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Física nuclear

Contenido del artículo
Generalidades
Banda de estabilidad
Radioactividad
Conversión entre protones y neutrones
Conversión de un neutrón en protón
Conversión de un protón en neutrón
Emisión de positrón
Captura de electrón
Transformaciones radiactivas por emisión de partículas alfa
Radiación gamma


Generalidades

El átomo, como sabemos está formado por entidades sub-atómicas que para simplificar se les denomina partículas. Las partículas subatómicas fundamentales son los protones, neutrones y electrones. Por su parte los protones y neutrones están confinados a un espacio muy pequeño que se conoce como núcleo alrededor del cual están situados los electrones en diferentes capas.

Los científicos han podido aislar y determinar la masa de cada una de las partículas y esto ha dado lugar a una situación sorprendente: cuando se suman las masas individuales de protones, neutrones y electrones de un determinado átomo para un elemento el resultado no coincide con la masa atómica del elemento, cierta cantidad de masa se pierde y la masa real del átomo determinada experimentalmente resulta menor que la que se supone que fuera al sumar las masas de todas las partículas subatómicas constituyentes. Muchos experimentos han demostrado que esto sucede en mayor o menor grado en todos los átomos y el hecho se conoce como defecto de masa.

La explicación del fenómeno se puede encontrar en la teoría de Albert Einstein en la que se plantea la famosa relación ente masa y energía E = mc2 donde la m es la masa y c la velocidad de la luz. Según esta expresión y partiendo del hecho de que c es una constante, la masa y la energía mantienen una relación de proporcionalidad, de modo que si durante la formación del átomo, partiendo de las partículas elementales se pierde masa, esta pérdida debe ser la consecuencia de que se ha convertido en energía, la llamada energía de enlace atómico que se puede tomar como la energía que mantiene el átomo unido.

Dado el monumental valor de la velocidad de la luz 3.00 x 108 m/s las pérdidas de masa,
aunque sean pequeñas, en algún proceso representan un valor de cálculo de energía muy grande; así por ejemplo, para el caso de la formación de un mol (masa atómica expresada en gramos) del isótopo carbono-12 partiendo de las partículas elementales, la masa atómica calculada sumando las de todas las partículas involucradas en el proceso debe ser de 12.0993g, sin embargo, los experimentos demuestran que la masa atómica real de un mol de este isótopo es de 12.0000 g. Se han perdido durante la formación del mol de átomos unos 0.0993 g de masa y ¿cuanta energía representa esto? los cálculos indican que esta masa es equivalente a la astronómica cantidad de 8.94 x 109 kJ, ¡8 940 000 000 kJ! equivalente a la energía liberada al quemar unos 200 000 litros de gasolina. Si se quiere descomponer el átomo en sus partículas elementales esa misma cantidad de energía tenemos que suministrar al mol de 12C a fin de romper el enlace de las partes, razón por la cual los antiguos alquimistas nunca pudieron convertir el plomo en oro como era su sueño, partiendo de reacciones químicas cuya liberación de energía, en el mejor de los casos, es incomparablemente mas baja.

Aun con estos umbrales de energía monumentales que mantienen la integridad del átomo, algunos átomos producen cambios espontáneos en su núcleo sin la aplicación de energía alguna del exterior, durante los cambios expulsan partes de sus núcleos transformándose por sí mismos en átomos diferentes. Lo que ha adquirido el nombre de radiactividad. Las razones por lo que este cambio espontáneo se produce en los átomos radioactivos no están relacionadas simplemente con la insuficiencia de energía de enlace y se escapa del alcance del presente artículo.

Banda de estabilidad

Los núcleos de los átomos son conjuntos de protones (p) cargados positivamente y de neutrones (n) sin carga (para los que se usa la denominación común de nucleones) reunidos en un espacio pequeño. Como las cargas del mismo signo se repelen ¿como se explica que puedan coexistir tan cercanos los protones, y el núcleo se pueda formar? La respuesta está en la llamada Fuerza (o interacción) nuclear fuerte que es la mayor de todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

figura 1
Figura 1. La fuerza fuerte entre neutrón y protones mantiene la integridad del núcleo venciendo la fuerza de repulsión entre ellos.

Esta fuerza solo existe como interacción entre dos nucleones y adquiere la mayor magnitud cuando los nucleones se tocan. La fuerza de repulsión entre los protones se mantiene y es también muy grande cuando estos entran en contacto. La presencia de neutrones en el núcleo aumenta su volumen y separa un tanto los protones de modo que su fuerza eléctrica repulsiva se reduce mientras que la fuerza fuerte se mantiene entre protones y neutrones lo que hace que el núcleo siga como un todo. La diferencia entre la fuerza repulsiva, que será menor, y la fuerza fuerte, que será mayor, representa la energía de enlace nuclear que mantiene la integridad del núcleo. En la figura 1 se ha representado de forma esquemática como el neutrón sirve de elemento de integración nuclear.

Durante las observaciones empíricas de los diferentes átomos los físicos han descubierto algunas características en su comportamiento estructural en cuanto a la relación protones-neutrones en los núcleos:

1.- Todos los isótopos conocidos de los átomos con número atómico entre 1 y 20 tienden a tener la misma cantidad de neutrones que de protones, es decir la relación entre el número de ellos es 1 o muy cercana a 1.

2.- Cuando el número atómico pasa de 20 la tendencia es a tener mas neutrones que protones, así por ejemplo, el isótopo mas abundante de hierro 56Fe tiene 26 protones y 30 neutrones lo que da una relación de 1.15. Del mismo modo el bismuto-209 tienen 126 neutrones y 83 protones para 1.52 de relación.

Estas observaciones resultan razonables ya que a medida que aumenta el número de protones el núcleo se hace mas positivo y son necesarios mas neutrones a fin de mantener el balance de fuerzas apropiado y lograr la integridad nuclear.
 
Los científicos han elaborado un gráfico en el que están ploteados la cantidad de neutrones en el eje vertical contra la de protones en el eje horizontal, en este gráfico todos los isótopos conocidos caen dentro de una franja estrecha llamada banda de estabilidad (vea la figura 2 abajo). Se deduce entonces que en el medio que nos rodea no existen elementos, cuyo tiempo de existencia se pueda medir, con relaciones protones-neutrones por fuera de esa banda de estabilidad.

Ya hemos mencionado que ciertos átomos sufren cambios en su núcleo de forma espontánea, es decir son radioactivos, y pueden finalmente convertirse en átomos de otro isótopo del mismo elemento o de otro elemento diferente al perder partes de su núcleo, pues bien esto implica entonces que los átomos de los elementos radioactivos no existen invariablemente en su totalidad eternamente, algunos de ellos de tiempo en tiempo sufren la transformación dando lugar a otro núcleo "hijo" de modo que la cantidad inicial de los núcleos "padres" va disminuyendo.

Para cuantificar la transformación se utiliza el concepto de período de semi-desintegración que se define como el tiempo que demora la mitad de la cantidad de una muestra de un elemento radioactivo en transformarse por un cambio espontáneo de su núcleo. Los períodos de semi-desintegración de los diferentes isótopos puede ir desde fracciones de segundo hasta millones de años. En la tabla 1 a contonuación se muestra esta característica para varios isótopos.

Tabla 1. Período de semi-desintegración de algunos isótopos.
Elemento
Isótopo radiactivo
Período de semi-desintegración
Iodo
123I
13.1 horas
Fósforo
32P
14.28 días
Carbono
14C
5715 años
Uranio
235U
7.04 x 108 años

Radiactividad

De lo explicado anteriormente se desprende que cualquier átomo, lo mismo como isótopo radiactivo que como no radioactivo está en la banda de estabilidad mostrada en la figura 2, a la derecha en color marrón claro, La banda va conformándose a medida que se plotean los puntos correspondientes a las cantidades de protones y neutrones de todos los isótopos conocidos. Entremos en los detalles de la figura 2:

Cantidad de protones contra cantidad de neutrones
 
Figura 2. Gráfico resultante de plotear número de protones contra número de neutrones.

1.- La banda de estabilidad señalada en marrón claro incluye a todos lo núcleos conocidos sean o no radiactivos.

2.- A medida que aumenta el número atómico (número de protones) la relación n/p va creciendo y la silueta de la banda de estabilidad se aparta cada vez más de la linea que representa n/p = 1.

3.- Existe un franja señalada de color marrón oscuro que corre cercana a la linea central de la banda de estabilidad, en esta franja caen todos los núcleos no radiactivos, es decir, en estos isótopos la relación n/p es óptima para que el núcleo sea lo suficientemente estable como para que no produzca cambios espontáneos y exista indefinidamente. Note que la franja no radiactiva termina en el bismuto con número atómico 83, los núcleos con número atómico mayor tienen una relación n/p demasiado grande (muchos neutrones) y son todos radioactivos.

4.- Los núcleos de los isótopos, sin importar su número atómico y cuya relación n/p los hace caer fuera de la zona no radiactiva (marrón oscuro) lo mismo con una relación n/p mas alta o mas baja que la correspondiente a la zona no radiactiva, son radioactivos y van sufriendo transformaciones de manera que su cantidad en una muestra dada va disminuyendo de acuerdo al valor de su período de semi-desintegración al formar otros núcleos diferentes.

5.- Los isótopos que están por encima de la franja marrón oscuro en la zona de estabilidad tienen una relación n/p muy alta lo que significa que tienen demasiados neutrones y la vía para moverse en la dirección a la no radiactividad (hacia la banda marrón oscuro) es convirtiendo neutrones en protones.

6.- En el caso contrario, aquellos isótopos que caen por debajo de la franja marrón oscuro tienen una relación n/p muy baja es decir tienen muy pocos protones y una vía para ganar en estabilidad nuclear es convertir protones en neutrones.

Ahora usted pensará que no estamos hablando en serio ¿protones cambiados a neutrones? ¿neutrones cambiados a protones? sí,  aunque no lo crea eso es lo que sucede exactamente en la mayor parte de los casos cuando se producen cambios espontáneos en los núcleos radioactivos y a estos cambios se les llama decaimiento radiactivo.

Conversión entre protones y neutrones

Bueno, tenemos que para ganar en estabilidad y en dependencia de la relación n/p los núcleos pueden convertir su protones en neutrones y vice versa. Veamos ahora estos procesos.

Conversión de un neutrón en protón, emisión beta. Un neutrón se convierte en protón si expulsa un electrón, ¿pero como? los núcleos no tienen electrones en principio, es cierto, pero el electrón "sale" del propio neutrón cuando él se convierte en protón. Note que cuando esto sucede la neutralidad eléctrica del neutrón se cambia a carga positiva es decir a la del protón ya que ha perdido una unidad de carga negativa (el electrón), sin embargo como la masa del electrón es despreciable se puede considerar que la masa no cambia. En resumen, el neutrón se cambia a un protón + un electrón y este último es expulsado fuera del núcleo.

Al electrón expulsado se le llama partícula beta, y su símbolo es β-, la letra griega beta seguida de un signo menos como superíndice. A la expulsión de partículas beta se le llama emisión beta. Note que la neutralidad del átomo se conserva, ha ganado una carga positiva en el núcleo con el nuevo protón pero también ha aumentado la carga negativa en la misma proporción al ganar un electrón que ha salido del núcleo.

Como consecuencia de la transformación el átomo tiene un protón más y por consiguiente su número atómico se ha incrementado en una unidad pero sin cambio en la masa. Como el número atómico es el que define la naturaleza de un elemento químico, se puede decir que la emisión beta trae como consecuencia que el elemento radiactivo "padre" se transforma en otro elemento químico "hijo" distinto en el proceso.


Este tipo de transformación es la que sufre el carbono-14 que tiene 6 protones (número atómico 6) y 7 neutrones el que por transformación beta se convierte en nitrógeno con 7 protones (número atómico 7) y 7 neutrones. Originalmente el 14C se ubicaba en la zona marrón claro de la banda de estabilidad siendo por tanto radiactivo, pero después de la transformación beta el nitrógeno formado cae dentro de la franja marrón oscuro de la no radiactividad.

Conversión de un protón en neutrón

Ahora veamos los isótopos radiactivos que requieren neutrones adicionales para pasar de la parte marrón claro a la zona marrón oscuro de la banda de estabilidad, es decir tener una relación n/p más estable.

Estos isótopos radiactivos tienen la tendencia a convertir un protón a neutrón y lo hacen por dos vías diferentes: por la emisión de un positrón o por la captura de un electrón.
 

El electrón nos es mas o menos familiar a todos, tiene la unidad de carga eléctrica negativa (-1) y su masa en casi 2000 veces mas pequeña que la de los protones y neutrones. El positrón esencialmente es lo mismo que el electrón pero tiene la unidad de carga eléctrica positiva (+1) y se representa como β+. Los positrones son un ejemplo de lo que se conoce como antimateria, la versión de la materia con la carga eléctrica invertida y esto nos permite llamar también al positrón como antielectrón, idéntico en tamaño pero de carga contraria.

Cuando un electrón y un positrón entran en contacto, de forma instantánea se produce una aniquilación mutua y la masa de ambos desaparece del universo y se remplaza por energía (E =mc2).

Emisión de positrón

Un protón se puede convertir a neutrón cuando un núcleo expulsa un positrón, proceso que se conoce como emisión de positrones. Cuando se emite un positrón desde un núcleo se produce la conversión protón-neutrón es decir un protón se convierte a neutrón + un positrón. Note que lo que sucede básicamente es la pérdida de la carga positiva del protón sin que cambie su masa. El positrón emitido se encarga de aniquilar un electrón del átomo de modo que la neutralidad eléctrica se mantiene.

Captura de electrón

Otra forma con la que un protón se puede convertir en neutrón se produce cuando el núcleo absorbe o captura uno de los electrones de la capa mas interna y al proceso se le llama captura de electrones. El electrón capturado se combina con uno de los protones del núcleo para formar un neutrón. Note que lo que sucede es básicamente la compensación a neutralidad de la carga positiva del protón sin que cambie su masa. También observe que la neutralidad del átomo se mantiene, han desaparecido un electrón, con carga eléctrica unitaria negativa, y un protón con carga eléctrica unitaria positiva.


Ambas formas de ganar estabilidad, la emisión de positrones o la captura de electrones son típicas de los isótopos radiactivos que yacen en la parte marrón claro de la banda de estabilidad por debajo de la franja central marrón oscuro. Y es conveniente observar que en estros casos la transformación radioactiva conduce a una disminución del número atómico al perder un protón pero la masa se mantiene. Dos ejemplos de estos tipos de transformaciones son:

40K ------> 40Ar  + 
β+    el isótopo radiactivo potasio-40  con 19 protones (número atómico 19) y 21 neutrones se convierte al isótopo no radioactivo argón-40 de 18 protones (número atómico 18) y 22 neutrones por emisión de un positrón (β+)

197Hg  + electrón ------->  197Au    el isótopo radiactivo mercurio-197 con 80 protones (número atómico 80) y 117 neutrones se convierte al isótopo no radioactivo oro-187 con 79 protones (número atómico 79)
y 118 neutrones por captura de un electrón.

Transformaciones radiactivas por emisión de partículas alfa.

Si volvemos sobre la figura 2 que representa la banda de estabilidad habíamos dicho que los núcleos que estaban por encima del límite del bismuto todos eran radioactivos, lo que significa que los núcleos con mas de 83 protones son necesariamente radiactivos. La razón estriba en que estos núcleos son demasiado grandes y por ello no pueden mantener indefinidamente su integridad. Ellos tienen que perder partes del núcleo relativamente grandes para poder acercarse o caer en la banda marrón oscuro de la zona no radioactiva. Los métodos de transformación vistos no producen este efecto y estos núcleos de manera común tienden a transformarse expulsando un trozo notable de su núcleo por la vía de un proceso llamado decaimiento (o transformación) alfa al expulsar del núcleo partículas alfa.

Las partículas alfa son piezas del núcleo que tienen dos protones, dos neutrones y ningún electrón (carga +2) lo que es equivalente al núcleo de un átomo de helio y se representan de diversas maneras
, nosotros la representaremos como α2+.

Cuando se produce la expulsión de una partícula alfa un núcleo grande pierde un trozo considerable de una sola vez y su número atómico desciende en 2 y el número de masa en 4. Un ejemplo de este tipo de proceso se tiene en la conversión del uranio-238 con 92 protones y 146 neutrones a torio-234 con 90 protones y 144 neutrones.

238U  ----->  234Th  + α2+

El isótopo "hijo", torio, es aun radiactivo pero su número atómico 90 está mas cerca de la banda de no radiactividad marcada en el bismuto de número atómico 83 que su "padre" el uranio. Procesos sucesivos de desintegración (emisión alfa y emisión beta) finalmente conducen al 238U a terminar en plomo-206 (206PB) que ya no es radioactivo. El proceso en su conjunto es como sigue:

Uranio 238

Figura 3. Proceso completo de transformaciones del uranio-238.

En la figura 3 las flechas de color rojo representan transformaciones debidas a emisión alfa mientras que las azules son transformaciones por emisión beta. Note que se necesitan 14 etapas de desintegración consecutivas, 8 de emisión alfa y seis de emisión beta, para que el radiactivo uranio-238 termine como plomo-206 que ya no lo es. Se dará cuenta que todos los productos intermedios entre el uranio-238 y el plomo-206 son a su vez radiactivos y sufren por ello transformaciones espontáneas en su núcleo.

Radiación gamma

Cuando los núcleos producen transformaciones radioactivas muchas veces liberan grandes cantidades de energía. La energía liberada está contenida en parte como energía cinética de las partículas expulsadas del núcleo, las que generalmente se mueven a gran velocidad, no obstante muchos núcleos radioactivos liberan además energía en forma de radiaciones electromagnéticas, la mayor parte de las veces como rayos gamma (γ). Los rayos gamma son mas energéticos que los rayos X (vea el espectro electromagnético) y por esa razón son muy dañinos a los organismos vivos.

La emisión de rayos gamma, a diferencia de las emisiones de partículas alfa, beta y positrones, no produce cambios en la masa nuclear ya que las ondas electromagnéticas no tienen masa, de modo que si un núcleo radioactivo solo emite rayos gamma su identidad como elemento se mantiene constante. En la práctica la emisión de rayos gamma usualmente está acompañada de alguna de las otras transformaciones radiactivas estudiadas arriba.

Como continuación del tema puede leer el artículo Energía nuclear.



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