NOTA DEL AUTOR: Esta es una versión MUY simplificada de lo que realmente sucede. Hay una excepción compleja a la mayoría de lo que digo a continuación, ¡pero la historia general sigue siendo útil tal como está escrita! 🙂
——
El plutonio-238 sufre descomposición radiactiva por la misma razón por la que las familias se separan, países como la antigua Checoslovaquia se separan y los partidos políticos se fragmentan … las fuerzas que los mantienen unidos no son suficientes para mantenerlos juntos para siempre.
El hecho de que tengamos algún elemento, y mucho menos 100+ y contando, es notable hasta cierto punto. Piénselo … un átomo de plutonio tiene NOVENTA Y CUATRO protones en su núcleo, y todos se REPELEN entre sí como locos [a través del componente estático de la fuerza electromagnética, también conocido como repulsión de Coulomb. ] Eso es una locura: es como tratar de mantener 94 gallos juntos en un gallinero. Está en su naturaleza repelerse mutuamente con mucha fuerza.
- ¿Cuál es la distancia segura de un gramo de neptunio-237?
- ¿Podrían encontrarse rastros de neptunio-237 en algún lugar de mi casa, incluso si nunca hubiera tenido un detector de humo americio-241?
- ¿Cómo se produce la desintegración radiactiva? ¿Cuáles son ejemplos de ello en diferentes elementos?
- ¿Cuál es el origen de la emisión alfa?
- ¿Es posible que la radiactividad se transmita de una persona a otra?
Entonces, ¿cómo se quedan juntos … o, lo que es más interesante, incluso se unen en primer lugar?
Introduzca el neutrón [ indiscutiblemente mi favorito entre las partículas nucleares ]. Los neutrones son casi como protones, pero un skosh más pesado, ya que son protones en un estado unido con un electrón, dándoles una carga neutra general [ no hay detalles aquí; no quiero saturar demasiado esta discusión. ]
Resulta que AMBOS neutrones y protones también exhiben la “fuerza nuclear fuerte”. Esta es una fuerza ATRACTIVA, a diferencia de la fuerza electromagnética, que puede ser atractiva [ no “sexy”, que tiende a unir las cosas ] y repulsiva [ no “asquerosa” … simplemente lo opuesto a atractivo ].
Para nuestras sensibilidades normales, la fuerza nuclear fuerte es realmente un pato extraño. Si de alguna manera lo tuviéramos en la escala de nuestro mundo, se vería como una combinación de electricidad estática mezclada con el pegamento en la cinta de pato. Aléjese a más de 1/2 ″ de distancia, y ni siquiera sabrá que está allí … acérquese un poco y notará un poco de fuerza atractiva … acérquese un poco más y se quedará atrapado, como arenas movedizas en un Louisiana brazo pantanoso.
Así que así es como “haces” un átomo gimungo como Plutonio … Empiezas con una “sopa” de neutrones y protones [ una pila de átomos de helio del tamaño de, digamos, 3 o más masas solares funcionará bien … cuanto más, más mejor; si ya se han reunido en algunos átomos más pequeños, mucho mejor, aunque el hierro es más o menos tan pesado como será hasta que se abra la película que describo ].
Luego los consigues bien y los rompes juntos. La única forma importante en que el universo parece haber hecho esto es en un evento llamado “supernova”, por cierto [ OK, OK, las estrellas pueden hacerlo, pero no producen mucho ]. Lo que digo es que tienes que juntarlos REALMENTE, REALMENTE duro. Y, dado que la posibilidad de unir 94 de ellos en un intento dado no es tan grande, tienes que hacerlo REALMENTE, REALMENTE a menudo para obtener incluso algunos intentos de éxito, lo que significa que esta sopa tiene que ser REALMENTE, REALMENTE denso: no muy diferente a una sopa realmente densa que tu abuela bielorrusa solía hacerte en un día frío de invierno [ si tienes una abuela bielorrusa, claro está. ]
Si los acercas lo suficiente en el mismo instante, la fuerza nuclear fuerte los mantendrá unidos de manera tan fuerte que incluso esa repugnante repulsión de Coulomb será sobrepasada … al menos por el momento.
Ahora, aquí está el truco … si SOLO tienes 94 protones juntos, sus propias fuerzas nucleares fuertes no serían REMOTAMENTE lo suficientemente fuertes como para mantenerlos unidos … fuggeddiboudit. No va a suceder. Pero si obtienes algunos NEUTRONES en la mezcla, bueno, entonces es cuando ocurre la magia.
Los neutrones no tienen carga eléctrica, por lo que no tienen una pista real sobre la fuerza de Coulomb. Así que básicamente deambulan libremente, HASTA que se acerquen lo suficiente a otro neutrón, a un protón o a un grupo que se está formando. [ Estoy omitiendo los campos cuadrupolo aquí … confía en mí … eso no cambia la historia de ninguna manera material. ] Cuando se acercan tanto, esa vieja fuerza nuclear fuerte y confiable se hace cargo, y SE PEGAN. [ Piensa en un chico o chica soltera en una fiesta: deambulan hasta encontrar un grupo interesante y luego se unen a él. ]
Al agregar neutrones a la mezcla, la pila puede crecer más y agregar una fuerza nuclear fuerte más atractiva total, SIN agregar más fuerza repulsiva de Coulomb que la que ya estaba allí. Entonces las pilas unidas [ es decir, núcleos ] se hacen más y más grandes.
Eso es importante. Porque, aunque la fuerza nuclear fuerte es MUY fuerte [ es lo suficientemente fuerte como para vencer a la fuerza de Coulomb, después de todo, y eso es bastante fuerte por sí sola ], es de muy corto alcance. Los neutrones en un lado de un núcleo muy grande como Plutonio-238 están tan lejos de los neutrones y protones en el otro lado del núcleo que la fuerte atracción nuclear que mantiene todo el shebang se debilita un poco cerca de los bordes.
Además, estas no son pilas de partículas “congeladas”, al igual que un grupo de conocidos en una fiesta de cóctel no se quedará de por vida.
Un aspecto loco del universo es que en realidad no sabemos EXACTAMENTE DÓNDE está una partícula en un momento dado, o EXACTAMENTE qué tan rápido se mueve, o exactamente en qué dirección. [ Esto se describe de diversas maneras como la incertidumbre cuántica, el Principio de incertidumbre de Heisenberg, etc. Es matemáticamente riguroso, pero no voy por el rigor aquí. ]
De hecho, es aún más interesante que eso … resulta que toda la NOCIÓN de ubicaciones, velocidades o direcciones exactas es un prejuicio que los mortales, en algún lugar entre átomos y galaxias, hemos construido para nosotros mismos. A una escala muy pequeña, tal precisión literalmente no existe. Las partículas tienen una PROBABILIDAD de tener un valor específico para cada una de estas propiedades en un instante dado, pero solo una PROBABILIDAD.
Por lo tanto, una partícula no tiene una energía fija real en ningún instante dado. Podría ser más que, o podría ser menos que, lo que tenía un instante antes.
¡Entonces ahí está la llave! Imagine que un protón dentro de un núcleo está haciendo pingponing, odiando la idea de acercarse demasiado a otro protón, pero restringido por los fuertes lazos de fuerza nuclear colectiva que se unen a todos los otros protones Y a los neutrones que han podido recolectar. De vez en cuando, uno de estos tipos [ protones ] “infelices pero atados” se acercará tan peligrosamente al borde del núcleo que siente una atracción disminuida de los neutrones y protones muy lejos [ en el otro lado del núcleo ]. Si realmente se acerca lo suficiente al borde y resulta que tiene suficiente energía en ese instante debido a la repulsión de Coulomb … SE ESCAPA. Voila! ¡Radioactividad!
Ahora, para ser justos, la fuerza nuclear fuerte no es solo un extraño pato por nuestra sensibilidad humana. Por nuestra sensibilidad, también es [ y no hay mejor palabra para esto … lo siento ], bueno, KINKY. Es decir, es más fuerte en grupos de CUATRO, no en grupos de UNO, o incluso DOS o TRES, o CINCO. [ Me estoy saltando un montón de matemáticas aquí, pero por favor tengan paciencia conmigo. ] Entonces, la imagen que acabo de esbozar anteriormente es un poco simplista. Los protones básicamente no escapan de un núcleo enorme por sí mismos … tienen ayuda para salir de la cárcel. Para núcleos gigantes como el Plutonio-238, salen en grupos muy unidos de cuatro – 2 neutrones y 2 protones [ casualmente, esto es idéntico a un núcleo de gas helio, aunque cuando dejan un núcleo gigantesco, los llamamos “alfa partículas “por razones históricas ].
Esa es la razón demasiado prolija, pero con suerte entretenida, por la cual Plutonio-238 [ y, de hecho, TODOS los núcleos pesados ] son radiactivos. Son simplemente demasiado grandes para sus bultos: demasiados protones deambulando y de un diámetro tan grande que las pandillas de partículas alfa peligrosamente cercanas a un borde perderán suficiente atracción de otros protones o neutrones en el otro lado para que escapen .
¿Con qué frecuencia ocurre esto? Bueno, los átomos con 83 protones o menos [ es decir, bismuto en la tabla periódica, excepto el tecnecio, con 43 protones, y el prometio, con 61 protones, ver más abajo ] pueden permanecer juntos básicamente para siempre … lo que significa que la probabilidad de una Pandilla interna El hecho de que cuatro neutrones y protones se acerquen lo suficiente al borde para salir de la cárcel es TAN MUY bajo que la ciencia nuclear no ha existido lo suficiente como para ver que tales cosas realmente suceden. [ Bueno, en realidad, se ha visto que el bismuto decae, pero a un ritmo tan bajo que su vida media es millones de veces más larga que la edad del universo. ]
Para el elemento 84 y superior, las posibilidades de que una partícula alfa salga de la cárcel son lo suficientemente altas como para medir. ¿Qué tan alta es esa posibilidad? Bueno, cuanto más pesados se vuelven, más gordos se vuelven en general y, por lo tanto, es más probable que “filtren” partículas alfa [ es decir, decaimiento ]. Pero toda la pandilla de 4 cosas entra en juego aquí. Los núcleos cuyo total de protones más neutrones [el llamado número “A”] es divisible por 4 tienden a decaer menos rápido. Pu-238 es divisible por 2, pero no por 4, por lo que se descompone bastante rápido: un átomo elegido al azar tiene una probabilidad de 50/50 de descomponerse en 87.7 años. En comparación, el uranio-238, con el mismo número A, pero con 2 protones menos para proporcionar energía repulsiva, tiene una vida media de 4.46 MIL MILLONES de años. ¡Qué diferencia hacen un par de cargas positivas a diámetros atómicos como estos!
Digno de mención … para núcleos pequeños, la cantidad de neutrones necesarios para contribuir con una fuerza lo suficientemente fuerte como para “mantener el resto en línea” es aproximadamente 1: 1: un neutrón por protón. A medida que crece el número de protones, aumenta el número de neutrones necesarios para mantener a la manada en línea, creciendo a aproximadamente 1: 1.3 para los núcleos estables más pesados. No quiero desviarme de lo que sucede en los casos en que esa proporción es muy diferente: es una historia fascinante, pero más allá del alcance de la pregunta original.
Cuando los científicos del siglo XIX comenzaron a buscar los elementos 43 y 61, no lo encontraron … ¡y no por falta de intentos! Resulta que 43 protones [ un múltiplo de 4, más 3 ] y 61 protones [un múltiplo de 4, más 1] son solo números BAAAD para tratar de mantenerse unidos. Entonces, los Elementos 43, [ ahora conocido como Technetium ] y 61 [ ahora conocido como Promethium ], terminan sin isótopos estables. Las historias son fascinantes si te gustan este tipo de cosas, y recomiendo comenzar en Technetium y Promethium.