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Primera detección de oxígeno 28 y modelo de capa estándar de estructura nuclear   

Oxígeno-28 (28O), el raro isótopo de oxígeno más pesado, ha sido detectado por primera vez por investigadores japoneses. Inesperadamente se descubrió que era de corta duración e inestable a pesar de cumplir con los criterios del número "mágico" de estabilidad nuclear.  

Oxígeno tiene muchos isótopos; todos tienen 8 protones (Z) en sus núcleos pero difieren en cuanto al número de neutrones (N). Los isótopos estables son 16O, 17O y 18O que tienen 8, 9 y 10 neutrones en sus núcleos respectivamente. De los tres isótopos estables, 16El O es más abundante y constituye aproximadamente el 99.74% de todo el oxígeno que se encuentra en la naturaleza. 

Detectado recientemente 28El isótopo O tiene 8 protones (Z=8) y 20 neutrones (N=20). Se esperaba que fuera estable porque cumple con el requisito del número "mágico" con respecto tanto a los protones como a los neutrones (doblemente mágico), pero se descubrió que tenía una vida corta y se desintegraba rápidamente.  

¿Qué hace que el núcleo de un átomo sea estable? ¿Cómo se mantienen unidos los protones y neutrones cargados positivamente en el núcleo de un átomo?  

Según el modelo estándar de estructura nuclear de capas, se cree que los protones y neutrones ocupan capas. Existe un límite en el número óptimo de nucleones (protones o nucleones) que pueden acomodarse en una “capa” determinada. Los núcleos son compactos y más estables cuando las “capas” están completamente llenas con un “número específico” de protones o neutrones. Estos "números específicos" se denominan números "mágicos".  

Actualmente, 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 se consideran generalmente números “mágicos”. 

Cuando tanto el número de protones (Z) como el número de neutrones (N) en un núcleo son iguales a números "mágicos", se considera un caso de magia "doble" que está asociada con una estructura nuclear estable. Por ejemplo, 16O, el isótopo de oxígeno más estable y más abundante, tiene Z=8 y N=8, que son números “mágicos” y un caso doblemente mágico. De manera similar, el isótopo recientemente detectado 28O tiene Z=8 y N=20 que son números mágicos. Por lo tanto, se esperaba que el oxígeno-28 fuera estable, pero en un experimento se descubrió que era inestable y de corta duración (aunque este hallazgo experimental aún debe validarse en experimentos repetidos en otros entornos).  

Anteriormente, se sugirió que 32 era un nuevo número mágico de neutrones, pero no se encontró que fuera un número mágico en los isótopos de potasio. 

Modelo de capa estándar de estructura nuclear, la teoría actual que explica cómo se estructuran los núcleos atómicos parece insuficiente, al menos en el caso de 28O isótopo.  

Los nucleones (protones y neutrones) se mantienen unidos en el núcleo gracias a la fuerza nuclear fuerte. La comprensión de la estabilidad nuclear y de cómo se forjan los elementos depende de una mejor comprensión de esta fuerza fundamental.  

***

Referencias:  

  1. Instituto de Tecnología de Tokio. Noticias de investigación: exploración de núcleos ligeros ricos en neutrones: primera observación del oxígeno-28. Publicado: 31 de agosto de 2023. Disponible en https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/067383  
  1. Kondo, Y., Achouri, NL, Falou, HA et al. Primera observación de 28O. Naturaleza 620, 965-970 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6 
  1. Departamento de Energía de EE. UU. 2021. Noticias: La magia se acabó para el neutrón número 32. Disponible en https://www.energy.gov/science/np/articles/magic-gone-neutron-number-32  
  1. Koszorús, Á., Yang, XF, Jiang, WG et al. Los radios de carga de isótopos exóticos de potasio desafían la teoría nuclear y el carácter mágico de N = 32. Nat. física 17, 439-443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41567-020-01136-5 

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Periodista científico | Editor fundador de la revista Scientific European

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