Naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva

Definición de la naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva

La desintegración radiactiva es el proceso por el que los átomos emiten radiación para alcanzar otra configuración. Esta radiación puede ser en forma de partículas alfa, partículas beta, rayos gamma o partículas de neutrones. Durante la emisión de radiación, un átomo cambia según las reglas de las ecuaciones nucleares. Lo que quede después de la emisión tendrá un nivel diferente de radiactividad.

Los átomos emiten radiación si son intrínsecamente inestables: para cualquier isótopo específico en un determinado nivel de energía, cada segundo existe una cierta probabilidad$p$de que emita una partícula alfa. Lo mismo ocurre con las demás formas de radiación. Todas ellas son probabilidades diferentes, y algunas de esas probabilidades pueden ser cero, lo que significa que un átomo concreto nunca sufrirá un determinado tipo de desintegración radiactiva. Estas probabilidades están totalmente determinadas, pero el proceso de emisión real es aleatorio: sólo conocemos la probabilidad.

Vidas medias y naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva

Si tenemos muchos átomos idénticos dentro de una muestra (por ejemplo, en un trozo de material) que tienen todos una determinada probabilidad por segundo de desintegrarse, puedes imaginar que en algún momento sólo quede en la muestra la mitad del número original de átomos. Cuanto mayor sea la probabilidad de desintegración por segundo, menos tiempo pasará hasta que sólo quede la mitad.

Por tanto, una semivida corta indica que un átomo es muy radiactivo: su probabilidad de desintegrarse en el segundo siguiente es alta.

La naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva nos dice ahora que, tras una semivida, no está garantizado que queden exactamente la mitad de los átomos originales, sino que éste es sólo el resultado más probable y medio. Cualquier otro número de átomos restantes tiene una probabilidad menor de ocurrir. Sin embargo, las probabilidades de que queden exactamente la mitad de los átomos de un número inicialmente muy grande de átomos siguen siendo mínimas.

Ejemplos de semividas

Como cada átomo radiactivo tiene una semivida que podemos medir, podemos dar algunos ejemplos y demostrar que las semividas de los distintos isótopos pueden diferir en escalas de tiempo muy diferentes. La semivida de un átomo de carbono-14 es de unos 5.700 años, mientras que la semivida de un átomo de uranio-235 es de ¡unos 700 millones de años! Esto significa que el carbono-14 es más radiactivo que el uranio-235, ya que los isótopos de carbono-14 tienen una mayor probabilidad de desintegrarse que los de uranio-235 en el segundo siguiente. En el otro extremo del espectro, el copernicio-277 tiene una semivida de poco menos de un milisegundo, por lo que la vida media de un átomo de copernicio-277 es muy corta: este isótopo es altamente radiactivo.

Causas de la naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva

Puede ser decepcionante, pero tendremos que aceptar que cada átomo tiene simplemente una probabilidad intrínseca de desintegrarse cada segundo. Para los isótopos estables, y por tanto no radiactivos, esta probabilidad es cero. Para los isótopos radiactivos, esta probabilidad puede medirse y se conoce para muchos isótopos. Los factores que causan esta probabilidad exacta, y por tanto las causas reales de la naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva, están muy fuera del alcance de este artículo.

Puedes pensar en un átomo radiactivo como en un lápiz vertical inestable. Se encuentra en un estado de alta energía y quiere caer a un estado de menor energía. Bastaría una pequeña ráfaga para que el lápiz cayera. Aún así, no sabemos nada sobre las condiciones exactas del viento alrededor del lápiz, sólo sobre el tiempo general (que puede compararse con la probabilidad de desintegración radiactiva). A nuestros ojos, el lápiz tiene tendencia a caer, pero no sabemos cuándo se producirá el empujón decisivo. Sólo podemos decir que, en una tormenta, lo más probable es que el lápiz caiga antes que en tiempo de calma, igual que lo más probable es que los átomos con una semivida menor se desintegren antes que los átomos con una semivida mayor.

Efectos de la naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva

La naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva establece que algunos átomos de una muestra sobreviven mientras que otros átomos del mismo tipo se desintegran. No se trata de una distinción basada en ninguna diferencia de propiedades entre los átomos, sino puramente en probabilidades. Esto también significa que sólo una parte (aleatoria) de los átomos idénticos se habrá descompuesto en un momento dado.

La naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva también nos permite calcular las probabilidades de supervivencia de un átomo después de un tiempo determinado. Por ejemplo, después de su vida media, existe una$50\%$probabilidad de que un átomo de una muestra aún no se haya desintegrado. Después de 8 semividas, hay una$0.4\%$probabilidad de que un átomo siga intacto. O, lo que es lo mismo, después de 8 semividas, lo más probable es que$0.4\%$de los átomos originales permanezcan intactos. La naturaleza aleatoria de la desintegración nos dice ahora que no hay forma de saber exactamente qué átomos permanecen.

Por último, el famoso gráfico exponencial que ilustra el decaimiento exponencial suave de los átomos muestra que el recuento isotópico original se reduce aproximadamente a la mitad después de cada semivida y, a continuación, traza una línea suave a través de los puntos de datos. Este decaimiento exponencial es correcto a gran escala (para más información, consulta el artículo sobre las semividas), pero a menor escala, este gráfico será más "irregular": en algunos intervalos, puede que no haya decaimiento, y en otros intervalos, puede que haya muchos átomos que decaigan, por pura casualidad. El gráfico se parecerá más al que se muestra a continuación.

Ejemplos y experimentos sobre la naturaleza aleatoria de la desintegración radiactiva

Un buen experimento para medir la radiación que emiten los átomos puede hacerse utilizando un contador Geiger-Müller, que es un aparato que mide la radiación alfa, beta y gamma. Si mide un producto de la desintegración radiactiva (partícula u onda), lo registrará como un suceso.

Si acercaras cualquier sustancia radiactiva a un contador Geiger-Müller, registraría sucesos a intervalos aleatorios: no habría ningún patrón en los intervalos entre los sucesos de medición. Este registro de sucesos aleatorios sin patrón es una prueba experimental de que la desintegración radiactiva es aleatoria por naturaleza. La frecuencia media de los sucesos disminuirá a medida que pase el tiempo, porque cada vez sobreviven menos átomos para producir la radiación y provocar otro suceso.

Considera dos muestras radiactivas, ambas con una masa de 1 kilogramo. La primera muestra contiene isótopos radiactivos con un periodo de semidesintegración corto, y la otra está formada por isótopos radiactivos con un periodo de semidesintegración más largo. En la muestra con una semivida corta se producirán muchos sucesos en rápida sucesión, pero en la muestra con una semivida larga habrá pausas más largas entre los sucesos, ya que tardarán más en producirse. Sin embargo, los sucesos de ambas muestras estarán espaciados aleatoriamente y, por tanto, serán totalmente impredecibles.