Introducción a la Radiactividad

La Radiactividad es la propiedad que presentan determinadas sustancias, llamadas sustancias radiactivas, de emitir radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.

Conceptos Fundamentales de la Estructura Atómica

Número Atómico (Z)

Es el número de protones. Caracteriza al elemento químico.

Número Másico (A)

Es el número de nucleones (protones + neutrones), es decir, A = Z + N. Indica la masa aproximada del núcleo, en u.m.a.

Clasificación de Núcleos

• Isótopos: Igual número atómico (Z), diferente número másico (A).
• Isóbaros: Diferente número atómico (Z), igual número másico (A).
• Isótonos: Igual número de neutrones (N).
• Isómeros: Igual número atómico (Z), igual número de neutrones (N), igual número másico (A), pero las partículas están distribuidas diferentemente (diferente estado energético).

Fuerzas Nucleares

Fuerza Nuclear Fuerte

Es la responsable de la cohesión del núcleo. Las partículas nucleares (especialmente los protones) pueden mantenerse dentro del núcleo a tan corta distancia unos de otros gracias a la interacción nuclear fuerte, que supera, a esas distancias, la repulsión eléctrica entre cargas del mismo signo.

Las características fundamentales de esta interacción son:

• Actúa a distancias muy cortas (inferiores a 10^-15 m), siendo prácticamente nula para distancias mayores.
• Afecta a los nucleones.
• Muy corto alcance (aproximadamente 10^-15 m).
• Es la más fuerte de las interacciones fundamentales de la naturaleza.
• Es independiente de la carga eléctrica.

Fuerza Nuclear Débil

Es la responsable de la desintegración beta (β) de los núcleos y se manifiesta principalmente en partículas no sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte.

Las características fundamentales de esta interacción son:

• Actúa a distancias extremadamente cortas (inferiores a 10^-17 m), siendo prácticamente nula para distancias mayores.
• Muy corto alcance (aproximadamente 10^-17 m).
• A distancias muy cortas, donde su intensidad es máxima, supera a la fuerza gravitatoria, pero es considerablemente más débil que la fuerza nuclear fuerte (aproximadamente 10¹³ veces menos intensa) y la electromagnética.

Estabilidad Nuclear y Energía de Enlace

Equivalencia Masa-Energía

Albert Einstein estableció que la masa de un cuerpo puede transformarse completamente en energía, y viceversa. La energía que puede extraerse de una masa dada m viene dada por la expresión E = mc², donde la constante c coincide con la velocidad de la luz en el vacío (c = 3·10⁸ m/s). Este principio de equivalencia tiene una consecuencia importante: en una reacción (sobre todo en reacciones nucleares) la masa no se conserva. Sí se conserva, en cambio, la energía total del sistema (teniendo en cuenta la energía equivalente a la masa).

Defecto Másico y Energía de Enlace

Cuando un núcleo se forma a partir de la unión de sus protones y neutrones constituyentes, se observa que la masa del núcleo resultante es menor que la suma de las masas de las partículas individuales por separado. Es decir, se ha producido una pérdida de masa durante el proceso de formación (aunque las partículas constituyentes permanecen inalteradas). A esta masa ‘perdida’ se le denomina defecto másico (Δm). Aunque representa una masa ‘perdida’, su valor se considera positivo. Se calcula mediante la expresión Δm = Σm_partículas – m_núcleo. Esta masa ‘perdida’ se ha transformado en energía, la cual se desprende en forma de radiación. La cantidad de energía desprendida se denomina energía de enlace (E_e = |Δm·c²|). También puede interpretarse como la energía que debe suministrarse al núcleo para descomponerlo en sus partículas constituyentes.

Energía de Enlace por Nucleón

Representa la energía promedio desprendida por cada nucleón que compone el núcleo: E_n = E_e/A. Esta magnitud es un indicador clave de la estabilidad nuclear. Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón, mayor estabilidad presentará el núcleo. A mayor energía de enlace por nucleón, mayor estabilidad.

Tipos de Radiactividad

Por radiactividad se entiende la emisión de radiación (partículas, ondas electromagnéticas) por parte de ciertas sustancias, denominadas sustancias radiactivas. Esta emisión puede ser espontánea (radiactividad natural) o inducida (radiactividad artificial). La radiactividad es un fenómeno que se origina a nivel del núcleo atómico. Este, ya sea de forma natural o inducida, emite partículas o energía de su interior. Esto conlleva un cambio en el número de partículas del núcleo (pueden variar Z y A). Es decir, la sustancia inicial puede transformarse en otra sustancia completamente diferente.

Radiactividad Natural

Se distinguen principalmente tres tipos de radiactividad natural: alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Una diferencia fundamental entre ellas radica en su carga eléctrica.

Leyes de Desplazamiento Radiactivo

1. Cuando un núcleo emite una partícula alfa (α), se transforma en un núcleo del elemento situado dos lugares a la izquierda en la tabla periódica. Es decir, su número atómico (Z) disminuye en dos unidades.
2. Cuando un núcleo emite una partícula beta (β), se transforma en un núcleo del elemento situado un lugar a la derecha en la tabla periódica. Es decir, su número atómico (Z) aumenta en una unidad.
3. Cuando un núcleo emite radiación gamma (γ), permanece como el mismo elemento químico, solo pierde energía.

Reacciones Nucleares

Reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos atómicos, transformándose en otros distintos, generalmente más estables (menos energéticos), y en los que se libera una considerable cantidad de energía.

Emisión de Partículas Alfa (α)

• Son núcleos de Helio (⁴He) formados por dos protones y dos neutrones.
• Su carga eléctrica es Q = +2e = +3.2·10^-19 C.
• Su masa es aproximadamente 6.7·10^-27 kg (equivalente a 4 u.m.a.).

Cuando una partícula alfa (α) abandona un núcleo, su número másico (A) disminuye en cuatro unidades y su número atómico (Z) en dos. Esta es la Ley de Soddy.

Emisión de Partículas Beta (β)

Un neutrón del núcleo se transforma en un protón, un electrón (partícula beta, β^–) y un antineutrino (partícula sin carga ni masa) mediante la reacción: n → p⁺ + β^– + ν̄_e.

• Las partículas beta (β^–) son electrones rápidos procedentes de la desintegración de neutrones, que dan lugar a un protón y un electrón.
• Su carga eléctrica es Q = -e = -1.6·10^-19 C.
• Su masa es m = 9.1·10^-31 kg.

Cuando una partícula beta (β^–) abandona un núcleo, su número másico (A) no se altera, mientras que su número atómico (Z) aumenta en una unidad. Esta es la Ley de Fajans.

Emisión de Partículas Gamma (γ)

• Son radiación electromagnética de alta energía, es decir, fotones.
• No poseen carga eléctrica.
• No tienen masa en reposo.

Si una partícula gamma (γ) abandona el núcleo, este solo pierde energía, permaneciendo como el mismo elemento químico.

La energía de los fotones liberados está relacionada con la frecuencia (f) de la radiación mediante la expresión E = h·f, donde h = 6.626·10^-34 J·s es la constante de Planck.

Ley de Desintegración Radiactiva

Cuando un núcleo atómico emite radiación alfa (α), beta (β) o gamma (γ), el núcleo cambia de estado o bien se transforma en otro distinto. En este último caso, se dice que ha tenido lugar una desintegración radiactiva.

Esta transformación no es instantánea, ya que no todas las desintegraciones se producen simultáneamente, sino que es un proceso aleatorio gobernado por leyes estadísticas; no es posible predecir el instante exacto en que un átomo en concreto se desintegrará. Sin embargo, con mayor o menor rapidez, el número de átomos de la sustancia inicial disminuye (y aumenta el de la sustancia final).

La rapidez de esta disminución depende de dos factores principales:

• La naturaleza de la sustancia: Viene marcada por la constante de desintegración radiactiva (λ), característica de cada isótopo radiactivo, y que se mide en s^-1.
• El número de átomos presentes en cada instante (N): Si N representa el número de núcleos que aún no se han desintegrado en un tiempo t, el número de emisiones por unidad de tiempo será proporcional al número de núcleos existentes. La ley de desintegración radiactiva se expresa como: N = N₀·e^-λt.

La actividad (A) de una sustancia radiactiva pura disminuye con el tiempo de forma exponencial, según la Ley de Elster y Geitel: A = A₀·e^-λt. El tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos iniciales se denomina periodo de semidesintegración o semivida (T_1/2): T_1/2 = Ln(2)/λ.

La vida media (τ) de un isótopo radiactivo es el tiempo promedio que tarda en desintegrarse un núcleo al azar: τ = 1/λ. Según esto, la ley de desintegración radiactiva también puede expresarse como: N = N₀·e^-t/τ.

Radiactividad Artificial: Fusión y Fisión Nuclear

En toda reacción nuclear se conservan (además de la energía total y la cantidad de movimiento, como en toda colisión):

• La carga eléctrica total antes y después de la reacción.
• El número total de nucleones (ΣA).
• La suma de los números atómicos (ΣZ).

La masa, sin embargo, no se conserva, ya que parte de ella se convierte en energía (defecto másico), ya sea en forma de fotones o como energía cinética de las partículas resultantes.

Fisión Nuclear

Algunos núcleos atómicos pueden liberar una gran cantidad de energía si se dividen para formar dos núcleos más ligeros. Este proceso se denomina fisión nuclear.

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado (generalmente más pesado que el hierro, Fe) se divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y una gran cantidad de energía. Principalmente, sufren este tipo de reacción nuclear el ²³⁵U (Uranio-235) y el ²³⁹Pu (Plutonio-239). Estas reacciones se producen en las centrales nucleares, donde se llegan a desprender energías del orden de 200 MeV por cada núcleo de uranio fisionado.

Fusión Nuclear

Algunos núcleos atómicos pueden liberar una gran cantidad de energía si se unen para formar un núcleo más pesado. Este proceso se denomina fusión nuclear.

La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos ligeros (menos pesados que el hierro, Fe) se unen para formar uno más pesado. En el proceso se libera una gran cantidad de energía.