Átomos y Radiactividad

Átomos y relaciones radiactivas

En esta sección se describe la relación entre los átomos y la radiactividad. Esencialmente, la radiactividad es una propiedad de ciertos átomos cuyos núcleos no son estables. Para comprender las relaciones entre los átomos radiactivos y la radiactividad, necesitamos saber cómo medir los niveles de radiación que emiten los materiales radiactivos. Una vez que disponemos de una técnica de medición adecuada, es posible establecer relaciones y leyes entre los elementos radiactivos y la radiación que emiten.

Medición de la radiactividad

Podemos medir la actividad de las fuentes radiactivas utilizando un tubo Geiger-Muller acoplado a un contador. La radiactividad se mide mediante la tasa de recuento, es decir, el número de desintegraciones detectadas por segundo. La unidad estándar de actividad es el becquerelio (Bq). Así, una fuente que tiene 10 desintegraciones por segundo tendría una tasa de recuento de 10 Bq. Cuando un isótopo radiactivo se desintegra, emite un producto radiactivo, normalmente una partícula alfa, una partícula beta o una onda gamma. Cada vez que uno de estos productos de la desintegración radiactiva entra en el tubo Geiger-muller, el contador hace clic y la tasa de recuento se muestra al operador.

Isótopos radiactivos

Los distintos núcleos radiactivos se desintegran a velocidades diferentes, incluso entre distintos isótopos del mismo elemento. Un isótopo puede incluso ser estable, mientras que otro isótopo del mismo elemento es radiactivo. Los elementos más masivos tienden a ser más radiactivos porque es más probable que sus núcleos más grandes tengan un exceso inestable de energía interna.

Átomos y radiactividad: Vida media

Un concepto importante a la hora de comprender la desintegración radiactiva esla semivida deun isótopo radiactivo. La semivida de un isótopo radiactivo se define como el tiempo que tardanen desintegrarse la mitad de los isótopos de una muestra. Alternativamente, la semivida puede describirse como el tiempo que tarda la tasa de recuento de la muestra en reducirse a la mitad su nivel original. Quizá te preguntes por qué es importante conocer la semivida. La respuesta es que la desintegración radiactiva es aleatoria.

Imagina que estás estudiando un único núcleo inestable de Bismuto-210. Sería imposible determinar cuándo se desintegrará debido a la naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva. Sin embargo, si en su lugar tuvieras un bloque de 1 kg de material radiactivo que contuviera aproximadamente ¹⁰²⁵ átomos de Bismuto-210, entonces podrías estar casi seguro de que algunos de los isótopos radiactivos se desintegrarían. Si la tasa de recuento de la muestra tarda cinco días en reducirse a la mitad, entonces sabrás que la semivida del Bismuto-210 es de cinco días.

Desintegración de una sustancia radiactiva, commons.wikimedia

La estructura de un átomo y la radiactividad

En realidad,gracias a la radiactividad conocemos la estructura subyacente del átomo. Tras el descubrimiento del electrón en 1897 por J. J. Thomson, la teoría más popular sobre la estructura del átomo era el modelo del pudín de ciruelas o modelo de Thomson. Thomson propuso que las "ciruelas" (electrones) cargadas negativamente estaban rodeadas por un "pudín" cargado positivamente.

Dispersión de partículas alfa si el modelo del budín de ciruelas era correcto comparado con los resultados reales, commons.wikimedia

En 1905, Ernst Rutherford puso a prueba el modelo del budín de ciruelas dirigiendo un haz de partículas alfa a una tira de lámina de oro. Las partículas alfa son una forma de radiación con una gran carga positiva. Esperaba que las partículas alfa atravesaran el oro sin desviarse, ya que el "pudín" cargado positivamente debería estar repartido uniformemente. Sin embargo, un número muy pequeño de partículas alfa se desviaban, y a veces se reflejaban por completo.

Propuso que el átomo estaba formado en realidad por un núcleo pequeño, compacto y cargado positivamente, rodeado por una nube de electrones, lo que se denominó el modelo de Rutherford. La inmensa mayoría de las partículas alfa atravesaban el átomo sin desviarse, lo que demostraba lo pequeño que era el núcleo en comparación con el átomo en su conjunto.

Los efectos de la radiactividad en un átomo

Un átomo radiactivo cambiará tras sufrir una desintegración radiactiva, lo que puede ocurrir de varias formas distintas. La desintegración radiactiva puede producirse cuando un núcleo inestable emite radiación. Las formas más comunes de desintegración son las partículas alfa, las partículas beta, los rayos gamma o las emisiones de neutrones. Cada tipo de radiación tiene propiedades y características diferentes.

Los átomos y la radiactividad: Radiación alfa

Cuando el núcleo de un átomo tiene muy pocos neutrones en comparación con los protones, emitirá una partícula alfa "α", que está formada por dos protones y dos neutrones. Esto ayuda a restablecer el equilibrio dentro del núcleo y a reducir la proporción entre protones y neutrones.

Un núcleo de Americio-241 se desintegra en Neptunio-237 y emite una partícula alfa, commons.wikimedia

Una partícula alfa${}_2{}^4\alpha$es exactamente igual que un núcleo de helio${}_2{}^{4}He$. Por lo tanto, la desintegración alfa hará que el núcleo de un átomo pierda un número másico de 4 y un número protónico de 2. Esto es útil cuando se utilizan ecuaciones nucleares, ya que podemos determinar en qué elemento se desintegrará el núcleo.

Los átomos y la radiactividad: Partícula beta

En oposición a la desintegración alfa, si un núcleo inestable tiene demasiados neutrones en comparación con protones, emitirá una partícula beta "β". Un neutrón dentro del núcleo se convertirá espontáneamente en un protón, expulsando un electrón a gran velocidad en el proceso. La partícula beta es literalmente sólo un electrón.

Un núcleo de Cesio-137 se desintegra en Bario-137 y emite una partícula beta, commons.wikimedia

La desintegración beta hará que un átomo cambie a un elemento diferente. Recuerda que un neutrón se ha convertido en un protón. Esto aumentará en uno el número de protones del núcleo, pero mantendrá inalterado el número másico, ya que un electrón prácticamente no tiene masa. Una partícula beta puede escribirse como${}_{-1}{}^0\beta$o${}_{-1}{}^{0}e$en el contexto de las ecuaciones nucleares. La ecuación nuclear de la desintegración beta del Cesio-137 en Bario-137 mostrada en el ejemplo anterior es${}_{55}{}^{137}Cs-{}_{-1}{}^{0}e={}_{56}{}^{137}Ba$.

Los átomos y la radiactividad: Los rayos gamma

Después de una desintegración alfa o beta, a veces un núcleo atómico sigue teniendo un exceso de energía interna. El núcleo emitirá esta energía en forma de un rayo gamma "γ", que es una onda electromagnética de alta energía.

Núcleo radiactivo en descomposición emitiendo un rayo gamma, commons.wikimedia

A diferencia de la radiación alfa o beta, los rayos gamma son ondas y no partículas. Por tanto, durante la emisión de rayos gamma, el número de protones y el número másico permanecen completamente inalterados. Se escribe como${}_0{}^0\gamma$en una ecuación nuclear. El núcleo pierde algo de energía, pero no se produce ningún cambio en la estructura atómica.

Los átomos y la radiactividad: Emisión de neutrones

Algunos isótopos radiactivos son capaces de desintegrarse emitiendo neutrones 'η' a gran velocidad. Es más frecuente durante la fisión nuclear (que es una forma de desintegración radiactiva) de isótopos radiactivos de gran masa con una elevada relación neutrón/protón. Según el isótopo en descomposición, pueden emitirse uno o varios neutrones a la vez.

Emisión de neutrones durante la fisión de un núcleo atómico, flickr

Cuando un núcleo emite un neutrón, su número másico disminuye en 1, pero su número protónico sigue siendo el mismo. Generalmente se escribe como${}_0{}^1\eta$.Elelemento designado de un átomo sólo depende del número de protones y no del número másico. Esto significa que la emisión de neutrones por sí sola nunca cambiará el elemento de un átomo, aunque sí lo cambiará a un isótopo diferente.