Niveles de energía nuclear
Analogías con los niveles de energía del átomo …
Un espectro gamma
Una consecuencia de los niveles de energía nuclear es la emisión de fotones gamma con energías características. Estos rayos juegan el papel de huellas digitales, frecuentemente utilizadas para identificar núcleos radiactivos en una muestra dada. La imagen de arriba muestra los fotones que salen de dicha muestra, y las energías medidas con precisión asociadas con cada uno. Podemos ver rápidamente una serie de líneas características, que indican la existencia de ciertos elementos. Las mediciones continuas de fondo, que exceden los 100 kiloelectronvoltios que es la energía máxima que los rayos X pueden tener, son causadas por la presencia de rayos gamma mal detectados.
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A primera vista, los núcleos parecen ser muy diferentes de los átomos. Más de cien mil veces más pequeños, también son mucho más complejos; Los átomos están compuestos principalmente de espacio vacío, mientras que el interior del núcleo es extremadamente denso. A pesar de estas diferencias, sin embargo, los átomos y los núcleos tienen mucho en común.
El comportamiento de un núcleo se rige por las leyes de la mecánica cuántica; leyes que reemplazan a las de la mecánica clásica a escala microscópica. Estas leyes cuánticas obligan al núcleo a existir en cualquiera de un número finito de ‘estados’, definidos principalmente en términos de la energía que posee. Esta energía es mínima cuando el núcleo está aislado, un estado que generalmente se conoce como el ” estado fundamental “.
Niveles de energía de Nickel 60:
Este diagrama representa la escalera de energía de un núcleo de níquel 60 (producto de la descomposición del cobalto-60), cuyos peldaños indican los niveles de energía que el núcleo puede alcanzar. El más bajo llamado estado fundamental, representa la energía de un núcleo en reposo. Si se eleva a cualquiera de los niveles superiores, el núcleo emite inmediatamente uno o más rayos gamma característicos, bajando su energía lo suficiente como para permitirle recuperar el estado fundamental. Estas energías se calculan tomando la diferencia entre las energías de salida y llegada (medidas con mucha precisión). Las transiciones numeradas 4 y 5, con mucho las más comunes, se han representado con flechas más gruesas.
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Cuando el núcleo está en un nivel diferente, se encuentra con un excedente de energía. Esta energía extra se libera en forma de un fotón _ o gamma, permitiendo así que el núcleo alcance su estado fundamental una vez más. Estos fotones gamma son del mismo tipo que los rayos X emitidos por los átomos, pero tienen energías mucho mayores, que pueden ser del orden de un millón de electronvoltios (MeV
)
Los estados de energía de la comunidad de nucleones que coexisten en cualquier núcleo dado pueden variar, principalmente debido a una estructura tipo ‘capa’ que no es diferente a la que existe en el átomo. La energía de unión que mantiene unidos a los nucleones puede tomar cualquiera de una selección de valores que corresponden al número de ‘capas’ que existen.
Se observa que los núcleos con 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126 nucleones son particularmente estables; Una analogía interesante con la estabilidad de los átomos de los gases nobles cuyas capas electrónicas más externas se dice que están completas.
Espectro gamma de cobalto 60:
Los estados excitados del níquel 60 se alcanzan cuando el cobalto 60, un isótopo ampliamente utilizado en medicina, sufre desintegración beta. En el camino del núcleo al estado fundamental, emite una serie de rayos gamma para gastar la energía adicional que posee. El diagrama de arriba muestra la energía y la frecuencia de estos gamma. También muestra que dos de estos rayos gamma se emiten prácticamente el 100% del tiempo. Estos dos rayos gamma emitidos en cascada tienen una energía de alrededor de 1 MeV. La presencia de estas dos energías de rayos gamma características (1.17324 y 1.33250 MeV) sirve como un indicador extraordinariamente sensible de la descomposición del cobalto 60.
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