Radioactividad natural

Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones, cuya estabilidad depende de su número y disposición. Los isótopos comparten el mismo número de protones, pero difieren en neutrones, afectando su masa y estabilidad, con algunos siendo radiactivos. La radiactividad ocurre por desintegración nuclear, emitiendo partículas alfa, beta o radiación gamma, y se rige por las leyes de Soddy-Fajans, que describen cómo cambian el número atómico y másico en estos procesos.

Isótopos y conceptos básicos

El núcleo de un átomo es donde se concentran los nucleones, es decir, protones y neutrones. Estos tienen una masa muy similar entre sí (en torno a y unidades de masa atómica, respectivamente) y son mucho más pesados que los electrones, cuya masa es aproximadamente de la de un protón.

Para describir a un átomo, se emplean dos valores fundamentales:

• Número atómico (): Indica la cantidad de protones presentes en el núcleo. Cada elemento químico se caracteriza por un número atómico único, lo que explica que los átomos de distintos elementos tengan distinta cantidad de protones.
• Número másico (): Corresponde a la suma total de protones y neutrones (nucleones) que hay en el núcleo. De este modo, el número de neutrones () de un átomo puede determinarse restando:

Cuando se habla de isótopos, nos referimos a átomos de un mismo elemento (mismo 𝑍) que difieren en el número de neutrones (distinto 𝐴). Todos los isótopos de un elemento presentan las mismas propiedades químicas, aunque difieren en su masa. Algunos de estos isótopos son radioactivos, pues se desintegran espontáneamente liberando energía.

Además de los isótopos, se definen otros términos para clasificar núcleos atómicos según su composición:

• Isóbaros: Núcleos con igual 𝐴 (suma de protones y neutrones) pero distinto 𝑍. Al poseer distinto número de protones, pertenecen a elementos diferentes.

• Isótonos: Núcleos de elementos distintos (por tanto, diferente 𝑍) que poseen el mismo número de neutrones (𝐴−𝑍).

   

En física nuclear, a cada tipo de núcleo se le denomina núclido o nucleido, con lo que es habitual hablar de “núclidos” en lugar de átomos o elementos cuando se hace énfasis en las propiedades nucleares.

Normalmente, un núclido se representa como:

donde 𝑋 es el símbolo del elemento, 𝑍 es el número atómico (a veces se omite) y 𝐴 es el número másico. Por ejemplo:

• se lee “Helio-4”.
• se lee “Carbono-14”.

• se lee “Uranio-235”.

   

Aunque el átomo tiene un tamaño cercano a de radio, su núcleo mide del orden de , unas diez mil veces más pequeño. Aun así, dentro de ese espacio tan reducido se acumulan cargas positivas (protones) muy próximas, lo cual implica la existencia de una fuerza mayor que la repulsión eléctrica: la llamada interacción fuerte.

• La interacción fuerte es la responsable de mantener a los protones y neutrones unidos en el núcleo.
• Supera con creces en intensidad a la fuerza electromagnética, pero tiene un alcance muy corto (del orden de ), de modo que fuera del núcleo su efecto es prácticamente nulo.
• Además, es independiente de la carga, pues actúa por igual entre protón-protón, protón-neutrón y neutrón-neutrón.

• Los electrones, al ser partículas elementales sin estructura interna (quarks), no experimentan la interacción fuerte.

   

Un hecho fundamental en la física nuclear es que la masa de un núcleo completo siempre es algo menor que la suma de las masas de sus protones y neutrones considerados por separado. A esa diferencia se la llama defecto de masa, y está asociada a la energía de enlace del núcleo:

En este contexto, Δ𝑚 es la diferencia entre la masa total de los nucleones separados y la masa del núcleo formado. Esa energía de enlace representa la estabilidad del núcleo; cuanta mayor sea la energía de enlace por nucleón, mayor estabilidad posee el núclido.

Al estudiar la energía de enlace por nucleón en función del número másico, se observa que aumenta hasta llegar al hierro-56 (Fe-56), considerado uno de los núcleos más estables. Más allá del hierro en la tabla periódica, la formación de núcleos más pesados deja de ser un proceso que libere energía: se vuelve endotérmico (absorben energía). Por eso la fusión de núcleos ligeros (unirse para formar núcleos medianos) y la fisión de núcleos muy pesados (dividirlos en núcleos más pequeños) pueden liberar grandes cantidades de energía.

Todo ello explica por qué en la naturaleza hay isótopos estables y otros que tienden a desintegrarse emitiendo partículas y radiación, en un proceso que se estudia bajo el fenómeno de la radioactividad. Los núcleos muy masivos alcanzan configuraciones estables tras sucesivas desintegraciones, liberando energía en el camino. Este fenómeno será clave para entender las leyes de Soddy-Fajans y la radioactividad natural que se presentarán en las siguientes secciones.

Estabilidad del núcleo atómico y radioactividad

Algunos elementos químicos, especialmente aquellos con números atómicos elevados (la mayoría por encima de 83), se transforman de manera espontánea en átomos de elementos cercanos en la tabla periódica y, al hacerlo, emiten partículas y energía. Este fenómeno, observado por primera vez en 1896 por Henri Becquerel, se conoce como radiactividad.

La radiactividad es un proceso que se origina en el interior del núcleo atómico, donde las fuerzas nucleares determinan si un núcleo es estable o tiende a desintegrarse en busca de una configuración más estable. Dado que solo un número reducido de núclidos (conjuntos de protones y neutrones concretos) resulta completamente estable, la mayoría de los núcleos son inestables y se desintegran a lo largo del tiempo, emitiendo radiaciones y partículas hasta alcanzar un estado estable.

Algunos factores que influyen en la estabilidad nuclear son:

• Números mágicos: Se ha observado que ciertos números de protones o neutrones (conocidos como números mágicos) aportan una estabilidad especial al núcleo. Algunos de estos números son: 

Ejemplos representativos de núcleos especialmente estables son el (con y ) y el (con ), ambos considerados doblemente mágicos. Este hecho se relaciona con la existencia de niveles de energía en el núcleo, de forma análoga a cómo los electrones ocupan orbitales en la corteza atómica.

• Paridad de protones y neutrones: Al clasificar los núclidos según si el número de protones () y de neutrones () es par o impar, se encuentra que casi la mitad de los núcleos estables poseen tanto como par. En cambio, la combinación de impar y impar es poco frecuente. Parece existir una tendencia al “emparejamiento” de nucleones similares.

   

• Relación entre número de protones y neutrones: Para los elementos ligeros (hasta aproximadamente ), la igualdad entre protones y neutrones es un rasgo común en los isótopos estables. Sin embargo, a partir de mayores, la proporción de neutrones comienza a crecer para compensar la repulsión electrostática entre protones. De este modo, un mayor número de neutrones (que participan de la interacción fuerte pero no aportan carga) ayuda a estabilizar núcleos muy cargados positivamente.

En resumen, los núcleos se estabilizan o buscan hacerlo a través de procesos de desintegración o emisiones que reducen su energía y ajustan el balance entre protones y neutrones.

Tipos de desintegración

Los núcleos radiactivos se desintegran de diversas formas, emitiendo radiaciones que pueden ionizar la materia (es decir, arrancar electrones de los átomos que encuentran a su paso). Estas radiaciones se clasifican según su naturaleza:

• Radiación alfa (): Corresponde a la emisión de núcleos de helio-4 (): dos protones y dos neutrones.
  • Son partículas con carga positiva y masa relativamente grande.
  • Tienen poder de penetración bajo, pues una simple hoja de papel o la piel humana pueden bloquearlas.

• Radiación beta (): El núcleo emite electrones que proceden de la conversión de un neutrón en un protón. Las partículas beta son mucho más ligeras que las alfa y tienen mayor poder de penetración, pudiendo traspasar láminas delgadas de metal.

• Radiación gamma (): No consiste en partículas materiales, sino en ondas electromagnéticas de alta frecuencia (aún más alta que los rayos X).
  • Tiene elevado poder de penetración y se requieren blindajes gruesos (hormigón denso, plomo, etc.) para atenuarla.
  • Suele acompañar a las emisiones alfa o beta, cuando el núcleo queda en un estado excitado y libera energía en forma de fotones gamma.

Otros procesos de desintegración menos comunes son:

• Captura electrónica: En núcleos con exceso de protones, el núcleo puede capturar un electrón de las capas más internas del átomo. El electrón capturado se combina con un protón, formando un neutrón. Es un mecanismo alternativo a la emisión de positrones ), y no emite partículas cargadas al exterior; sí pueden generarse rayos X cuando los electrones más externos pasan a ocupar la capa vacante.

   

• Fisión espontánea: Es típica de núcleos muy pesados (como el uranio o los transuránicos) que, en raras ocasiones, se fragmentan en núcleos más ligeros y liberan neutrones, partículas beta y radiación gamma. Este proceso es menos habitual que la desintegración alfa o beta, pero resulta esencial en elementos con masas muy grandes.

   

• Interacción débil: Tanto la emisión beta (electrones o positrones) como la captura electrónica son consecuencia de la interacción débil, otra de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Junto con la interacción fuerte, la electromagnética y la gravitatoria, completa el conjunto de interacciones básicas.

Leyes del desplazamiento radiactivo (Leyes de Soddy-Fajans)

Formuladas por Soddy y Fajans en 1913, establecen que:

1. Cuando un núclido emite una partícula alfa, se convierte en otro núclido cuyo número atómico disminuye en dos unidades y su número másico se reduce en cuatro unidades. Este nuevo núclido corresponde al elemento ubicado dos posiciones antes en la tabla periódica.
2. Cuando un núclido emite una partícula beta, se transforma en otro núclido cuyo número atómico aumenta en una unidad, mientras que su número másico permanece constante. El nuevo núclido corresponde al elemento situado una posición más adelante en la tabla periódica.

Ejercicios resueltos

1. Un núcleo de se desintegra según la reacción:

Razona qué partícula es . Posteriormente, el núcleo de níquel excitado, , emite dos fotones de energías y . Si en un segundo se emiten fotones de cada tipo, calcula la energía por unidad de tiempo (en ) que produce la emisión.

Solución

Para determinar la partícula en la reacción de desintegración del núcleo de , aplicamos las leyes de conservación del número másico y del número atómico :

Conservación del número másico:

Conservación del número atómico:

Dado que y , la partícula es un electrón ().

El núcleo de níquel excitado emite dos fotones con energías y . Si en un segundo se emiten fotones de cada tipo, calculamos la energía por unidad de tiempo (potencia) producida por la emisión. La energía total emitida por segundo se calcula sumando la energía de ambos tipos de fotones multiplicada por el número de fotones emitidos:

donde:

fotones de energía ,

fotones de energía .

Sustituyendo los valores:

Calculamos la potencia:

Por lo tanto, la partícula emitida es un electrón y la energía por unidad de tiempo que produce la emisión es .

2. Completa, razonando la resolución, los números atómico y másico del núcleo y del núcleo en la serie radiactiva indicada. Identifica . ¿Cómo se llama el tipo de desintegración que da lugar a este núcleo? ¿Cómo se llama el tipo de desintegración que da lugar a la partícula ?

Solución

 

Para resolver este ejercicio, completaremos la serie radiactiva utilizando las leyes de conservación de masa y carga, conocidas como las leyes de Soddy-Fajans. Primero, consideremos la desintegración del . La reacción se puede expresar de la siguiente manera:

Aplicando las leyes de conservación:

Entonces, la partícula es la partícula alfa:

Continuamos con la siguiente desintegración:

Aplicando nuevamente las leyes de conservación:

De esto se deduce que el núcleo es:

La partícula emitida, , es un electrón, conocida como partícula beta ().

Por lo tanto, el núcleo es la partícula alfa el núcleo es . La desintegración que da lugar al núcleo es una desintegración alfa, mientras que la desintegración que da lugar a la partícula es una desintegración beta.

3. Discute razonadamente la veracidad de la siguiente afirmación: “La masa de un núcleo es siempre menor que la suma de las masas de los protones y neutrones que lo forman.”

Solución

La afirmación es verdadera porque existe una diferencia de masa conocida como defecto de masa. Al formar un núcleo, parte de la masa de los protones y neutrones se convierte en energía de enlace que mantiene al núcleo unido, según la ecuación de Einstein:

donde es el defecto de masa. Esta conversión de masa en energía hace que la masa del núcleo sea menor que la suma de las masas de sus protones y neutrones constituyentes.

Por lo tanto, la afirmación es verdadera.

4. Discute razonadamente la veracidad de la siguiente afirmación: “En una emisión alfa el número másico decrece en dos unidades y el número atómico en una.”