Estabilitat nuclear

Fa un parell de dies parlava dels nous elements pesants que s’han sintetitzat i del poc temps que existeixen abans de desintegrar-se. Als comentaris van plantejar si hi havia un límit a la mida que podia tenir un nucli atòmic. Ara coneixem elements com l’ununocti, que té cent divuit protons i cent setanta sis neutrons. Existeix durant menys d’un mil·lisegon, però que sigui inestable ja és el normal en tots els elements més pesants que el plom.

En realitat l’estrany és que existeixin elements més enllà de l’hidrogen (que només té un únic protó al nucli). Tots sabem que les càrregues d’igual signe es repelen. Si agafes dos imants, hi ha una posició en la que queden units, però si els poses en posició contraria, encarant els dos pols positius i els dos negatius, no hi ha manera d’unir-los. I com més els apropes, més fort notes la repulsió. En realitat, la força de repulsió es més gran com més properes estan les dues càrregues, de manera que… com s’ho fan els protons de dins el nucli per no sortir disparats en direccions contràries? La distància que els separa és menor que un nucli d’un àtom i tots dos tenen càrrega positiva, de manera que la força de repulsió és (literalment) descomunal!

Però tot és qüestió d’equilibris. La força electromagnètica els vol separar, però hi ha més forces a l’univers, i la important dins el nucli és una que s’anomena “força nuclear forta”. Aquesta actua atraient entre sí als protons i neutrons. I ho fa amb una intensitat molt més gran que la electromagnètica, de manera que pot compensar la repulsió entre els protons i mantenir el nucli de l’àtom unit.

Que hi hagi forces diferents amb intensitats diferents ho podem experimentar si comparem l’efecte de la gravetat i del magnetisme. Podem agafar un imant, posar-lo sobre un clip i veurem com aquest s’aixeca i s’uneix a l’imant. La força que exerceix un petit imant sobre un clip supera la força gravitatòria que exerceix tot el planeta Terra sobre el mateix clip. Una, (la gravetat) és una força molt feble, però que actua sense límit de distància. L’altre, l’electromagnetisme, és molt més forta, però actua només a distàncies curtes (cal apropar molt l’imant perquè es noti).

Dons al nucli, tres quarts del mateix. La força nuclear forta és extraordinàriament intensa, però només actua a distàncies extraordinàriament petites. De fet, on es nota de veritat és a l’interior dels mateixos protons, però també manté els protons i neutrons units. El problema comença quan el nucli de l’àtom es fa molt gran. A mida que anem posant protons i neutrons dins un nucli atòmic, obtenim una mena d’esfera cada vegada més gran. A partir de determinada mida, la força nuclear forta ja perd activitat. En canvi, l’electromagnètica encara és activa i els protons comencen a notar la repulsió cada vegada més intensa entre ells.

Per això, els àtoms pesants, que tenen molts protons i neutrons i per tant son molt grans, van perdent l’estabilitat. Si son més grans que el plom, però no massa, es poden mantenir units durant molt temps, però no indefinidament. Especialment si hi ha molts neutrons entremig ajudant a mantenir una mica separats els protons encara que el nucli quedi una mica deformat. Però, abans o després, la distribució de càrregues dins el nucli es desequilibrà i la repulsió electromagnètica farà que el conjunt es trenqui en dos nuclis més petis. Aleshores diem que l’àtom s’ha desintegrat.

La clau perquè un nucli pugui existir és mantenir-se dins la distància d’actuació de la força nuclear forta. És, com si diguéssim, la “zona de confort” dels nuclis atòmics.

7 comentaris

  • Joan Codina

    14/01/2016 10:12

    hahaha doncs la wiki està malament :P

    2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126 (després ja són especulacions en funció de l’esfericitat del nucli)

    Racionals (segons tu) fumats (segons jo) és com van fer la cromodinàmica.

  • Daniel Closa

    14/01/2016 9:02

    Joan: La cromodinàmica quàntica és una passada, però sempre pensaré que no van estar brillants amb el nom. Sempre caldrà anar especificant que quan parlen de colors, no tenen res a veure amb els colors de la vida normal. Va ser una tria massa racional. :-)

    Omalaled: En realitat tens raó. Les normes concretes d’estabilitat tenen combinacions determinades que matisen les normes generals. També copiat de la Wiki:

    Todo núcleo con 3, 9, 21, 29, 51, 83, 127, neutrones o protones, son estables. Son los llamados números mágicos, que corresponden a capas nucleares completas.
    Todo núcleo con Z menor o igual a 20, que presenta relación neutrón, protón (N/Z) igual a 1 es estable.
    Todo núcleo con Z mayor que 20, menor a 84, que presenta relación neutrón, protón (N/Z) entre 1 y 1.5 es estable.
    Los núcleos con Z menor a 84 son más estables que los que tienen Z mayor a 84.
    Todos los núcleos con números de nucleones pares son más estables que los impares.

  • omalaled

    14/01/2016 1:18

    Hola, Dan.

    Entenc que afirmes que el plom és l’element estable més pessant. Potser no és del tot corrrecte. Faig copy-paste de la wikipedia

    El átomo de bismuto se sigue considerando -popularmente- como el más pesado entre los átomos estables, ya que su tiempo de vida es varios millones la edad total del universo, además de que en teoría, todos los elementos químicos a partir del niobio están sujetos a fisión espontánea, es decir, todos los elementos con número superior al número 41 teóricamente pueden ser inestables, si bien en el bismuto la desintegración fue visible por estudios franceses en la última década. Es también el elemento no radiactivo monoatómico más pesado que existe.

    Només era una puntualització que crec curiosa :-)

    Una abraçada

  • Joan Codina

    13/01/2016 12:19

    Una nota de color.. De la mateixa manera que hi ha càrrega “+” i càrrega “-” hi ha diferents càrregues de color pels quarks “vermell”, “verd” i “blau” amb les seves càrregues de signe contrarii “antivermell”, “antiverd” i “antiblau”. La força nuclear forta, la més forta de totes, no soporta veure les coses de colors i fa que sempre s’ajuntin els quarks per fer el color blanc, que s’aconsegueix unint “vermell”+”verd”+”blau” o un color i el seu anticolor. La gràcia és que a prop d’un d’aquests triplets (protons o neutrons) hi haurà uns efectes residuals d’aquestes forces de color que farà que 2 protons (amb estructura interna de colorets) se sentin atrets a distàncies curtíssimes (0.000000000000001 m ).

    Però, i el límit?? Quin és l’últim àtom? Aquesta pregunta encara no s’ha respost (satisfactòriament), no?

  • Daniel Closa

    13/01/2016 10:42

    Carquinyol. Gràcies!!
    L’origen de la força nuclear’ Buf. Es pot mirar de moltes maneres. Igual que hi ha un camp gravitatori o un camp electromagnètic, per la força nuclear forta també hi ha un camp que s’anomena “camp de color” (i que no te res a veure amb els colors que veiem, però calia posar-hi un nom per entendre’s). El que passa és que mentre que la gravetat o l’electromagnetisme els podem percebre a la vida normal, el camp de color ja es un fenomen que no experimentem mai ja que només es nota dins els nuclis atòmics.
    (De nou… això dóna per un alter post!) :-)

    Pons: Home! Ja t’ho vaig dir! :-)
    Les (teòriques) illes de l’estabilitat es basen en que si el nucli és prou gran, determinades combinacions de protons i neutrons es poden distribuir en capes dins el nucli, de manera que el repartiment i els equilibris de forces es compensen millor i donen una mica més d’estabilitat.
    L’ununocti té una vida molt curta, de mil·lisegons, però ja és més gran de la que es podria esperar. Sembla que comença a trobar-se al principi d’aquesta illa d’estabilitat.

  • Pons

    13/01/2016 9:54

    Caram! El dilluns no pensava que rebria una resposta tan detallada i completa de la meva pregunta, moltes gràcies! Influeixo en el contingut del centpeus! Em sento important :P

    Tot i això tinc una altra pregunta, dilluns vas comentar sobre les “illes d’estabilitat” en elements grans, quina justificació tenen?

  • Carquinyol

    13/01/2016 9:04

    Sembla mentida però crec que he entès perquè aquests àtoms amb més elements al nucli són més inestables !!!! Molt bona explicació i moltes gràcies !

    Ara.. la força nuclear forta quin origen té ? El de l’electromagnetisme ès per la càrrega elèctrica, però aquesta ?