La radiactividad es un fenómeno de enorme importancia para la civilización moderna. Se trata de procesos de desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de diferentes partículas subatómicas.
Su descubrimiento fue realizado casualmente por el físico francés Antoine Henri Becquerel en 1896, quién, observando los efectos de la exposición de materiales fluorescentes y fosforescentes a los rayos X (recientemente descubierto por Wilhelm Roentgenen 1895), para lo cual colocaba un cristal de sulfato de potasio y uranilo, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforescencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta a los rayos del sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad. A pesar de que el descubrimiento fue realizado por este señor, su trabajo en este campo de la física y de la química no fue mucho más allá de eso. Sin embargo, arribaron a estos estudios muchos importantes personajes científicos, y a medida que los estudios daban a luz trascendentes descubrimientos, más y más interesante se hacía este campo.
Poco después de su descubrimiento, el matrimonio conformado por Marie y Pierre Curie tomaron cartas en el asunto, y en los posteriores años se hicieron científicos de gran renombre por su arduo trabajo en la materia; Marie Curie bautizó al fenómeno como radiactividad, además de descubrir otros elementos radiactivos como el torio, el polonio y el radio. A este último le encontraron aplicaciones médicas para el tratamiento de tumores, y fue esta misma mujer quién encabezó una comisión honoraria de radiología durante la guerra. En 1903 fueron galardonados con el premio Nobel de Física junco con Becquerel, por el descubrimiento de la radiactividad natural, siendo Marie, la primera mujer de la historia en recibir tal distinción. Poco después Pierre muere en un accidente, ya muy debilitado por su trabajo con el radio. Marie mientras tanto siguió trabajando y ocupó un muy importante puesto en la Universidad de Sorbona en París, en donde conjuntamente con Ernest Rutherford consiguen demostrar que la radiación que emiten las sustancias radiactivas contienen tres componentes; las partículas alfa, beta y gamma. En 1934, a la edad de 60 años fallece Marie de leucemia, siguiendo su hija; Irene el mismo camino en la investigación que sus progenitores y recibiendo el Nobel junto con su marido por el descubrimiento de la radiactividad artificial.
Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que cualquiera 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 por hora. Este efecto de calentamiento continua hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de 1 gramo de carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000 calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiación atrajo la atención de científicos de todo el mundo.
Para entender este tipo de reacción nuclear, tenemos que decir que existen 2 tipos de partículas subatómicas que residen en el núcleo del átomo, ellas son; el protón y el neutrón, a los cuales nos referimos genéricamente como nucleones. Todos los átomos de un elementos dado tienen el mismo número de protones; este valor se conoce como “número atómico” y se representa con la letra Z, pero los átomos de un mismo elemento pueden tener diferentes números de neutrones, por lo cual sería distinta su masa, es decir; el número de neutrones más protones será diferente; a este número lo representamos como A. Los átomos que tienen el mismo número atómico (Z), pero distinto número másico (A) se conoce como isótopos.
Por ejemplo; en la naturaleza existen 3 isótopos de Uranio: el Uranio-233 ( 233U); el Uranio-235 (235U) y el Uranio-238 (238U). A su vez estos isótopos tienen diferente abundancia en la naturaleza:
Uranio-238 99.3%
Uranio-235 0.69%
Uranio-233 0.01%
Los distintos núcleos tienen diferente estabilidad, ya que de hecho; las propiedades nucleares dependen de su número másico.
Núclidos
El término núclido se le asigna a un núcleo con un número específico de neutrones y protones; a los núcleos radiactivos se le denominan radionúclidos y a los átomos con estos núcleos se les llama radioisótopos.
La inmensa mayoría de los núcleos de la naturaleza son estables y permanecen intactos indefinidamente. Sin embargo, los radionúclidos son inestables debido a las inmensas fuerzas de diversa índole que actúan en el núcleo y emiten partículas y radiación electromagnética de manera espontánea. La emisión de radiación es una de las maneras como un núcleo inestable se transforma en uno más estable es decir; con menos energía.
Las clases más comunes de desintegración son como ya fue dicho: la radiación Alfa (α); la Beta (β) y la radiación Gamma (γ).
La desintegración se efectúa cumpliendo ciertas reglas:
- El número de nucleones (A) se debe conservar
- La carga eléctrica se debe conservar
- La energía se debe conservar
- La cantidad de movimiento se debe conservar
- El movimiento angular (incluyendo el movimiento angular Spín) se debe conservar.
Para el caso de la radiación Alfa; se trata de la emisión de un núcleo de Helio, es decir de dos protones y dos neutrones. Para un isótopo emisor de este tipo partículas, esta emisión le significa una disminución en dos unidades de su masa atómica, es decir que pierde dos lugares en la ubicación de la tabla periódica, por otro lado también le significa a ese isótopo la perdida en cuatro unidades de su número másico.
La emisión Beta se trata de electrones de alta velocidad emitidos por un núcleo inestable. Las partículas β se representan en las ecuaciones nucleares por medio del símbolo –1e o -1β. El superíndice 0 indica que la masa del electrón es extremadamente pequeña en relación a la masa del nucleón. El subíndice –1 representa la carga de la partícula. La emisión b equivale a la conversión de un neutrón (0n) en un protón (1p o 1H) la cual aumenta el número atómico en 1.
Las emisiones Gamma o decaimiento gamma son radiaciones electromagnéticas de muy poca longitud de onda. Su emisión está originada por los cambios de energía dentro del núcleo. Su emisión sola; no produce cambios en el número másico o en el número atómico del núcleo.
A veces se producen núcleos en estados excitados por reacciones nucleares y regresan a su estado fundamental por emisión del exceso de energía en forma de radiación:
Ejemplo: [125Te]* 
125Te +γ
Los rayos emitidos por los núcleos específicos tienen un valor específico de energía o conjunto de valores de energía definidos debido a que corresponden a niveles discretos de energía del núcleo. Así; un espectro de emisión de una radiación γ es análoga al espectro de líneas que resultan de la transición de electrones entre los niveles de energía en un átomo excitado.
Tipos de radiación
| PROPIEDAD | α |
β |
γ |
|---|---|---|---|
| CARGA | 2+ |
1- |
0 |
| MASA | 6.64 x 10-24g |
9.11 x 10-28g |
0 |
| PODER RELATIVO DE PENETRACIÓN | 1 |
100 |
1000 |
| NATURALEZA DE LA RADIACIÓN | NÚCLEOS DE He |
ELECTRONES |
FOTONES DE ALTA ENERGÍA |
Además de las anteriores emisiones radiactivas, también podemos nombrar dos clases más tales como lo son la emisión de positrones que consiste en la producción de un electrón positivo, el cual se denomina positrón y se indica 1e. Un positrón tiene la misma masa que un electrón pero carga opuesta. Se origina de la conversión de un protón nuclear en un neutrón. La emisión de un positrón resulta en una disminución en uno de los números de protones y en el aumento en uno del número de neutrones. Por ello decimos que la emisión de un positrón aumenta el valor numérico de la proporción neutrón / protón.
Otra reacción que nombraremos será la captura de un electrón (ce). Denominadas algunas veces como, captura K, es otro proceso a través del cual se puede aumentar la proporción neutrón / protón de un núcleo rico en protones. Al contrario de la emisión de un protón, la captura de un electrón puede ocurrir cuando la diferencia de masa entre los núclidos reaccionantes y producidos no excede a 0.00110 uma. En ese proceso, el núcleo captura un electrón de su orbital del nivel K o L y el electrón capturado transforma un protón nuclear en un un neutrón. La transformación resulta en un protón menos y un neutrón más. Por consiguiente el número atómico del núclido producido es uno menos que el núclido reaccionante y el número de masa no cambia.
Como las fuerzas existentes en el núcleo dependen del número de protones y neutrones de que se compone, podemos obtener una idea aproximada de sí el núcleo es estable por consideración de estos números.
Previamente podemos definir el concepto de estabilidad. Podemos considerar una muestra inicialmente pura de 238U. Independientemente del estado físico o químico en que se encuentren los átomos de uranio, algunos de ellos se desintegran en cada transformándose en átomos de torio por cada reacción espontánea.
También podemos observar que tanto la carga eléctrica como el número total de partículas nucleares se mantienen como ya fue mencionado. El estudio cuidadoso de la velocidad de desintegración del núcleo demuestra que en un periodo de tiempo dado, se descompondrá una fracción constante de átomos presentes en. Esta observación nos permite caracterizar o describir la velocidad de desintegración de manera muy sencilla. Especificaremos simplemente el tiempo que debe transcurrir para que se desintegre una determinada fracción de los núcleos inicialmente existentes. Normalmente elegimos el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos; tiempo al que llamamos vida media. Por ejemplo, las mediadas muestran que la mitad de los átomos de una muestra de 238U se desintegrarán para dar 90Th después de 4,5 x 109 años. Los núcleos muy inestables se caracterizan por vidas medias muy cortas, en algunos casos de solo una fracción de segundo.