Radiactividad
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Radiactividad |
El calor natural de la Tierra que calienta a las aguas termales, o que proporciona energía a los géiseres o a un volcán proviene de las reacciones químicas nucleares que son producidas por la radiactividad de los minerales del interior de la Tierra.
Las reglas de
la
radiactividad están regidas por la equivalencia entre la masa y
la energía. Las
partículas se desintegran sólo si los productos
combinados tienen menos masa
después de la desintegración que antes. La masa de un
neutrón es ligeramente
mayor que la masa total de un protón más un
electrón (y el antineutrino).
Cuando un neutrón se desintegra la masa final es menor que la
masa inicial.
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Uno
de los
factores que limitan el número de núcleos atómicos
estables diferentes que
pueden existir es la inestabilidad del neutrón. El
neutrón sólo es radiactivo,
por lo que se desintegra espontáneamente en un protón
más un electrón (y un
antineutrino).
No se produce
una desintegración espontánea en las reacciones
químicas nucleares en las que
la masa final es mayor que la masa inicial. La reacción
química nuclear
opuesta, es decir, la desintegración de un protón para
formar un neutrón sólo
puede ocurrir si hay una aportación externa de energía. |
Al graficar el
número de neutrones “contra” el número de protones de los
isótopos se obtiene
la zona conocida como “el cinturón de estabilidad”. Los
isótopos estables
tienen una relación neutrones/protones que cae dentro del
“cinturón de
estabilidad”. Para isótopos ligeros de peso atómico
pequeño, la relación
estable es de 1.0 y para los isótopos pesados aumenta hasta
cerca de 1.5. No
existen isótopos estables para elementos químicos de
número atómico mayor a 83
(el bismuto). Los isótopos que tienen una relación
neutrones/protones mayor o
menor al “cinturón de estabilidad” son inestables y se
descomponen
espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear
que se llama radiactividad.
Un
núcleo
inestable produce una reacción química llamada
descomposición radiactiva o
desintegración. En la naturaleza existen sólo unos pocos
núcleos inestables y
su descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad
natural.
En el laboratorio se han preparado mucho más isótopos
inestables y al proceso
de descomposición de estos núcleos se le llama
radiactividad artificial.
Radiactividad
natural
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Este
proceso fue
descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri
Becquerel (1852-1908)
que demostró que la velocidad de emisión de la
radiación de una sal de uranio
era directamente proporcional a la cantidad de uranio presente en la
sal. La
pechblenda, un mineral de uranio producía una radiación
cuya velocidad era
cuatro veces mayor que la calculada sobre la base de su contenido de
uranio. En
1898, Becquerel y el matrimonio Marie (1867-1934) y Pierre (1859-1906)
Curie
investigaron el componente activo de la pechblenda y obtuvieron un
nuevo
elemento químico que tenía una radiactividad más
intensa que el uranio y lo
llamaron polonio. Seis meses más tarde los Curie aislaron otro
nuevo elemento
químico muy radiactivo al que llamaron radio. |
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La
radiactividad
natural emite tres radiaciones que se conocen como radiaciones alfa (a),
beta (b) y
gamma (g), y
nunca se
emiten positrones.
La
radiación
alfa (a)
consiste en la emisión de partículas con carga positiva
de +2 y con
una masa de 4 uma. Estas partículas son idénticas a los
núcleos de los átomos
de helio ordinario 24He+2.
Cuando un
núcleo
emite una partícula alfa, su número atómico
disminuye en 2 unidades y su masa
atómica disminuye en 4 unidades. Por ejemplo, si un átomo
de uranio de número
atómico 92 y número de masa 238, emite una
partícula alfa se produce un isótopo
de torio de número atómico 90 y número de masa
234. El proceso nuclear se
representa mediante la ecuación química nuclear:
92 238U ---> 90 234Th
+ radiación alfa + radiación gamma.
Como
partículas
alfa son núcleos de helio, 24He2+,
contienen 2
protones y 2 neutrones, y una carga de +2, pero por convención
la ecuación anterior
se representa como:
92
238U --->
90
234Th + 24He
Esta ecuación
química es una ecuación química nuclear
típica en la que se conservan tanto los
números de masa como los números atómicos, es
decir, el número de masa del
“reactivo” (238) es igual a la suma de los números de masa de
los “productos”
(234 + 4) y el número atómico (92) es igual a la suma de
los números atómicos
de los “productos” (90 + 2)
La
radiación beta (b)
consiste de una emisión de partículas cargadas
negativamente, de
propiedades idénticas a las de los electrones. La emisión
de partícula b
(masa » 0,
carga = -1)
transforma a un neutrón (masa = 1, carga = 0) del núcleo
en un protón (masa =
1, carga = +1). Por lo tanto, la emisión de radiación b no
cambia el
número de masa, pero el número atómico aumenta en
una unidad. Un ejemplo de
emisión de radiación b es
la desintegración radiactiva del torio-234 (90 protones y 144
neutrones) a protactinio-234 (91 protones y 143
neutrones) más radiación b, que
se representa mediante la ecuación química nuclear:
90234Th
--->
91234Pa + -10e
La radiación gamma (g)
consiste en una emisión de fotones de alta energía y de
longitud de
onda muy corta (l =
0.0005 a 0.1 nm). La emisión de radiación gamma
acompaña a casi todas
las reacciones nucleares. Se produce debido a un cambio de
energía en el
núcleo. Un núcleo excitado, procedente de la
emisión de partículas a o b,
emite a su vez
un fotón, descendiendo a un estado energético más
bajo y más estable. La
radiación g no
produce ningún cambio en el número atómico ni en
el número de masa.
Esta es la razón por la que suele no escribirse en las
ecuaciones de las
reacciones nucleares.
El
torio-232 se desintegra radiactivamente en un proceso de tres etapas,
en la primera etapa emite radiación a por
lo que el torio disminuye su número de masa en 4 unidades y su
número atómico en 2 unidades, por lo que se transforma en
radio 228. La
ecuación química nuclear que representa este proceso es:
90232Th
--->
24He + 88228Ra
En la segunda etapa el radio228 emite un
electrón
(radiación b) por
lo que el
número de masa no cambia y su número atómico
aumenta en una unidad, por lo que
se transforma en el isótopo actino 228. La ecuación
química nuclear que
representa este proceso es
88228Ra ---> -10e
+ 89228Ac
En la
tercera etapa el actino 228 emite un electrón, por lo que no
cambia su número de masa y su número atómico
aumenta en una unidad, por lo que
se transforma en el isótopo torio
228.
La ecuación química nuclear que representa esta etapa es:
Radiactividad
artificial o inducida. Reacciones de bombardeo.
En los últimos 50 años se han obtenido
en el laboratorio
más de 1200
isótopos radiactivos. El número de isótopos por
elemento químico varía desde
uno (hidrógeno y boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se obtienen
por reacciones
de bombardeo, en las que un núcleo estable se transforma en
radiactivo. Una
reacción típica de bombardeo se produce, por ejemplo,
cuando se bombardea el
isótopo estable del aluminio 1327Al con
neutrones, al
absorber un neutrón se transforma en el isótopo 1328Al
que es inestable y se desintegra con emisión de un
electrón formando un isótopo
estable de silicio, 1428Si. Este proceso se
representa
mediante las ecuaciones nucleares:
1327Al + 01n ---> 1328Al , para la reacción de bombardeo con
neutrones.
1328Al ---> 1428Si + -10e
, para reacción de desintegración.
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Los primeros isótopos radiactivos
artificiales
fueron elaborados, en 1934 por Irene Curie (1897-1956) y
Frédéric Joliot
(1900-1958), bombardeando isótopos estables con
partículas a de
alta
energía. Por ejemplo, el aluminio se transforma en
fósforo-30 radiactivo y se
libera un neutrón, se representa mediante la ecuación
nuclear: 1327Al + 24He ---> 1530P
+ 01n
El
fósforo-30, que es radiactivo, se desintegra emitiendo una
partícula
llamada positrón, que tiene la misma masa que un electrón
pero con carga +1 (10e,
e+), este proceso se representa mediante la ecuación
nuclear: 1530P ---> 1430Si + 11e
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En la
radiactividad natural nunca se emiten positrones pero es frecuente
en la desintegración en la radiactividad inducida. Se puede
observar en la
ecuación de desintegración del fósforo-30, que el
resultado de la emisión de un
positrón es la transformación de un protón del
núcleo en un neutrón (el 1530P
tiene 15 protones y 15 neutrones y el 1430Si
tiene 14
protones y 16 neutrones).
La
emisión de positrones se produce en los isótopos
“ligeros” con
núcleos poco estables, debido al bajo contenido de neutrones.
Por ejemplo, el
isótopo del carbono-11, 611C, (tiene 6
protones y 5
neutrones) se desintegra formando el boro (511B)
y con la
emisión de un positrón, dicho proceso de
desintegración se representa mediante
la ecuación nuclear siguiente:
El isótopo
pesado del mismo elemento químico, el carbono-14, 614C,
(tiene 6 protones y 8 neutrones) se desintegra con la emisión de
un electrón (-10e)
transformándose en nitrógeno-14, 714N,
(tiene 7 protones
y 7 neutrones), lo que se representa mediante la ecuación
nuclear siguiente:
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Una
aplicación
de las reacciones de bombardeo es la obtención de elementos
químicos muy
pesados. Quienes más han contribuido en este campo son los
norteamericanos
Glenn Theodore Seaborg (1912- ), Albert Ghiorso y sus colaboradores y
el grupo
ruso dirigido por G. N. Flerov. Seaborg propuso el uso de
núcleos muy pesados
como partículas de bombardeo para sintetizar elementos
químicos de número
atómico mucho más grande que cualquier otro conocido.
Para utilizar este
procedimiento se requiere de grandes aceleradores y por este
método se
sintetizaron elementos químicos con números
atómicos más grandes que el del
uranio (del 93 al 106). El bombardeo con neutrones es efectivo para sintetizar los siguientes elementos químicos al uranio, pero el rendimiento decrece rápidamente al aumentar el número atómico. Por lo que, para sintetizar elementos químicos muy pesados es necesario bombardear blancos apropiados con iones positivos de alta energía, acelerados a velocidades muy altas. Es posible conseguir un aumento grande del número atómico, utilizando como partícula de bombardeo el carbono-12. |
Síntesis
de elementos químicos transuránicos por bombardeo con
neutrones.
Neptunio-239 ---> Plutonio-239: 93239Np ---> 94239Pu
+ -10e
Síntesis
de elementos químicos transuránicos por bombardeo con
iones positivos.
Plutonio-239 ---> Curio-242: 94239Pu + 24He ---> 96242Cm + 01n
Curio-242 ---> Californio-245: 96242Cm + 24He ---> 98245Cf +
01n
Uranio-238 ---> Californio-246:
92238U + 612C
---> 98246Cf +
4 01n
Californio-249 ---> Elemento 104:
98249Cf + 612C
---> 104257Unq +
4 01n
Californio-240 ---> Elemento 105:
98249Cf + 715N
---> 105260Unp +
4 01n
Californio-249 ---> Elemento 106:
98249Cf + 818O
---> 106263Unh +
4 01n
Nota. Los
investigadores Estadounidenses
propusieron los nombres de
“Rutherfordium” y “Hahnium” para
los elementos químicos 104 respectivamente y los investigadores
rusos
propusieron “Bohrium” y “Kurchatovium”. La Unión Internacional
de Química
Aplicada propuso los nombres de “Unnilquadium”, Unq; “Unnilpentium”,
Unp; y
Unnilhexium”, Unh, para los elementos químicos 104, 105 y 106
respectivamente.
Los isótopos de
los elementos muy pesados tienen un periodo de vida media muy cortos.
La mayor
parte de ellos han sido sintetizados en cantidades muy pequeñas,
en algunos
casos sólo unos pocos átomos. Uno de los grandes logros
de los investigadores
de estos elementos químicos es su habilidad para estudiar sus
propiedades con
muestras inferiores a los microgramos. Las evidencias químicas y
físicas de los
elementos químicos del 89 (Actino, Ac) al 102 (Nobelio, No)
forman una serie de
tierras raras, al ir completando el subnivel 5f. El elemento
químico 103 forma
una nueva serie de elementos químicos de transición.