Radiactividad

INTRODUCCIÓN

La radiactividad se define como la propiedad de algunos elementos químicos que consiste en la desintegración espontánea ( radiactividad natural ) o provocada ( r. artificial ) de sus núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas partículas alfa y partículas beta, y de radiaciones electromagnéticas denominadas rayos X y rayos gamma.

El fenómeno fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel. Éste realizó los primeros estudios sobre r. natural, observando que las sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una placa de vidrio o un papel negro. También comprobó que los rayos que producían el oscurecimiento podían descargar un electroscopio, lo que indicaba que poseían carga eléctrica. Por ello dedujo que estaba ante un nuevo tipo de radiaciones ( no conocidas hasta entonces ) a las que se les llamó rayos de Becquerel.

En 1898, los químicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomo, por lo que ninguno de los agentes físicos o químicos conocidos influían en la emisión de la radiación.

También llegaron a la conclusión de que la pechblenda, un mineral de uranio, tenía que contener otros elementos radiactivos ya que presentaba una radiactividad más intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel. El matrimonio Curie llevó a cabo una serie de tratamientos químicos de la pechblenda que condujeron al descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio.

Marie Curie observó que entre los elementos conocidos en aquella época, además del uranio, el torio también era radiactivo.

En 1899, el químico francés André Louis Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año, los físicos británicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radón, observado en asociación con el torio, el actinio y el radio. Esto apoyaba el fenómeno de la radiactividad inducida (Marie Curie, 1899 ).

Se reconoció que la radiactividad era la fuente de energía más potente que se conocía hasta entonces. 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 cada hora. Este efecto de calentamiento continúa hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de un gramo de carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000 calorías) de energía.

Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos del fenómeno.

Tipos de radiación

Rutherford descubrió que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes: partículas alfa, que sólo penetran unas milésimas de centímetro, y partículas beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y de esta forma se descubrió que había un tercer componente, los rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta.

En un campo eléctrico, la trayectoria de las partículas beta se desvía mucho hacia el polo positivo, mientras que la de las partículas alfa lo hace en menor medida hacia el polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto indica que las partículas beta tienen carga negativa, las partículas alfa tienen carga positiva (se desvían menos porque son más pesadas que las partículas beta) y los rayos gamma son eléctricamente neutros.

El descubrimiento de que la desintegración del radio produce radón demostró que en la desintegración radiactiva se produce un cambio en la naturaleza química del elemento que se desintegra.

Los experimentos sobre la desviación de partículas alfa en un campo eléctrico demostraron que la relación entre la carga eléctrica y la masa de estas partículas es aproximadamente la mitad que la del ion hidrógeno. Los físicos supusieron que las partículas podían ser iones helio con carga doble (átomos de helio a los que les faltaban dos electrones). El ion helio tiene una masa aproximadamente cuatro veces mayor que el de hidrógeno, lo que supondría que su relación carga-masa sería la mitad que la del ion de hidrógeno. Esta suposición fue demostrada por Rutherford.

Más tarde se demostró que las partículas beta eran electrones, mientras que los rayos gamma eran radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero con una energía bastante mayor.

La hipótesis nuclear

En la época en que se descubrió la radiactividad, los físicos creían que el átomo era el bloque de materia último e indivisible. Después, se comprobó que las partículas alfa y beta ( unidades de materia ) , a través de la radiactividad transforman los átomos en nuevos tipos de átomos con propiedades químicas nuevas.

Esto hizo que se reconociera que los átomos deben tener una estructura interna, y que no son las partículas últimas y fundamentales de la naturaleza.

En 1911, Rutherford demostró la existencia de un núcleo en el interior del átomo mediante experimentos en los que se desviaban partículas alfa con láminas delgadas de metal.

Desde entonces, la hipótesis nuclear ha evolucionado hasta convertirse en una teoría de la estructura atómica, que permite explicar todo el fenómeno de la radiactividad.

Es decir, se ha comprobado que el átomo está formado por un núcleo central muy denso, rodeado por una nube de electrones. El núcleo, a su vez, está compuesto de protones, cuyo número es igual al de los electrones (en un átomo no ionizado), y de neutrones. Los neutrones son eléctricamente neutros, y su masa es aproximadamente igual a la de los protones.

Una partícula alfa (un núcleo de helio con carga doble) está formada por dos protones y dos neutrones, por lo que sólo puede ser emitida por el núcleo de un átomo.

Cuando un núcleo pierde una partícula alfa se forma un nuevo núcleo, más ligero que el original en cuatro unidades de masa (las masas del neutrón y el protón son de una unidad aproximadamente). Cuando un átomo del isótopo de uranio con número másico 238 emite una partícula alfa, se convierte en un átomo de otro elemento, con número másico 234. Como la carga del uranio 238 disminuye en dos unidades como resultado de la emisión alfa, el número atómico del átomo resultante es menor en dos unidades al original, que era de 92. El nuevo átomo tiene un número atómico de 90, y es un isótopo del elemento torio.

El torio 234 emite partículas beta (electrones). La emisión beta se produce a través de la transformación de un neutrón en un protón, y entonces aumenta la carga nuclear (o número atómico) en una unidad. La masa de un electrón es despreciable, por lo que el isótopo producido por la desintegración del torio 234 tiene un número másico de 234 y un número atómico de 91; se trata de un isótopo del protactinio.

Las emisiones alfa y beta suelen ir junto con la emisión gamma. Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por lo tanto no suponen cambios en la estructura del núcleo, sino la pérdida de una determinada cantidad de energía radiante.

Con la emisión de estos rayos, el núcleo compensa el estado inestable tras los procesos alfa y beta. La partícula alfa o beta primaria y su rayo gamma asociado se emiten casi a la vez. Sin embargo, se conocen algunos casos de procesos alfa o beta no acompañados de rayos gamma o al contrario ( isómeros nucleares, mismo número atómico y número másico pero distintas energías. Ej: isótopo protactinio 234).

Series de desintegración radiactiva

Cuando el uranio 238 se desintegra mediante emisión alfa, se forma torio 234; éste es un emisor beta y se desintegra para formar protactinio 234, que a su vez, es un emisor beta que da lugar a un nuevo isótopo del uranio, el uranio 234. Este isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio 230, que se desintegra mediante emisión alfa y produce el isótopo radio 226.

Esta serie de desintegración radiactiva, denominada serie uranio-radio, continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo no radiactivo (estable) del plomo (el elemento 82) con número másico 206.

En esta serie están representados todos los elementos de la tabla periódica situados entre el uranio y el plomo. Todos los miembros de esta serie tienen un rasgo común: si se resta 2 a sus números másicos se obtienen números exactamente divisibles por 4, es decir, sus números másicos pueden expresarse mediante la sencilla fórmula 4n + 2, donde n es un número entero.

Otras series radiactivas naturales son la serie del torio, llamada serie 4n y la serie del actinio o serie 4n + 3. El elemento original de la serie del torio es el isótopo torio 232, y su producto final es el isótopo estable plomo 208. La serie del actinio empieza con el uranio 235 y acaba en el plomo 207.

En los últimos años se ha descubierto y estudiado en profundidad una cuarta serie, la serie 4n + 1, en la que todos son elementos radiactivos artificiales. Su miembro inicial es un isótopo del elemento artificial curio, el curio 241, y su producto final

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