la suma de la masa de sus constituyentes). Si observa una gráfica del número de nucleones frente a la energía límite, el núcleo de helio tiene una de las proporciones más altas y también es un átomo extremadamente estable en el mundo atómico.

Coulomb fuerza una barrera de energía, una pared de energía que la partícula alfa tiene que atravesar para escapar del núcleo. En la desintegración alfa, esto sucede gracias al efecto túnel (búsqueda de túneles cuánticos en la Wikipedia) . La partícula alfa tiene entonces una probabilidad cuántica de atravesar el túnel y ser emitida. En mi opinión, el libro que mejor explica este decaimiento es "Introducción a la física nuclear" de Kenneth S. Krane, alrededor de la página 251 . La discusión allí es una lectura bastante interesante.

No está obligado a considerar la descomposición como un fenómeno mecánico cuántico (QM). Considéralo como una reacción nuclear, que ocurre espontáneamente. Hay reacciones similares en química, como la descomposición del ozono.

QM moderno no puede calcular las probabilidades de descomposición y las vidas medias, solo se miden experimentalmente. En principio, es posible modelar el núcleo en la computadora en realidad virtual basada en QM, pero las computadoras actuales no son lo suficientemente poderosas para esto. Esto se debe a que el núcleo está pegado a una fuerza fuerte, que consiste en muchos gluones virtuales, que es difícil de modelar con precisión.

Las reacciones nucleares están guiadas por la energía de enlace y la ley de la entropía (la ley del mínimo de energía).

Exactamente como las reacciones químicas.

La energía de enlace es la energía requerida para gastar para destruir completamente un objeto enlazado, es decir, para llevar todas sus partes al infinito.

La ley de la entropía dice que la energía quiere disiparse.

Dado que muchos núcleos tienen cierta energía de enlace, esto significa que los nucleones quieren unirse. Porque al estar atados, permitirán que se disipe más energía.

A continuación se muestra la gráfica de la energía de enlace de los núcleos estables.

Nadie sabe por qué esta trama se ve así. Si uno sabe obtendrá un Nobel.

Cuanto más alta es la trama, más núcleo "rentable" describe.

La energía más vinculante es la energía del Hierro.

Nadie sabe por qué. Si uno sabe obtendrá un Nobel :)

Esto significa que todos los núcleos quieren ser de Hierro. Esta es la razón por la que todos los núcleos pre-hierro tienden a fusionarse y todos los núcleos post-hierro tienden a fisionarse.

También tenga en cuenta el pico de partículas alfa (He4). Esta es la razón por la cual la emisión de partículas alfa es la reacción más "popular". La emisión de C12 u O16 aparentemente no es posible.

Nadie sabe por qué la partícula alfa tiene una energía de enlace tan alta. Si uno sabe obtendrá un Nobel :)