Radiactividad, 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.
Tipos 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. Véase
Elemento químico; Física nuclear.
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.
Radiación gamma
Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la emisión
gamma. Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por tanto, la emisión de rayos gamma por
parte de un núcleo no conlleva cambios en su estructura, sino simplemente la pérdida de
una determinada cantidad de energía radiante. Con la emisión de estos rayos, el núcleo
compensa el estado inestable que sigue a los procesos alfa y beta. La partícula alfa o
beta primaria y su rayo gamma asociado se emiten casi simultáneamente. Sin embargo, se
conocen algunos casos de emisión alfa o beta pura, es decir, procesos alfa o beta no
acompañados de rayos gamma; también se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma
de forma pura. Esta emisión gamma pura tiene lugar cuando un isótopo existe en dos
formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico y
número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a la
transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de
esta isomería es el isótopo protactinio 234, que existe en dos estados de energía diferentes, y en el que
la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.
Los núcleos emiten la radiación alfa, beta y gamma a velocidades enormes. Las
partículas alfa resultan frenadas y detenidas al pasar por la materia, sobre todo debido
a su interacción con los electrones de dicha materia. Casi todas las partículas alfa
emitidas por una misma sustancia salen de los núcleos con una velocidad prácticamente
igual; por ejemplo, la mayoría de las emitidas por el polonio 210 viajan 3,8 cm
por el aire antes de quedar detenidas completamente, mientras que las emitidas por el
polonio 212 avanzan 8,5 cm. La medida de la distancia recorrida por las
partículas alfa se emplea para identificar isótopos. Las partículas beta se emiten a
velocidades mucho mayores que las partículas alfa, por lo que penetran bastante más en
la materia, aunque el mecanismo de frenado es esencialmente similar. Sin embargo, a
diferencia de las partículas alfa, las partículas beta son emitidas a muchas velocidades
diferentes, y sus emisores se distinguen entre sí por las velocidades máxima y media
características de sus partículas beta. La distribución de las energías de las
partículas beta (y por tanto de sus velocidades) exige la hipótesis de la existencia de
una partícula sin carga ni masa denominada neutrino; todas las desintegraciones beta
están acompañadas de una emisión de neutrinos. La distancia recorrida por los rayos
gamma es varias veces mayor que la de las partículas beta, y en algunos casos estos rayos
pueden atravesar varios centímetros de plomo. Cuando las partículas alfa y beta
atraviesan la materia originan la formación de numerosos iones; esta ionización es
especialmente fácil de observar cuando la materia es gaseosa. Los rayos gamma no tienen
carga, por lo que no causan tanta ionización. Las partículas beta producen entre @ y A
de la ionización generada por las partículas alfa en cada centímetro de su trayectoria
en aire. Los rayos gamma producen aproximadamente @ de la ionización de las partículas
beta. El contador de Geiger-Müller y otras cámaras de ionización (véase
Detectores de partículas) se basan en estos principios y se emplean para detectar las
cantidades de radiación alfa, beta y gamma y, por tanto, la tasa absoluta de
desintegración o actividad de las sustancias radiactivas. Una de las unidades de
actividad radiactiva, el curio, se basa en la tasa de desintegración del radio 226,
que corresponde a 37.000 millones de desintegraciones por segundo por cada gramo de radio.
Véase Efectos biológicos de la radiación.
Existen formas de desintegración radiactiva diferentes de las tres que se han mencionado.
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 (b+) 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 (véase Energía nuclear). 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.
Periodo de
semidesintegración
La desintegración de algunas sustancias, como el uranio 238 o el torio 232, parece
continuar indefinidamente sin que disminuya de forma detectable la tasa de desintegración
por unidad de masa del isótopo (tasa de desintegración específica). Otras sustancias
radiactivas muestran una marcada reducción de la tasa de desintegración específica a lo
largo del tiempo. Un ejemplo es el isótopo torio 234
(llamado originalmente uranio X), que una vez
separado del uranio reduce su tasa de desintegración específica a la mitad en 25 días.
Cada sustancia radiactiva tiene un periodo de semidesintegración; en algunos isótopos es
tan prolongado que los métodos actuales no permiten observar la disminución de la tasa
de desintegración específica a lo largo del periodo de estudio. El torio 232, por ejemplo, tiene un periodo de
semidesintegración de 14.000 millones de años.
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.
Radiactividad
artificial
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
wN + nHe ± xO + eH
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. Los químicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie produjeron aquel año la primera
sustancia radiactiva bombardeando aluminio con partículas alfa. Los núcleos de aluminio
capturaban estas partículas y emitían neutrones, con lo que se formaba un isótopo de
fósforo que se desintegraba por emisión de positrones, con un periodo de
semidesintegración muy corto. Los Joliot-Curie también produjeron un isótopo de
nitrógeno a partir de boro, y uno de aluminio a partir de magnesio. Desde entonces se han
descubierto muchísimas reacciones nucleares, y se han bombardeado los núcleos de todos
los elementos de la tabla periódica con distintas partículas, entre ellas partículas
alfa, protones, neutrones y deuterones (núcleos de deuterio,
el isótopo de hidrógeno de número másico 2). Como resultado de esta investigación
intensiva se conocen en la actualidad más de 400 elementos radiactivos artificiales. Esta
investigación se ha visto favorecida por el desarrollo de aceleradores
de partículas que comunican velocidades enormes a las partículas empleadas en el
bombardeo, con lo que en muchos casos aumenta la probabilidad de que sean capturadas por
los núcleos utilizados como objetivo.
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 (véase Energía nuclear; Armas nucleares).
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
(véase Isótopo trazador). 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 la atmósfera terrestre existe una cantidad muy pequeña de carbono 14, y todos
los organismos vivos asimilan trazas de este isótopo durante su vida. Después de la
muerte, esta asimilación se interrumpe, y el carbono radiactivo, que se desintegra
continuamente, deja de tener una concentración constante. Las medidas del contenido de
carbono 14 permiten calcular la edad de objetos de interés histórico o
arqueológico, como huesos o momias. Véase Datación.
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 (véase Radiología), la
radiografía industrial, y ciertos dispositivos específicos como fuentes de luz
fosforescente, eliminadores estáticos, calibradores de espesor o pilas nucleares.
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