Núcleo atómico

El núcleo atómico se refiere a la región ubicada en el centro de un átomo formada por protones y neutrones ( nucleones ). El tamaño del núcleo (del orden de un femtómetro, es decir , 10-15 metros ) es aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el del átomo ( 10-10 metros) y concentra casi toda su masa. Las fuerzas nucleares que actúan entre nucleones son aproximadamente un millón de veces mayores que las fuerzas entre átomos o moléculas . Se dice que un núcleo inestable es radiactivo , está sujeto a transmutación , ya sea espontánea o provocada por la llegada de partículas adicionales o radiación electromagnética .

Características físicas

El átomo tiene una estructura lacunar , es decir que entre los electrones y el núcleo solo hay vacío , vacío cuántico por lo tanto no realmente vacío ya que de energía no nula.

Composición y estructura

El núcleo de un átomo está formado por partículas llamadas nucleones (protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros) fuertemente unidos entre sí (con la excepción del hidrógeno 1 H, cuyo núcleo está formado simplemente por un solo protón). Su cohesión está asegurada por la fuerte interacción , la fuerza principal en el núcleo, que mantiene unidos a los nucleones y evita que se alejen unos de otros.

Para modelar esta atracción entre nucleones, podemos definir una energía de enlace nuclear que se puede calcular a partir de la fórmula de Bethe-Weizsäcker .

Se pueden utilizar dos modelos nucleares para estudiar las propiedades del núcleo atómico:

el modelo en capas ;
el modelo de la gota de líquido .

Los isótopos son átomos con el mismo número de protones (mismo número atómico Z) pero un número diferente de neutrones.

Un elemento químico se caracteriza por el número de protones que componen su núcleo, específicamente llamado número atómico y tomó nota de Z . Un átomo que tiene tantos electrones como protones, lo que explica su neutralidad eléctrica, Z es también el número de electrones de dicho elemento.

Para un mismo elemento, encontramos en la naturaleza diferentes nucleidos con diferente número de neutrones. Estos núcleos se denominan isótopos del elemento con este número atómico. El número de masa A de un átomo es el número total de nucleones (protones y neutrones) que forman un núcleo. El número de neutrones N es igual a A - Z .

Por tanto, un nucleido X es un núcleo caracterizado por su número de masa A y su número atómico Z ; se denota A Z X (lea XA , el número atómico está implícito).

Por ejemplo, hidrógeno 1 1 H, deuterio D o 2 1 H y tritio T o 3 1 H son tres isótopos de hidrógeno.

En la práctica, el número atómico Z generalmente se omite porque es redundante con el símbolo químico, para mantener solo la notación A X. Por lo tanto, si tomamos el ejemplo citado anteriormente, el hidrógeno ordinario, el deuterio y el tritio se notan con mayor frecuencia: 1 H, 2 H y 3 H.

Los diferentes isótopos de un mismo elemento tienen propiedades químicas similares porque dependen principalmente de su número de electrones. Sin embargo, su masa atómica distinta les permite separarse utilizando una centrífuga o un espectrómetro de masas .

Los isótopos también se diferencian por su estabilidad y su vida media (o vida media radiactiva ): los isótopos con un déficit o un exceso de neutrones suelen ser más inestables y, por tanto, radiactivos . Por ejemplo, el carbono 12 (el más común) y el carbono 13 son perfectamente estables, mientras que los isótopos de carbono "más pesados" que 13 C son radiactivos (como el carbono 14 , con una vida media de 5730 años). O "más ligeros" que 12 C (como el carbono 11 , con una vida media de 20 minutos). Tenga en cuenta que también hay elementos para los que todos los isótopos son inestables, como el tecnecio o el prometio .

Isómeros

Los isómeros nucleares son átomos con idéntico número de protones y neutrones (y que, por tanto, pertenecen al mismo isótopo) pero que presentan diferentes estados de energía. Este suele ser el resultado de una organización diferente de los nucleones dentro del núcleo. El estado con la energía más baja se llama "estado fundamental", y cualquier estado con la energía más alta se llama "estado excitado".

Cuando la distinción es necesaria, los isómeros distintos del estado fundamental se identifican mediante la letra "m" añadida después del número de masa y posiblemente seguida de un número si hay varios estados excitados para el isótopo en cuestión. Por tanto, el aluminio 26 tiene dos isómeros denominados 26 Al para el estado fundamental y 26m Al para el estado excitado. Otro ejemplo, el tantalio 179 tiene no menos de siete isómeros, que se anotan (pasando del estado fundamental al estado excitado de mayor energía): 179 Ta, 179m1 Ta, 179m2 Ta, 179m3 Ta, 179m4 Ta, 179m5 Ta, y finalmente 179m6 Ta.

En general, los estados excitados son muy inestables y experimentan rápidamente una transición isomérica que los lleva al estado fundamental (o un estado excitado menos energético) y durante el cual el exceso de energía se evacua en forma de fotón . Sin embargo, hay excepciones y algunos estados excitados de algunos isótopos pueden tener una vida media más larga que el estado fundamental correspondiente (como el tantalio de 180 m o el americio de 242 m ).

Masa atomica

La masa atómica isotópica de un elemento es la masa correspondiente a los nucleidos N A de este mismo isótopo, siendo N A el número de Avogadro (aproximadamente 6.022 04 × 10 23 ).

Definición: la masa de átomos de N A del carbono 12 es exactamente 12 g .

La masa atómica de un elemento químico es el promedio ponderado de las masas atómicas de sus isótopos naturales; algunos elementos químicos tienen isótopos radiactivos de vida muy larga y, por lo tanto, su composición isotópica natural, así como su masa atómica, cambia durante largos períodos de tiempo, como las eras geológicas. Este es particularmente el caso del uranio .

Estabilidad

Energía de unión

Algunos núcleos son estables, es decir que su energía de enlace es suficiente, por lo que su vida útil es ilimitada. Otros son inestables y tienden a transformarse espontáneamente en un núcleo más estable al emitir radiación. Esta inestabilidad se debe a la gran cantidad de nucleones que disminuye la energía unitaria de cada enlace en el núcleo, haciéndolo menos coherente. La transformación (espontánea) por radiactividad siempre da como resultado un aumento de la energía de enlace media de los nucleones en cuestión.

Existen 3 tipos de radiactividad, según el tipo de partícula emitida:

Α radiactividad si emite uno o más nucleones (protón, neutrón o partícula α )
Β radiactividad si emite un electrón o un positrón con un neutrino .

Estos dos tipos de radiactividad suelen ir acompañados de radiación gamma (emisión de fotones ).

Ejemplo:

los uranio 235 y 238 tienen vidas medias que los de su "familia" antes de liderar los respectivos isótopos estables de plomo .
el nitrógeno 16 (16 nucleones, 7 protones, neutrones 9) se convierte en oxígeno 16 (16 nucleones, 8 protones, neutrones 8) segundos después de su creación por radiactividad beta: la interacción baja transforma uno de los neutrones en el núcleo en un protón y un electrón, cambiando así el número atómico del átomo.

Numero de nucleones

La estabilidad de un núcleo atómico depende de la naturaleza y el número de nucleones que lo componen.

Se encontró una mayor frecuencia de núcleos estables (152) si están compuestos por varios protones (Z) y neutrones (N) pares . Este número aumenta a 55 para Z par y N impar y a 52 para Z impar y N par. Solo hay unos pocos núcleos estables con un número impar de protones y un número de neutrones.

También existen números mágicos (número de protones y / o número de neutrones) para los que la abundancia natural de isótopos estables es mayor: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Este es el caso por ejemplo del helio núcleo , doblemente mágico, correspondiente a la partícula alfa emitida por ciertos núcleos.

Media vida

La vida media de un isótopo es el período después del cual, estadísticamente, la mitad de los átomos de una muestra inicial se habrán desintegrado. Los núcleos pueden tener vidas medias muy diferentes, de hecho abarcando todo el rango de tiempo .

Un núcleo se considera un elemento (a diferencia de una resonancia) cuando su vida útil es lo suficientemente larga como para que una procesión electrónica tenga tiempo de formarse (es decir, ~ 10-15 s)

intervalo de duración	Isótopo	Media vida
<1 segundo	Hidrógeno 7	2,2 × 10 −23 s
De 1 segundo a 1 minuto	Nitrógeno 16	7,13 segundos
De 1 segundo a 1 minuto	Flúor 20	11.163 s
De 1 minuto a 1 hora	Oxígeno 15	2.037 min
De 1 minuto a 1 hora	Carbono 11	20,38 min
De 1 hora a 1 día	Flúor 18	1.8293 horas
De 1 día a 1 año	Radio 224	3,62 días
De 1 día a 1 año	Radón 222	3.8235 días
De año en milenio	Sodio 22	2.605 años
	Cobalto 60	5.272 años
	Tritio ( hidrógeno 3)	12.329 años
	Estroncio 90	28,78 años
	Cesio 137	30,254 años
Del milenio al millón de años	Radio 226	1602 años
	Carbono 14	5730 años
	Cloro 36	301.000 años
	Aluminio 26	717.000 años
De un millón de años a mil millones de años	Plutonio 244	80,8 × 10 6 años
De un millón de años a mil millones de años	Uranio 235	704 × 10 6 años
De mil millones (10 9 ) a mil mil millones (10 12 ) años	Potasio 40	1,28 × 10 9 años
	Uranio 238	4.468 × 10 9 años
	Torio 232	14,05 × 10 9 años
	Samario 147	106 × 10 9 años
De mil billones (10 12 ) a un millón de billones (10 15 ) años	Osmio 184	56 × 10 12 años
	Indio 115	441 × 10 12 años
De millones de billones (10 15 ) a billones de billones (10 18 ) años	Vanadio 50	140 × 10 15 años
Más allá de mil millones de millones de años (> 10 18 años)	Calcio 48	> 6 × 10 18 años
	Molibdeno 100	7.8 × 10 18 años
	Bismuto 209	(19 ± 2) × 10 18 años
	Circonio 96	> 20 × 10 18 años
	Telurio 130	790 × 10 18 años
	Xenón 124	1.8 × 10 22 años
Más allá de un millón de billones de billones de años (> 10 24 años)	Telurio 128	2,2 × 10 24 años

Núcleo estable

De hecho, los llamados núcleos estables lo son solo en la medida en que su vida útil sea alrededor de la del protón , un barión (¿meta?) Estable. El protón tendría, según la teoría, una vida media de aproximadamente 10 33 años, pero los experimentos llevados a cabo para medir esta desintegración del protón, verdadera piedra angular de la materia, no verificaron esta predicción: el protón sería más estable siempre que.

Tamaño y forma

El radio de un nucleón es del orden de 10-15 m, o 1 fm ( femtómetro ), entendiéndose aquí el término radio en el sentido de tener una probabilidad significativa de detectar el nucleón en el volumen de espacio considerado. Como primera aproximación, generalmente consideramos que el radio r de un núcleo de número de masa A vale ( modelo de gota de líquido ) , con r o = 1.4 fm . Tenga en cuenta que cuando A es pequeño, especialmente menos de 16, r o puede ser de 1,2 fm . ${\ begin {smallmatrix} r \ = \ r _ {\ circ} {\ sqrt [{3}] {A}} \ end {smallmatrix}}$

Esto es menos del 0,01% del radio total del átomo. Por tanto, la densidad del núcleo es considerablemente mayor que la del propio átomo. Es aproximadamente constante para todos los núcleos en su estado fundamental (no excitado ): alrededor de 200 millones de toneladas por cm 3 ( 2 × 10 14 g · cm -3 ), densidad del fluido nuclear. (Este valor parece demasiado bajo: vea la discusión).

El tamaño y la forma reales de un núcleo específico dependen en gran medida del número de nucleones que contiene, así como de su estado energético. Los núcleos más estables generalmente tienen una forma esférica en reposo y pueden tomar, por ejemplo, la forma de un elipsoide si están excitados. Se pueden observar formas bastante extrañas según los estados de excitación, pera , platillo, incluso maní .

En el caso de los núcleos halo , algunos nucleones pueden tener funciones de onda claramente distendidas, rodeando así con un halo el núcleo más compacto formado por los otros nucleones. El litio 11 aparece por ejemplo compuesto por un núcleo de litio 9 (el isótopo más estable) rodeado por un halo de dos neutrones; su tamaño es entonces cercano al del plomo 208 , que tiene 20 veces más nucleones.

El núcleo estable más pesado consta de 82 protones y 126 neutrones: es el plomo 208 . Los elementos más pesados son todos inestables. Hasta el uranio inclusive, todos están presentes de forma natural en la Tierra, los elementos con números atómicos superiores al uranio o presentes en cantidades traza pueden sintetizarse en el laboratorio. El elemento más pesado conocido hasta la fecha tiene 118 protones: es el oganesson .

Notas y referencias

Notas

Por otro lado, dos elementos más ligeros que el uranio no están presentes de forma natural: tecnecio y prometio . Al igual que los elementos transuránicos , se han sintetizado en el laboratorio.

Referencias

(en) Tabla de isótopos de carbono en Environmentalchemistry.com, y que indica, entre otras cosas, la estabilidad (o inestabilidad) de esos isótopos. En particular, consulte la columna "Half Life", que indica la vida media del isótopo, a menos que sea un isótopo estable. Consultado el 6 de febrero de 2011.
(in) M Thoennessen , " Alcanzando los límites de la estabilidad nuclear " , Informes sobre el progreso de la física , vol. 67, n o 7,2004, p. 1215 ( DOI 10.1088 / 0034-4885 / 67/7 / r04 , leer en línea ).
(in) Colaboración XENON , " Observación de la captura de dos electrones dobles de dos neutrinos en 124 Xe con XENON1T " , Nature , vol. 568,24 de abril de 2019( leer en línea ).
Luc Valentin, El mundo subatómico [ detalle de las ediciones ].

Ver también

Bibliografía

Luc Valentin, El mundo subatómico [ detalle de las ediciones ]