Estabilidad de los elementos y de sus isótopos
En el Universo existen únicamente 81 elementos estables. Uno o más isótopos de cada uno de estos elementos no sufren desintegración radiactiva de manera espontánea. No existen isótopos estables de los elementos pasando el bismuto en la tabla periódica, y dos elementos de la primera parte de la tabla, el tecnecio y el prometio, existen únicamente como isótopos de tipo radiactivo. Otros dos elementos, el uranio y el torio, de los cuales sólo existen isótopos radiactivos, son muy abundantes en la Tierra porque las vidas medias de algunos de sus isótopos son casi tan largas como la edad de la Tierra misma (rondando de 108 a 109 años).
El hecho de que el número de elementos estables sea limitado se explica si recordamos que el núcleo contiene protones con carga positiva. Entre los protones hay fuerzas de repulsión, similares a las que existen entre los electrones. Podemos visualizar los neutrones simplemente como un material que separa las cargas positivas. A medida que el número de protones aumenta, el número de neutrones del isótopo más común de cada elemento crece en una proporción mayor. Más allá del bismuto, el número de cargas positivas presentes en el núcleo se hace demasiado grande para mantener la estabilidad del núcleo y predominan las fuerzas de repulsión.
A fin de entender mejor el núcleo podemos idear un modelo cuántico, o también llamado de capas, del mismo. Así como Bohr visualizó los electrones como existentes en niveles cuánticos, de manera similar podemos visualizar capas de protones y de neutrones, que en conjunto se conocen como nucleones. Por tanto, dentro del núcleo los protones y neutrones ocupan de forma independiente niveles de energía correspondientes al número cuántico principal n. Sin embargo, el número cuántico de momento angular l, o está limitado como en el cado de los electrones. De hecho, para los nucleones el orden de ocupación comienza con 1s, 1p, 2s, 1d, etc.
Cada nivel de energía nuclear está gobernado por las mismas reglas de número cuántico magnético que los electrones, por lo que hay un nivel s, tres niveles p, y cinco niveles d. Ambos nucleones tienen números cuánticos de espín que pueden ser +1/2 o -1/2.
Con base en estas reglas encontraremos que, en el caso de los núcleos, los niveles cuánticos llenos contienen 2, 8, 20, 28, 50,82, y 126 nucleones de un tipo. Así pues, el primer nivel cuántico completo corresponde a la configuración 1s2, el siguiente a la configuración 1s21p6 y el próximo a la configuración 1s2 1p6 1d10. Los protones y los neutrones ocupan estos niveles de forma independiente. Encontramos que, del mismo modo que los niveles cuánticos de los electrones, los niveles de nucleones llenos confieren una estabilidad particular al núcleo. Por ejemplo, la desintegración de todos los elementos radiactivos más allá del plomo da por resultado la formación de isótopos de plomo, todos los cuales tienen 82 protones.
La influencia de los niveles energéticos llenos se manifiesta en los patrones que se observan entre los isótopos estables. Así, por ejemplo, el estaño, con 50 protones, tienen el mayor número de isótopos estables (10). De igual manera, hay siete elementos diferentes con isótopos que contienen 82 neutrones y seis elementos diferentes con isótopos que contienen 50 neutrones.
El apareamiento de espines, a diferencia del comportamiento de los electrones, es un factor importante en el caso de los nucleones. De hecho, de los 273 núcleos estables, únicamente cuatro tienen números impares tanto de protones como de neutrones. Los elementos con número par de protones tienden a tener muchos isótopos estables, en tanto que los que tienen número impar de protones tienden a tener uno o cuando mucho dos isótopos estables. Así por ejemplo, el cesio (55 protones), tiene sólo un isótopo estable, mientras que el bario (56) tiene siete. El tecnecio y el prometio, los únicos elementos anteriores al bismuto que existen exclusivamente como isótopos radiactivos, tienen ambos un numero impar de protones.
La mayor estabilidad de los números pares de protones en los núcleos se puede correlacionar con la abundancia de los elementos correspondientes en la Tierra. Además la disminución de la abundancia con incremento en el número atómico, vemos que la abundancia de los elementos con número impar de protones es de alrededor de un décimo de la de sus vecinos con número par.
Además de lo anterior, es importante mencionar que la estabilidad de un elemento o isótopo también puede verse afectada por factores externos, como la temperatura, la presión y la radiación. Por ejemplo, algunos isótopos pueden volverse inestables y desintegrarse cuando se exponen a altas temperaturas o a altos niveles de radiación. Esto es especialmente relevante en el contexto de las reacciones nucleares, como la fisión y la fusión, que se utilizan en las centrales nucleares y en las armas nucleares.
Por otro lado, la estabilidad de los elementos e isótopos también tiene implicaciones importantes en diversas áreas de la ciencia y la tecnología. Por ejemplo, en la medicina nuclear, se utilizan isótopos radiactivos para diagnosticar y tratar diversas enfermedades. En la arqueología y la geología, los isótopos radiactivos se utilizan para datar muestras y determinar su antigüedad. En la astrofísica, el estudio de los isótopos en las estrellas y en el espacio intergaláctico puede proporcionar información valiosa sobre la evolución del universo.
Por último, es importante mencionar que, aunque la mayoría de los elementos en la tabla periódica tienen uno o más isótopos estables, también existen elementos que no tienen ningún isótopo estable. Estos elementos, conocidos como elementos sintéticos o transuránicos, se crean en el laboratorio mediante la fusión de núcleos atómicos. Aunque estos elementos no se encuentran naturalmente en la Tierra, juegan un papel crucial en la investigación científica y en diversas aplicaciones tecnológicas.