Radiación y radiactividad

Física nuclear y de partículas. Desintegración espontánea. Alfa, beta. Becquerel, Curie. Series radiactivas. Uranio. Isótopos. Reacciones nucleares

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Se podría definir como un desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas partículas alfa y partículas beta, y de radiaciones electromagnéticas denominadas rayos X y rayos gamma. El fenómeno fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una lámina de vidrio o un papel negro. También comprobó que los rayos que producían el oscurecimiento podían descargar un electroscopio, lo que indicaba que poseían carga eléctrica. En 1898, los químicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos e independiente de su estado físico o químico. También llegaron a la conclusión de que la pechblenda, un mineral de uranio, tenía que contener otros elementos radiactivos ya que presentaba una radiactividad más intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel. El matrimonio Curie llevó a cabo una serie de tratamientos químicos de la pechblenda que condujeron al descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Marie Curie también descubrió que el torio es radiactivo. En 1899, el químico francés André Louis Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año, los físicos británicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radón, observado en asociación con el torio, el actinio y el radio.

Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna de las conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con la desintegración del radio y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 julios (100 calorías) de energía cada hora. Este efecto de calentamiento continúa hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de un gramo de carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000 calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos del fenómeno.

Clases de Radiación

Rutherford descubrió que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes: partículas alfa, que sólo penetran unas milésimas de centímetro en el aluminio, y partículas beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y estas pruebas pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente, los rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta. En un campo eléctrico, la trayectoria de las partículas beta se desvía mucho hacia el polo positivo, mientras que la de las partículas alfa lo hace en menor medida hacia el polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto indica que las partículas beta tienen carga negativa, las partículas alfa tienen carga positiva (se desvían menos porque son más pesadas que las partículas beta) y los rayos gamma son eléctricamente neutros.

El descubrimiento de que la desintegración del radio produce radón demostró de forma fehaciente que la desintegración radiactiva está acompañada de un cambio en la naturaleza química del elemento que se desintegra. Los experimentos sobre la desviación de partículas alfa en un campo eléctrico demostraron que la relación entre la carga eléctrica y la masa de dichas partículas es aproximadamente la mitad que la del ion hidrógeno. Los físicos supusieron que las partículas podían ser iones helio con carga doble (átomos de helio a los que les faltaban dos electrones). El ion helio tiene una masa unas cuatro veces mayor que el de hidrógeno, lo que supondría que su relación carga-masa sería efectivamente la mitad que la del ion hidrógeno. Esta suposición fue demostrada por Rutherford cuando hizo que una sustancia que emitía partículas alfa se desintegrara cerca de un recipiente de vidrio de paredes finas en el que se había hecho el vacío. Las partículas alfa podían atravesar el vidrio y quedaban atrapadas en el recipiente; al cabo de unos días pudo demostrarse la presencia de helio elemental utilizando un espectroscopio. Más tarde se demostró que las partículas beta eran electrones, mientras que los rayos gamma eran radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero con una energía considerablemente mayor.

La hipótesis nuclear

En la época en que se descubrió la radiactividad, los físicos creían que el átomo era el bloque de materia último e indivisible. Después se comprobó que las partículas alfa y beta son unidades discretas de materia, y que la radiactividad es un proceso en el que los átomos se transforman (mediante la emisión de una de estas dos partículas) en nuevos tipos de átomos con propiedades químicas nuevas. Esto llevó al reconocimiento de que los propios átomos deben tener una estructura interna, y que no son las partículas últimas y fundamentales de la naturaleza.

En 1911, Rutherford demostró la existencia de un núcleo en el interior del átomo mediante experimentos en los que se desviaban partículas alfa con láminas delgadas de metal. Desde entonces, la hipótesis nuclear ha evolucionado hasta convertirse en una teoría muy elaborada de la estructura atómica, que permite explicar todo el fenómeno de la radiactividad. En resumen, se ha comprobado que el átomo está formado por un núcleo central muy denso, rodeado por una nube de electrones. El núcleo, a su vez, está compuesto de protones, cuyo número es igual al de electrones (en un átomo no ionizado), y de neutrones. Estos últimos son eléctricamente neutros y su masa es aproximadamente igual a la de los protones. Una partícula alfa (un núcleo de helio con carga doble) está formada por dos protones y dos neutrones, por lo que sólo puede ser emitida por el núcleo de un átomo. Cuando un núcleo pierde una partícula alfa se forma un nuevo núcleo, más ligero que el original en cuatro unidades de masa (las masas del neutrón y el protón son de una unidad aproximadamente). Cuando un átomo del isótopo de uranio con número másico 238 emite una partícula alfa, se convierte en un átomo de otro elemento, con número másico 234. (El número másico de un núcleo es el número total de neutrones y protones que contiene; es aproximadamente igual a su masa expresada en unidades de masa atómica). Cada uno de los dos protones de la partícula alfa tiene una carga eléctrica positiva de valor unidad. El número de cargas positivas del núcleo, equilibrado por el mismo número de electrones negativos en las órbitas exteriores al núcleo, determina la naturaleza química del átomo. Como la carga del uranio 238 disminuye en dos unidades como resultado de la emisión alfa, el número atómico del átomo resultante es menor en dos unidades al original, que era de 92. El nuevo átomo tiene un número atómico de 90, y es un isótopo del elemento torio.

El torio 234 emite partículas beta, es decir, electrones. La emisión beta se produce a través de la transformación de un neutrón en un protón, lo que implica un aumento de la carga nuclear (o número atómico) en una unidad. La masa de un electrón es despreciable, por lo que el isótopo producido por la desintegración del torio 234 tiene un número másico de 234 y un número atómico de 91; se trata de un isótopo del protactinio.

Algunos isótopos pueden emitir positrones, que son idénticos a los electrones pero de carga opuesta. Esta emisión suele clasificarse también como desintegración beta, y se denomina emisión beta más (ð+) o positrón para distinguirla de la emisión de electrones negativos, más común. Se cree que la emisión de positrones se lleva a cabo mediante la conversión de un protón del núcleo en un neutrón, lo que provoca el descenso del número atómico en una unidad. Otra forma de desintegración, conocida como captura de electrón K, consiste en la captura de un electrón por parte del núcleo, seguida de la transformación de un protón en un neutrón. El resultado global también es la reducción del número atómico en una unidad. Este proceso sólo es observable porque la desaparición del electrón de su órbita provoca la emisión de rayos X. Algunos isótopos, en particular el uranio 235 y varios isótopos de los elementos transuránicos, pueden desintegrarse mediante un proceso de fisión espontánea en el que el núcleo se divide en dos fragmentos, A mediados de la década de 1980, se observó una forma de desintegración única en la que los isótopos del radio con números másicos 222, 223 y 224 emiten núcleos de carbono 14 en lugar de desintegrarse en la forma normal emitiendo partículas alfa.

Series de desintegración radiactiva

Cuando el uranio 238 se desintegra mediante emisión alfa, se forma torio 234; éste es un emisor beta y se desintegra para formar protactinio 234, que a su vez, es un emisor beta que da lugar a un nuevo isótopo del uranio, el uranio 234. Este isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio 230, que también se desintegra mediante emisión alfa y produce el isótopo radio 226. Esta serie de desintegración radiactiva, denominada serie uranio-radio, continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo no radiactivo (estable) del plomo (el elemento 82) con número másico 206. En esta serie están representados todos los elementos de la tabla periódica situados entre el uranio y el plomo, y cada isótopo puede distinguirse por su periodo de semidesintegración característico. Todos los miembros de esta serie tienen un rasgo común: si se resta 2 a sus números másicos se obtienen números exactamente divisibles por 4, es decir, sus números másicos pueden expresarse mediante la sencilla fórmula 4n + 2, donde n es un número entero. Otras series radiactivas naturales son la serie del torio, llamada serie 4n porque los números másicos de todos sus miembros son exactamente divisibles por cuatro, y la serie del actinio o serie 4n + 3. El elemento original de la serie del torio es el isótopo torio 232, y su producto final es el isótopo estable plomo 208. La serie del actinio empieza con el uranio 235 (llamado originalmente actinouranio por los investigadores) y acaba en el plomo 207. En los últimos años se ha descubierto y estudiado en profundidad una cuarta serie, la serie 4n + 1, en la que todos son elementos radiactivos artificiales. Su miembro inicial es un isótopo del elemento artificial curio, el curio 241. Contiene el isótopo más duradero del elemento neptunio, y su producto final es el bismuto 209.

Una aplicación interesante del conocimiento de los elementos radiactivos es su uso en la determinación de la edad de la Tierra. Un método para determinar la edad de una roca se basa en el hecho de que, en muchos minerales de uranio y torio (que se están desintegrando desde su formación), las partículas alfa han quedado atrapadas (en forma de átomos de helio) en el interior de la roca. Determinando con precisión las cantidades relativas de helio, uranio y torio que hay en la roca, puede calcularse el tiempo que llevan ocurriendo los procesos de desintegración (es decir, la edad de la roca). Otro método se basa en la determinación de la relación que existe en la roca entre las cantidades de uranio 238 y plomo 206, o de torio 232 y plomo 208 (o sea, las relaciones entre la concentración de los miembros inicial y final de las series de desintegración). Estos y otros métodos arrojan valores de la edad de la Tierra que oscilan en torno a unos 4.600 millones de años. Se han obtenido valores similares en meteoritos que han caído a la superficie terrestre y en muestras lunares traídas por el Apolo 11 en julio de 1969, lo que indica que todo el Sistema Solar tiene probablemente una edad similar a la Tierra.

En el caso de la Radiactividad artificial, ésta se produce cuando

Todos los isótopos naturales situados por encima del bismuto en la tabla periódica son radiactivos; además, existen isótopos naturales radiactivos del bismuto, el talio, el vanadio, el indio, el neodimio, el gadolinio, el hafnio, el platino, el plomo, el renio, el lutecio, el rubidio, el potasio, el hidrógeno, el carbono, el lantano y el samario. En 1919, Rutherford provocó la primera reacción nuclear inducida artificialmente al bombardear gas nitrógeno corriente (nitrógeno 14) con partículas alfa; comprobó que los núcleos de nitrógeno capturaban estas partículas y emitían protones muy rápidamente, con lo que formaban un isótopo estable del oxígeno, el oxígeno 17. Esta reacción puede escribirse en notación simbólica como

ðN + ðHe ð ðO + ðH

donde, por convenio, se escriben los números atómicos de los núcleos implicados como subíndices y a la izquierda de sus símbolos químicos, y sus números másicos como superíndices. En la reacción anterior, la partícula alfa se expresa como un núcleo de helio, y el protón como un núcleo de hidrógeno.

Hasta 1933 no se demostró que estas reacciones nucleares podían llevar en ocasiones a la formación de nuevos núcleos radiactivos.

El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear y al posterior desarrollo de la bomba atómica. También se descubrieron varios elementos nuevos que no existen en la naturaleza. El desarrollo de reactores nucleares hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de casi todos los elementos de la tabla periódica, y la disponibilidad de estos isótopos supone una ayuda incalculable para la investigación química y biomédica Entre los isótopos radiactivos producidos artificialmente tiene gran importancia el carbono 14, con un periodo de semidesintegración de 5.730 ± 40 años. La disponibilidad de esta sustancia ha permitido investigar con mayor profundidad numerosos aspectos de procesos vitales, como la fotosíntesis.

En el análisis de activación de neutrones se coloca una muestra de una sustancia en un reactor nuclear para hacerla radiactiva. Detectando los tipos de radiactividad asociados con los radioisótopos correspondientes es posible encontrar impurezas que no pueden ser detectadas por otros medios. Otras aplicaciones de los isótopos radiactivos se dan en la terapia médica la radiografía industrial, y ciertos dispositivos específicos como fuentes de luz fosforescente, eliminadores estáticos, calibradores de espesor o pilas nucleares.

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