Cadena de descomposición - Decay chain
Física nuclear |
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Nucleus · nucleones ( p , n ) · la materia nuclear · fuerza nuclear · estructura Nuclear · reacción Nuclear |
En la ciencia nuclear , la cadena de desintegración se refiere a una serie de desintegraciones radiactivas de diferentes productos de desintegración radiactiva como una serie secuencial de transformaciones. También se conoce como "cascada radiactiva". La mayoría de los radioisótopos no se desintegran directamente a un estado estable, sino que sufren una serie de desintegraciones hasta que finalmente se alcanza un isótopo estable .
Las etapas de descomposición se conocen por su relación con las etapas anteriores o posteriores. Un isótopo padre es aquel que sufre desintegración para formar un isótopo hijo . Un ejemplo de esto es el uranio (número atómico 92) que se descompone en torio (número atómico 90). El isótopo hijo puede ser estable o puede descomponerse para formar un isótopo hijo propio. La hija de un isótopo hija a veces se denomina isótopo nieta .
El tiempo que tarda un átomo padre en descomponerse en un átomo de su isótopo hijo puede variar ampliamente, no solo entre diferentes pares padre-hijo, sino también aleatoriamente entre pares idénticos de isótopos padre e hijo. La desintegración de cada átomo se produce espontáneamente, y la desintegración de una población inicial de átomos idénticos en el tiempo t sigue una distribución exponencial en declive , e −λt , donde λ se denomina constante de desintegración . Una de las propiedades de un isótopo es su vida media , el tiempo en el que la mitad de un número inicial de radioisótopos parentales idénticos se han desintegrado a sus hijas, lo que está inversamente relacionado con λ. Las vidas medias se han determinado en laboratorios para muchos radioisótopos (o radionúclidos). Estos pueden variar desde casi instantáneos (menos de 10-21 segundos) hasta más de 10 19 años.
Las etapas intermedias emiten cada una la misma cantidad de radiactividad que el radioisótopo original (es decir, existe una relación de uno a uno entre el número de desintegraciones en etapas sucesivas) pero cada etapa libera una cantidad diferente de energía. Cuando se alcanza el equilibrio, cada isótopo hijo sucesivo está presente en proporción directa a su vida media; pero como su actividad es inversamente proporcional a su vida media, cada nucleido en la cadena de desintegración finalmente contribuye con tantas transformaciones individuales como la cabeza de la cadena, aunque no con la misma energía. Por ejemplo, el uranio-238 es débilmente radiactivo, pero la pecblenda , un mineral de uranio, es 13 veces más radiactivo que el uranio metálico puro debido al radio y otros isótopos hijos que contiene. Los isótopos de radio inestables no solo son emisores importantes de radiactividad, sino que, como etapa siguiente en la cadena de desintegración, también generan radón , un gas radiactivo pesado, inerte y de origen natural. La roca que contiene torio y / o uranio (como algunos granitos) emite gas radón que puede acumularse en lugares cerrados como sótanos o minas subterráneas.
La cantidad de isótopos en las cadenas de desintegración en un momento determinado se calcula con la ecuación de Bateman .
Historia
Todos los elementos e isótopos que se encuentran en la Tierra, con la excepción del hidrógeno, deuterio, helio, helio-3 y quizás trazas de isótopos estables de litio y berilio que se crearon en el Big Bang , fueron creados por el proceso s o el El proceso r en las estrellas, y para que sean hoy parte de la Tierra, debe haber sido creado no más tarde de hace 4.500 millones de años . Todos los elementos creados hace más de 4.500 millones de años se denominan primordiales , lo que significa que fueron generados por los procesos estelares del universo. En el momento en que fueron creados, los que eran inestables comenzaron a decaer de inmediato. Todos los isótopos que tienen vidas medias inferiores a 100 millones de años se han reducido a2,8 × 10 -12 % o menos de cualquier cantidades originales fueron creados y capturados por la acreción de la Tierra; hoy son trazas de cantidad, o se han deteriorado por completo. Solo hay otros dos métodos para crear isótopos: artificialmente , dentro de un reactor artificial (o tal vez natural ), o mediante la descomposición de una especie isotópica madre, el proceso conocido como la cadena de descomposición .
Los isótopos inestables se descomponen en sus productos secundarios (que a veces pueden ser incluso más inestables) a un ritmo determinado; eventualmente, a menudo después de una serie de desintegraciones, se alcanza un isótopo estable: hay alrededor de 200 isótopos estables en el universo. En los isótopos estables, los elementos ligeros suelen tener una proporción menor de neutrones a protones en su núcleo que los elementos más pesados. Los elementos ligeros como el helio-4 tienen una relación neutrón: protón cercana a 1: 1. Los elementos más pesados, como el plomo, tienen cerca de 1,5 neutrones por protón (por ejemplo, 1,536 en el plomo-208 ). Ningún nucleido más pesado que el plomo-208 es estable; estos elementos más pesados tienen que desprenderse de masa para lograr la estabilidad, generalmente como desintegración alfa . El otro método de desintegración común para los isótopos con una alta proporción de neutrones a protones (n / p) es la desintegración beta , en la que el nucleido cambia la identidad elemental mientras mantiene la misma masa y reduce su proporción de n / p. Para algunos isótopos con una relación n / p relativamente baja, hay una desintegración beta inversa , por la cual un protón se transforma en un neutrón, moviéndose así hacia un isótopo estable; sin embargo, dado que la fisión casi siempre produce productos que son pesados en neutrones, la emisión de positrones es relativamente rara en comparación con la emisión de electrones. Hay muchas cadenas de desintegración beta relativamente cortas, al menos dos (una desintegración beta pesada y una desintegración de positrones ligera ) por cada peso discreto hasta alrededor de 207 y algo más, pero para los elementos de mayor masa (isótopos más pesados que el plomo) hay son sólo cuatro vías que abarcan todas las cadenas de desintegración. Esto se debe a que solo hay dos métodos principales de desintegración: la radiación alfa , que reduce la masa en 4 unidades de masa atómica (uma), y la beta, que no cambia la masa atómica en absoluto (solo el número atómico y la relación p / n ). Los cuatro caminos se denominan 4n, 4n + 1, 4n + 2 y 4n + 3; el resto de dividir la masa atómica por cuatro da la cadena que usará el isótopo para descomponerse. Hay otros modos de desintegración, pero invariablemente ocurren con una probabilidad menor que la desintegración alfa o beta. (No se debe suponer que estas cadenas no tienen ramas: el diagrama siguiente muestra algunas ramas de cadenas, y en realidad hay muchas más, porque hay muchos más isótopos posibles de los que se muestran en el diagrama). El tercer átomo de nihonium-278 sintetizado sufrió seis desintegraciones alfa hasta mendelevio-254 , seguido de una captura de electrones (una forma de desintegración beta ) hasta fermio-254 , y luego un séptimo alfa hasta californio-250 , a lo que habría seguido la cadena 4n + 2 como se indica en este artículo. Sin embargo, los núclidos superpesados más pesados sintetizados no alcanzan las cuatro cadenas de desintegración, porque después de algunas desintegraciones alfa alcanzan un núclido de fisión espontánea que termina la cadena: esto es lo que sucedió con los dos primeros átomos de nihonium-278 sintetizados, así como con a todos los nucleidos más pesados producidos.
Tres de esas cadenas tienen un isótopo (o nucleido) de larga duración cerca de la parte superior; este isótopo de larga vida es un cuello de botella en el proceso a través del cual la cadena fluye muy lentamente y mantiene la cadena debajo de ellos "viva" con flujo. Los tres nucleidos de larga vida son el uranio-238 (vida media = 4.5 mil millones de años), el uranio-235 (vida media = 700 millones de años) y el torio-232 (vida media = 14 mil millones de años). La cuarta cadena no tiene un isótopo de cuello de botella tan duradero, por lo que casi todos los isótopos de esa cadena han decaído hace mucho tiempo hasta muy cerca de la estabilidad en la parte inferior. Cerca del final de esa cadena se encuentra el bismuto-209, que durante mucho tiempo se pensó que era estable. Sin embargo, recientemente se descubrió que el bismuto-209 es inestable con una vida media de 19 mil millones de millones de años; es el último paso antes del talio-205 estable. En el pasado distante, alrededor del tiempo en que se formó el sistema solar, había más tipos de isótopos inestables de alto peso disponibles, y las cuatro cadenas eran más largas con isótopos que desde entonces se han desintegrado. Hoy hemos fabricado isótopos extintos, que vuelven a ocupar sus antiguos lugares: el plutonio-239, el combustible de la bomba nuclear, como ejemplo principal, tiene una vida media de "sólo" 24.500 años y se desintegra por emisión alfa en uranio-235. En particular, gracias a la producción a gran escala de neptunio-237, hemos resucitado con éxito la cuarta cadena hasta ahora extinta. Por tanto, las tablas siguientes inician las cuatro cadenas de desintegración en los isótopos de californio con números de masa de 249 a 252.
Tipos de caries
Los cuatro modos más comunes de desintegración radiactiva son: desintegración alfa , desintegración beta , la desintegración beta inverso (considerado como tanto por emisión de positrones y captura de electrones ), y transición isomérica . De estos procesos de desintegración, solo la desintegración alfa cambia el número de masa atómica ( A ) del núcleo y siempre lo reduce en cuatro. Debido a esto, casi cualquier desintegración dará como resultado un núcleo cuyo número de masa atómica tiene el mismo residuo mod 4, dividiendo todos los nucleidos en cuatro cadenas. Los miembros de cualquier posible cadena de desintegración deben extraerse por completo de una de estas clases. Las cuatro cadenas también producen helio-4 (las partículas alfa son núcleos de helio-4).
En la naturaleza se observan tres cadenas principales de desintegración (o familias), comúnmente llamadas serie de torio , serie de radio o uranio y serie de actinio , que representan tres de estas cuatro clases y terminan en tres isótopos estables diferentes de plomo . El número de masa de cada isótopo en estas cadenas se puede representar como A = 4 n , A = 4 n + 2 y A = 4 n + 3, respectivamente. Los isótopos iniciales de larga duración de estos tres isótopos, respectivamente torio-232 , uranio-238 y uranio-235 , han existido desde la formación de la tierra, ignorando los isótopos artificiales y sus desintegraciones desde la década de 1940.
Debido a la vida media relativamente corta de su isótopo inicial neptunio-237 (2,14 millones de años), la cuarta cadena, la serie del neptunio con A = 4 n + 1, ya está extinta en la naturaleza, excepto por el último paso limitante de la velocidad. , desintegración del bismuto-209 . Sin embargo, todavía se encuentran rastros de 237 Np y sus productos de desintegración en la naturaleza como resultado de la captura de neutrones en el mineral de uranio. Ahora se sabe que el isótopo final de esta cadena es talio-205 . Algunas fuentes más antiguas dan el isótopo final como bismuto-209, pero recientemente se descubrió que es muy ligeramente radiactivo, con una vida media de2,01 × 10 19 años .
También existen cadenas de desintegración no transuránica de isótopos inestables de elementos ligeros, por ejemplo, los de magnesio-28 y cloro-39 . En la Tierra, la mayoría de los isótopos iniciales de estas cadenas antes de 1945 fueron generados por radiación cósmica . Desde 1945, las pruebas y el uso de armas nucleares también han liberado numerosos productos de fisión radiactiva . Casi todos estos isótopos se desintegran por modos de desintegración β - o β + , cambiando de un elemento a otro sin cambiar la masa atómica. Estos productos secundarios posteriores, al estar más cerca de la estabilidad, generalmente tienen vidas medias más largas hasta que finalmente se descomponen en estabilidad.
Cadenas de desintegración alfa de actínidos
Actínidos y productos de fisión por vida media
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Actínidos por cadena de desintegración |
Rango de vida media ( a ) |
Productos de fisión de 235 U por rendimiento | ||||||
4 n | 4 n +1 | 4 n +2 | 4 n +3 | |||||
4,5–7% | 0,04-1,25% | <0,001% | ||||||
228 Ra№ | 4 a 6 a | † | 155 Euþ | |||||
244 cmƒ | 241 Puƒ | 250 Cf | 227 Ac№ | 10-29 a | 90 Sr | 85 Kr | 113m Cdþ | |
232 Uƒ | 238 Puƒ | 243 cmƒ | 29–97 a | 137 C | 151 Smþ | 121m Sn | ||
248 Bk | 249 Cfƒ | 242 m amƒ | 141–351 a |
Ningún producto de fisión |
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241 amƒ | 251 Cfƒ | 430–900 a | ||||||
226 Ra№ | 247 Bk | 1,3–1,6 ka | ||||||
240 Pu | 229 mil | 246 cmƒ | 243 amƒ | 4,7 a 7,4 ka | ||||
245 cmƒ | 250 cm | 8,3–8,5 ka | ||||||
239 Puƒ | 24,1 ka | |||||||
230 mil№ | 231 Pa№ | 32–76 ka | ||||||
236 Npƒ | 233 Uƒ | 234 U№ | 150-250 ka | ‡ | 99 Tc₡ | 126 Sn | ||
248 cm | 242 Pu | 327–375 ka | 79 Se₡ | |||||
1,53 Ma | 93 Zr | |||||||
237 Npƒ | 2,1–6,5 Ma | 135 Cs₡ | 107 Pd | |||||
236 U | 247 cmƒ | 15-24 Ma | 129 I₡ | |||||
244 Pu | 80 Ma |
... ni más allá de 15,7 Ma |
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232 mil№ | 238 U№ | 235 Uƒ№ | 0,7-14,1 Ga | |||||
Leyenda de los símbolos en superíndice |
En las cuatro tablas siguientes, se omiten las ramas menores de descomposición (con la probabilidad de ramificación de menos del 0,0001%). La liberación de energía incluye la energía cinética total de todas las partículas emitidas ( electrones , partículas alfa , cuantos gamma , neutrinos , electrones Auger y rayos X ) y el núcleo de retroceso, asumiendo que el núcleo original estaba en reposo. La letra 'a' representa un año (del latín annus ).
En las tablas siguientes (excepto el neptunio), también se dan los nombres históricos de los nucleidos naturales. Estos nombres se utilizaron en el momento en que se descubrieron e investigaron por primera vez las cadenas de desintegración. A partir de estos nombres históricos, se puede localizar la cadena particular a la que pertenece el nucleido y reemplazarla por su nombre moderno.
Las tres cadenas de desintegración alfa de actínidos de origen natural que se indican a continuación: torio, uranio / radio (de U-238) y actinio (de U-235), cada una termina con su propio isótopo de plomo específico (Pb-208, Pb-206, y Pb-207 respectivamente). Todos estos isótopos son estables y también están presentes en la naturaleza como núclidos primordiales , pero sus cantidades en exceso en comparación con el plomo-204 (que sólo tiene un origen primordial) pueden utilizarse en la técnica de datación de uranio-plomo para datar rocas.
Serie de torio
La cadena 4n de Th-232 se denomina comúnmente "serie de torio" o "cascada de torio". Comenzando con el torio -232 de origen natural , esta serie incluye los siguientes elementos: actinio , bismuto , plomo , polonio , radio , radón y talio . Todos están presentes, al menos transitoriamente, en cualquier muestra natural que contenga torio, ya sea de metal, compuesto o mineral. La serie termina con lead-208.
La energía total liberada del torio-232 al plomo-208, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 42,6 MeV.
nucleido | nombre histórico (corto) | nombre histórico (largo) | modo de decaimiento | vida media ( a = año) |
energía liberada, MeV | producto de la descomposición |
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252 Cf | α | 2.645 una | 6.1181 | 248 cm | ||
248 cm | α | 3,4 × 10 5 a | 5.162 | 244 Pu | ||
244 Pu | α | 8 × 10 7 a | 4.589 | 240 U | ||
240 U | β - | 14,1 horas | .39 | 240 Np | ||
240 Np | β - | 1.032 horas | 2.2 | 240 Pu | ||
240 Pu | α | 6561 a | 5.1683 | 236 U | ||
236 U | Thoruranium | α | 2,3 × 10 7 a | 4.494 | 232 mil | |
232 mil | Th | Torio | α | 1,405 × 10 10 a | 4.081 | 228 Ra |
228 Ra | MsTh 1 | Mesotorio 1 | β - | 5,75 a | 0,046 | 228 Ac |
228 Ac | MsTh 2 | Mesotorio 2 | β - | 6.25 horas | 2.124 | 228 mil |
228 mil | RdTh | Radiotorio | α | 1.9116 a | 5.520 | 224 Ra |
224 Ra | Gracias | Torio X | α | 3.6319 d | 5.789 | 220 Rn |
220 Rn | Tennesse | Torón, emanación de torio |
α | 55,6 segundos | 6.404 | 216 Po |
216 Po | ThA | Torio A | α | 0,145 segundos | 6.906 | 212 Pb |
212 Pb | ThB | Torio B | β - | 10,64 horas | 0.570 | 212 Bi |
212 Bi | ThC | Torio C | β - 64,06% α 35,94% |
60,55 min | 2.252 6.208 |
212 Po 208 Tl |
212 Po | ThC ′ | Torio C ′ | α | 299 ns | 8.784 | 208 Pb |
208 Tl | ThC ″ | Torio C ″ | β - | 3.053 min | 1.803 | 208 Pb |
208 Pb | ThD | Torio D | estable | . | . | . |
Serie de neptunio
La cadena 4n + 1 de 237 Np se denomina comúnmente "serie de neptunio" o "cascada de neptunio". En esta serie, solo dos de los isótopos involucrados se encuentran naturalmente en cantidades significativas, a saber, los dos últimos: bismuto-209 y talio-205 . Algunos de los otros isótopos se han detectado en la naturaleza, procedente de cantidades traza de 237 Np producida por el (n, 2n) knockout reacción en primordial 238 U. Un detector de humo que contiene un americio 241 cámara de ionización se acumula una cantidad significativa de neptunio - 237 a medida que decae su americio; los siguientes elementos también están presentes en él, al menos transitoriamente, como productos de desintegración del neptunio: actinio , astato , bismuto, francio , plomo , polonio , protactinio , radio , talio, torio y uranio . Dado que esta serie solo se descubrió y estudió en 1947-1948, sus nucleidos no tienen nombres históricos. Un rasgo único de esta cadena de desintegración es que el gas noble radón solo se produce en una rama rara (no se muestra en la ilustración) pero no en la secuencia principal de desintegración; por lo tanto, el radón de esta cadena de desintegración no migra a través de la roca tanto como de las otras tres. Otro rasgo único de esta secuencia de desintegración es que termina en talio en lugar de plomo. Esta serie termina con el isótopo estable talio-205.
La energía total liberada del californio-249 al talio-205, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 66,8 MeV.
nucleido | modo de decaimiento | vida media ( a = año) |
energía liberada, MeV | producto de la descomposición |
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249 Cf | α | 351 a | 5.813 + .388 | 245 cm |
245 cm | α | 8500 a | 5.362 + .175 | 241 Pu |
241 Pu | β - | 14,4 a | 0.021 | 241 am |
241 am | α | 432,7 a | 5.638 | 237 Np |
237 Np | α | 2.14 · 10 6 a | 4.959 | 233 Pa |
233 Pa | β - | 27,0 días | 0.571 | 233 U |
233 U | α | 1.592 · 10 5 a | 4.909 | 229 mil |
229 mil | α | 7340 a | 5.168 | 225 Ra |
225 Ra | β - | 14,9 días | 0,36 | 225 Ac |
225 acres | α | 10,0 días | 5.935 | 221 Fr |
221 Fr | α 99,9952% β - 0,0048% |
4.8 min | 6,3 0,314 |
217 en 221 Ra |
221 Ra | α | 28 s | 6,9 | 217 Rn |
217 en | α 99,992% β - 0,008% |
32 ms | 7,0 0,737 |
213 Bi 217 Rn |
217 Rn | α | 540 μs | 7,9 | 213 Po |
213 Bi | β - 97,80% α 2,20% |
46,5 min | 1.423 5.87 |
213 Po 209 Tl |
213 Po | α | 3,72 μs | 8.536 | 209 Pb |
209 Tl | β - | 2,2 min | 3,99 | 209 Pb |
209 Pb | β - | 3,25 horas | 0,644 | 209 Bi |
209 Bi | α | 1,9 · 10 19 a | 3.137 | 205 Tl |
205 Tl | . | estable | . | . |
Serie de uranio
La cadena 4n + 2 del uranio-238 se denomina "serie de uranio" o "serie de radio". Comenzando con el uranio-238 de origen natural , esta serie incluye los siguientes elementos: astato , bismuto , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio y torio . Todos están presentes, al menos transitoriamente, en cualquier muestra que contenga uranio natural, ya sea de metal, compuesto o mineral. La serie termina con lead-206.
La energía total liberada del uranio-238 al plomo-206, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 51,7 MeV.
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Serie de actinio
La cadena 4n + 3 del uranio-235 se denomina comúnmente "serie de actinio" o "cascada de actinio". Comenzando con el isótopo natural U-235, esta serie de desintegración incluye los siguientes elementos: actinio , astato , bismuto , francio , plomo , polonio , protactinio , radio , radón , talio y torio . Todos están presentes, al menos transitoriamente, en cualquier muestra que contenga uranio-235, ya sea metal, compuesto, mena o mineral. Esta serie termina con el isótopo estable lead-207 .
La energía total liberada del uranio 235 al plomo 207, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 46,4 MeV.
nucleido | nombre histórico (corto) | nombre histórico (largo) | modo de decaimiento | vida media ( a = año) |
energía liberada, MeV | producto de la descomposición |
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251 Cf | α | 900,6 a | 6.176 | 247 cm | ||
247 cm | α | 1,56 · 10 7 a | 5.353 | 243 Pu | ||
243 Pu | β - | 4.95556 h | 0.579 | 243 am | ||
243 am | α | 7388 a | 5.439 | 239 Np | ||
239 Np | β - | 2,3565 d | 0,723 | 239 Pu | ||
239 Pu | α | 2,41 · 10 4 a | 5.244 | 235 U | ||
235 U | AcU | Actina Uranio | α | 7.04 · 10 8 a | 4.678 | 231 mil |
231 mil | UY | Uranio Y | β - | 25,52 horas | 0.391 | 231 Pa |
231 Pa | Pensilvania | Protactinio | α | 32760 a | 5.150 | 227 Ac |
227 Ac | C.A | Actinio | β - 98,62% α 1,38% |
21.772 una | 0,045 5,042 |
227 Ju 223 Fr |
227 mil | RdAc | Radioactinio | α | 18,68 días | 6.147 | 223 Ra |
223 fran | AcK | Actinio K | β - 99,994% α 0,006% |
22.00 min | 1,149 5,340 |
223 Ra 219 En |
223 Ra | AcX | Actinio X | α | 11,43 días | 5.979 | 219 Rn |
219 en | α 97,00% β - 3,00% |
56 s | 6.275 1.700 |
215 Bi 219 Rn |
||
219 Rn | Un | Actinon, emanación de actinio |
α | 3,96 s | 6,946 | 215 Po |
215 Bi | β - | 7,6 min | 2.250 | 215 Po | ||
215 Po | AcA | Actinio A | α 99,99977% β - 0,00023% |
1,781 ms | 7,527 0,715 |
211 Pb 215 En |
215 en | α | 0,1 ms | 8.178 | 211 Bi | ||
211 Pb | AcB | Actinio B | β - | 36,1 min | 1.367 | 211 Bi |
211 Bi | AcC | Actinio C | α 99,724% β - 0,276% |
2,14 min | 6,751 0,575 |
207 Tl 211 Po |
211 Po | AcC ' | Actinio C ' | α | 516 ms | 7.595 | 207 Pb |
207 Tl | AcC " | Actinio C " | β - | 4,77 min | 1.418 | 207 Pb |
207 Pb | AcD | Actinio D | . | estable | . | . |
Ver también
- Física nuclear
- Desintegración radioactiva
- Valle de la estabilidad
- Producto de descomposición
- Radioisótopos ( radionúclidos )
- Datación radiométrica
Notas
Referencias
- CM Lederer; JM Hollander; I. Perlman (1968). Tabla de isótopos (6a ed.). Nueva York: John Wiley & Sons .
enlaces externos
- Portal de ciencia nuclear Nucleonica
- Decay Engine de Nucleonica para cálculos profesionales de decaimiento en línea
- EPA - Desintegración radiactiva
- Sitio web del gobierno que enumera los isótopos y las energías de desintegración
- Centro Nacional de Datos Nucleares : bases de datos de libre acceso que se pueden utilizar para comprobar o construir cadenas de desintegración.
- OIEA - Gráfico en tiempo real de nucleidos (con cadenas de desintegración)
- Buscador de cadenas de descomposición