El berilio-8 ( 8 Be , Be-8 ) es un radionúclido con 4 neutrones y 4 protones . Es una resonancia no ligada y nominalmente un isótopo de berilio . Se descompone en dos partículas alfa con una vida media del orden de 10 a 16 segundos; esto tiene ramificaciones importantes en la nucleosíntesis estelar, ya que crea un cuello de botella en la creación de elementos químicos más pesados . Las propiedades de 8 Be también han llevado a especulaciones sobre el ajuste fino del Universo., Y las investigaciones teóricas sobre la evolución cosmológica habían 8 Be ha mantenido estable.
General | |
---|---|
Símbolo | 8 ser |
Nombres | berilio-8, Be-8 |
Protones | 4 |
Neutrones | 4 |
Datos de nucleidos | |
Abundancia natural | 0 [a] |
Media vida | 8,19 (37) × 10 −17 s |
Productos de descomposición | 4 él |
Masa de isótopos | 8.00530510 (4) u |
Girar | 0 |
Modos de decaimiento | |
Modo de decaimiento | Energía de desintegración ( MeV ) |
α | (91,84 ± 4) × 10 −3 [2] |
Isótopos de berilio Tabla completa de nucleidos |
Descubrimiento
El descubrimiento del berilio-8 se produjo poco después de la construcción del primer acelerador de partículas en 1932. Los físicos británicos John Douglas Cockcroft y Ernest Walton realizaron su primer experimento con su acelerador en el Laboratorio Cavendish de Cambridge , en el que irradiaron litio-7 con protones. . Informaron que esto pobló un núcleo con A = 8 que se desintegra casi instantáneamente en dos partículas alfa. Esta actividad se observó nuevamente varios meses después y se infirió que se originó en 8 Be. [3]
Propiedades
El berilio-8 no está unido con respecto a la emisión alfa por 92 keV; es una resonancia que tiene un ancho de 6 eV. [4] El núcleo de helio-4 es particularmente estable, tiene una configuración doblemente mágica y una energía de unión por nucleón mayor que 8 Be. Como la energía total de 8 Be es mayor que la de dos partículas alfa , la desintegración en dos partículas alfa es energéticamente favorable, [5] y la síntesis de 8 Be a partir de dos núcleos de 4 He es endotérmica. La desintegración del 8 Be es facilitada por la estructura del núcleo del 8 Be; está muy deformado y se cree que es un grupo similar a una molécula de dos partículas alfa que se separan muy fácilmente. [6] [7] Además, mientras que otros alfa nucleidos tienen resonancias de corta duración similares, el 8 Be ya se encuentra excepcionalmente en el estado fundamental . El sistema libre de dos partículas α tiene una baja energía de la barrera de Coulomb , lo que permite su existencia durante un período de tiempo significativo. [8] Es decir, 8 Be decae con una vida media de 8,19 × 10 −17 segundos. [9]
8 Be también tiene varios estados emocionados. Estas también son resonancias de corta duración, con anchos de hasta varios MeV e isospines variables , que rápidamente decaen al estado fundamental o en dos partículas alfa. [10]
Anomalía de la desintegración y posible quinta fuerza
Un experimento de 2015 de Attila Krasznahorkay et al. En el Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia Húngara de Ciencias, se encontraron desintegraciones anómalas en los estados excitados de 17,64 y 18,15 MeV de 8 Be, poblados por irradiación de protones de 7 Li. Se observó un exceso de desintegraciones creando pares electrón - positrón en un ángulo de 140 ° con una energía combinada de 17 MeV. Jonathan Feng y col. atribuye esta anomalía de 6,8 σ a un bosón X protofóbico de 17 MeV denominado partícula X17 . Este bosón mediaría una quinta fuerza fundamental que actúa sobre un rango corto (12 fm ) y quizás explique la desintegración de estos 8 estados excitados. [10] Una repetición de este experimento en 2018 encontró la misma dispersión anómala de partículas y estableció un rango de masa más estrecho del quinto bosón propuesto,17,01 ± 0,16 MeV / c 2 . [11] Si bien se necesitan más experimentos para corroborar estas observaciones, la influencia de un quinto bosón se ha propuesto como "la posibilidad más sencilla". [12]
Papel en la nucleosíntesis estelar
En la nucleosíntesis estelar , dos núcleos de helio-4 pueden colisionar y fusionarse en un solo núcleo de berilio-8. El berilio-8 tiene una vida media extremadamente corta (8,19 × 10 −17 segundos) y se desintegra en dos núcleos de helio-4. Esto, junto con la naturaleza libre de 5 He y 5 Li, crea un cuello de botella en la nucleosíntesis del Big Bang y la nucleosíntesis estelar , [8] ya que requiere una velocidad de reacción muy rápida. [13] Esto impide la formación de elementos más pesados en el primero y limita el rendimiento en el segundo proceso. Si el berilio-8 choca con un núcleo de helio-4 antes de descomponerse, pueden fusionarse en un núcleo de carbono-12 . Esta reacción fue teorizada por primera vez de forma independiente por Öpik [14] y Salpeter [15] a principios de la década de 1950.
Debido a la inestabilidad del 8 Be, el proceso triple alfa es la única reacción en la que se pueden producir 12 C y elementos más pesados en cantidades observadas. El proceso de triple alfa, a pesar de ser una reacción de tres cuerpos, se facilita cuando la producción de 8 Be aumenta de manera que su concentración es aproximadamente 10 −8 en relación con 4 He; [16] esto ocurre cuando el 8 Be se produce más rápido de lo que decae. [17] Sin embargo, esto por sí solo es insuficiente, ya que la colisión entre 8 Be y 4 He es más probable que rompa el sistema en lugar de permitir la fusión; [18] la velocidad de reacción aún no sería lo suficientemente rápida para explicar la abundancia observada de 12 C. [1] En 1954, Fred Hoyle postuló así la existencia de una resonancia en el carbono-12 dentro de la región de energía estelar de la triple alfa proceso, mejorando la creación de carbono-12 a pesar de la vida media extremadamente corta del berilio-8. [19] La existencia de esta resonancia (el estado de Hoyle ) se confirmó experimentalmente poco después; su descubrimiento ha sido citado en formulaciones del principio antrópico y la hipótesis del Universo afinada. [20]
Universos hipotéticos con 8 Be estable
Como el berilio-8 no está unido por solo 92 keV, se teoriza que cambios muy pequeños en el potencial nuclear y el ajuste fino de ciertas constantes (como α, la constante de estructura fina ), podrían aumentar suficientemente la energía de unión de 8 Be para prevenir su desintegración alfa, lo que la hace estable . Esto ha llevado a investigaciones de escenarios hipotéticos en los que 8 Be es estable y a especulaciones sobre otros universos con diferentes constantes fundamentales. [1] Estos estudios sugieren que la desaparición del cuello de botella [20] creado por 8 Be daría como resultado un mecanismo de reacción muy diferente en la nucleosíntesis del Big Bang y el proceso triple alfa, además de alterar la abundancia de elementos químicos más pesados. [4] Dado que la nucleosíntesis del Big Bang solo se produjo en un período corto con las condiciones necesarias, se cree que no habría una diferencia significativa en la producción de carbono incluso si el 8 Be fuera estable. [8] Sin embargo, el 8 Be estable permitiría vías de reacción alternativas en la quema de helio (como 8 Be + 4 He y 8 Be + 8 Be; constituyendo una fase de "quema de berilio") y posiblemente afectaría la abundancia del 12 C resultante , 16 O, y núcleos más pesados, aunque 1 H y 4 Él seguirían siendo los nucleidos más abundantes. Esto también afectaría la evolución estelar a través de un inicio más temprano y una tasa más rápida de quema de helio (y de berilio), y resultaría en una secuencia principal diferente a la de nuestro Universo. [1]
Notas
- ^ No ocurre naturalmente en la Tierra, pero existe en equilibrio secular en los núcleos de las estrellas que queman helio. [1]
Referencias
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Más ligero: berilio-7 | El berilio-8 es un isótopo del berilio. | Más pesado: berilio-9 |
Producto de desintegración de: carbono-9 ( β + , p ) boro-9 ( p ) litio-8 ( β - ) | Cadena de desintegración del berilio-8 | Decae a: helio-4 (α) |