La inestabilidad nuclear es un concepto clave que explica cómo funcionan las centrales nucleares y por qué se produce radiación nuclear. En esta explicación abordaremos los procesos subatómicos que dan lugar a este fenómeno, ciertas formas de visualizarlo y los patrones generales de la estabilidad de los átomos/núcleos.
¿Qué es la inestabilidad nuclear?
La inestabilidad nuclear es una característica de ciertos átomos que, debido a su contenido de partículas, no son estables.
Esto significa que, a través de diferentes procesos físicos, cambiarán su estado hasta alcanzar la estabilidad. Este proceso, que denominamos colectivamente como radiación, consiste en la emisión de radiación, en forma de protones, neutrones, partículas beta o fotones de alta energía (rayos gamma).
Isótopos
Así, encontramos que lo que determina el elemento al cual pertenece un determinado átomo es su número de protones (Z).
- En el caso de los elementos ligeros, la inestabilidad suele deberse a un exceso de neutrones.
- Esto significa que únicamente algunos isótopos ligeros sufren procesos de desintegración.
- En el caso de los elementos pesados, la inestabilidad se debe a una gran cantidad de protones y/o neutrones en el núcleo.
- Por esto, todos los isótopos pesados sufren procesos de desintegración.
Aunque un elemento se define por el número de protones de sus átomos y esto especifica muchas de sus propiedades químicas, el número de neutrones también es responsable de ciertas características de los átomos y las sustancias.
Por ejemplo, las propiedades que vienen determinadas por la masa de los átomos.
En el caso de elementos ligeros como el hidrógeno, encontramos que las propiedades físicas de sus isótopos (deuterio y tritio), son diferentes entre sí; mientras que las químicas son similares. Esto sucede, a pesar de que son básicamente el mismo elemento.
El proceso de estabilización atómica de los núcleos puede implicar una serie de emisiones de radiación combinadas entre sí. Estas emisiones pueden representarse gráficamente para facilitar su comprensión. En general, se suelen utilizar la tabla de nucleidos y las series de desintegración.
Tabla de nucleidos
La tabla de nucleidos es una gráfica que representa los elementos según su número de protones (Z) y su número de neutrones (N).
Normalmente, el número de protones se representa en el eje horizontal y el número de neutrones en el eje vertical. También es habitual trazar la recta correspondiente a N = Z, para tener una referencia rápida de los elementos que están por debajo, por encima o sobre la línea. Esto da información útil sobre sus propiedades de desintegración.
Además, se puede añadir otro método de representación (como un código de colores) que indique qué tipo de desintegración sufren los átomos inestables para alcanzar la estabilidad. Esto suele hacerse para extraer información relevante sobre la estructura de los átomos y sus propiedades de desintegración.
Las propiedades de desintegración solamente dependen del número de protones y neutrones, por lo que una representación de las desintegraciones es factible. Esto se debe a que el número de protones y neutrones es suficiente para especificar el elemento y el isótopo.
A continuación enumeramos algunas de las características generales de este gráfico:
Fig. 1: Tabla de nucleidos por tipo de desintegración nuclear.
- La curva se hace más pronunciada (por encima de la línea N = Z) a medida que aumenta el número de protones; lo que significa que para los elementos más pesados la estructura típica de sus átomos es con más neutrones que protones. Esto se explica por las complejas interacciones que se producen en el interior de los núcleos.
- Los procesos de desintegración alfa tienen lugar en los átomos que tienen una alta proporción de neutrones y protones. Todos los isótopos inestables sujetos a la desintegración alfa están por encima de la línea N = Z.
- La relación numérica entre la cantidad de neutrones y protones es mayor en los procesos de desintegración beta-negativa que en los procesos de desintegración beta-positiva. Esta última también puede ocurrir aunque un átomo tenga más protones que neutrones.
- Para los elementos ligeros (menos de 20 protones), la estabilidad se consigue teniendo aproximadamente el mismo número de protones y neutrones.
- En el caso de los elementos más pesados, la estabilidad se consigue teniendo un mayor número de neutrones que de protones.
- Para ciertos elementos, existen varios isótopos estables (líneas negras verticales en el gráfico). El caso del estaño (N = 50) es notable, porque tiene diez isótopos estables.
- Para los elementos con más de 82 protones no hay formas estables y los procesos de desintegración son inevitables.
Hay otros tipos de procesos de desintegración que pueden sufrir los átomos, como la fisión o la desintegración neutrónica (aunque no los consideraremos aquí).
Existen predicciones teóricas sobre la estabilidad de los elementos e isótopos recién creados que podrían arrojar luz sobre la validez de los modelos cuánticos y la física nuclear.
Por ejemplo, se ha predicho una zona de estabilidad llamada isla de estabilidad para ciertos isótopos de elementos muy pesados que, teóricamente, no decaerían.
Sin embargo, se puede observar que este gráfico no contiene la información de los núcleos que resultan tras los procesos de desintegración. Esto se debe a que se trata de una cuestión muy compleja, que no puede describirse, simplemente, de forma gráfica.
Mientras que la mayoría de los átomos inestables decaen en un determinado átomo que se estabilizará sin más desintegración alfa/beta, cuatro elementos decaen en cuatro secuencias características que están muy bien estudiadas. Estas secuencias son lo que llamamos series radiactivas.
Los cuatro elementos que decaen siguiendo estas secuencias son: el torio (Z = 90), el uranio (Z = 92), el actinio (Z = 89) y el neptunio (Z = 93).
Metaestabilidad
Un estado metaestable es la forma que alcanza un átomo tras un proceso de desintegración. Metaestable significa que se trata de un estado temporalmente estable: no tan estable como el estado básico y no es tan inestable como un estado excitado.
Esta terminología únicamente se aplica al último estado de la serie radiactiva, si la hubiera.
Esta inestabilidad está causada por un exceso de energía resultante del o los procesos de desintegración. Dado que el contenido de partículas corresponde a un estado estable, los átomos suelen liberar el exceso de energía por medio de la radiación gamma.
Fig. 2: El posible proceso de descomposición del cobalto-60 en níquel-60.
El diagrama de la Figura 2 muestra dos posibles procesos de desintegración de un isótopo de cobalto. Tras las dos posibles desintegraciones beta, se produce una emisión de radiación gamma, que lleva al átomo a su estado estable.
- Las líneas azules indican las posibles emisiones beta-negativo asociadas a ciertas energías (todas ellas medidas en mega electronvoltios).
- Las líneas verdes indican las posibles emisiones gamma. Dependiendo de la energía de la partícula beta emitida, la emisión gamma tendrá más o menos energía.
¿Cuáles son algunas aplicaciones de la inestabilidad nuclear?
Tras el descubrimiento de la radiación nuclear, por parte de Becquerel a finales del siglo XIX, y el estudio exhaustivo de Marie Skłodowska y otros en el siglo XX, las aplicaciones de la radiación nuclear se han multiplicado. Actualmente, abarcan desde el ámbito médico hasta la producción de energía e, incluso, en el ámbito militar.
Fusión y fisión nuclear
Las centrales nucleares son una de las formas más conocidas de producción de energía. Aunque no son una fuente de energía perfectamente limpia o renovable, los residuos que producen son mucho menos abundantes que los producidos por las fuentes no renovables. Sin embargo, sus residuos son extremadamente peligrosos, si no se tratan con precaución.
Los átomos inestables que necesitan perder neutrones para alcanzar un estado estable pueden ser forzados a hacerlo en una reacción en cadena que puede liberar una cantidad enorme de energía. Esta reacción en cadena se basa en la ruptura de núcleos inestables. El proceso se denomina fisión nuclear.
- Cuando se controla adecuadamente, la reacción puede utilizarse para producir energía térmica que, a su vez, puede utilizarse para producir energía eléctrica.
- Si la reacción no se controla y el material usado tiene la densidad necesaria puede dar lugar a una emisión de energía masiva en segundos, como sucede en una bomba nuclear.
Sin embargo, hay algunos átomos ligeros que necesitan ganar partículas para alcanzar un estado estable (los que están por debajo de la línea N = Z en la curva NZ).
La fusión nuclear es cuando la unión de núcleos de este tipo en un nuevo núcleo estable libera energía.
Este es el proceso que ocurre en el interior de las estrellas, por ejemplo.
Nadie ha podido utilizarlo como fuente de energía en la Tierra, pero sería ideal hacerlo porque los residuos serían menos peligrosos y la energía sería más abundante que la resultante de la fisión. Además, los núcleos susceptibles de ser utilizados en la fusión se encuentran de manera mucho más abundante en la naturaleza que los susceptibles de ser utilizados en la fisión.
Recientemente, en la National Ignition Facility del laboratorio Lawrence Livermore National Laboratory (California) se ha conseguido una fusión nuclear energéticamente eficiente. ¡Esto significa que cada vez estamos más cerca!
Fig. 3- Planta nuclear en Dukovany, República Checa.
Isótopos utilizados como trazadores
Los núcleos metaestables pueden decaer muy rápidamente, en cuestión de días u horas. Esta emisión de radiación característica de corta duración permite utilizar estos átomos como rastreadores; usando detectores de radiación gamma y reconstruyendo la trayectoria medida, podemos rastrear con precisión ciertos movimientos.
Un ejemplo del uso de núcleos metaestables como trazadores es el tecnecio-99. Se utiliza en medicina para escanear el cuerpo al inyectar o ingerirlo.
- Los trazadores emiten una radiación que puede ser detectada por cámaras sensibles a los fotones de alta energía (cámaras gamma).
- Los fotones detectados se analizan y se utilizan para construir una imagen del interior del sujeto en estudio.
Así, el tecnecio-99 puede utilizarse para explorar los huesos, el cerebro, la tiroides, los pulmones, el hígado, la sangre y revelar tumores.
En general, se utilizan diferentes elementos y sustancias para escanear distintas zonas de un sujeto en un proceso que consiste en la unión de una fuente específica de radiación a un determinado tipo de molécula del cuerpo.
Inestabilidad nuclear - Puntos clave
- La inestabilidad nuclear es una propiedad de ciertos átomos/núcleos que aparece siempre que hay un exceso de partículas en su núcleo. Esta inestabilidad lleva al átomo a emitir partículas y radiación (alfa, beta y gamma) para alcanzar un estado estable.
- La tabla de nucleidos es una gráfica en la que se representan todos los isótopos conocidos de cada elemento, según su número de protones y neutrones. También, se pueden incluir los procesos de desintegración que sufren los átomos inestables.
- Se pueden extraer características generales de la tabla de nucleidos, en relación con los patrones de los procesos de desintegración y la estabilidad de los elementos.
- La inestabilidad nuclear tiene muchas aplicaciones. Por ejemplo, en la producción de energía o en los sistemas de rastreo. \(a\)
References
- Fig. 1: Tabla de isótopos (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Table_isotopes_es.svg) by Napy1kenobi (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:Napy1kenobi) in collaboration with Sjlegg (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Sjlegg) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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