Desintegración radiactiva: definición, procesos y descubrimiento histórico

La mayoría de los átomos de carbono tienen seis protones y seis neutrones en su núcleo. Este carbono se llama carbono-12s (seis protones + seis neutrones = 12). Su peso atómico es 12. Si un átomo de carbono tiene dos neutrones más, es el carbono-14. El carbono-14 actúa químicamente como el resto de los carbonos, ya que los seis protones y los seis electrones son los que rigen sus propiedades químicas. De hecho, el carbono-14 existe en todos los seres vivos; todas las plantas y animales contienen carbono-14. Sin embargo, el carbono-14 es radiactivo. Se descompone por desintegración beta para convertirse en nitrógeno-14. El carbono-14, en las pequeñas cantidades que se encuentran a nuestro alrededor en la naturaleza, es inofensivo. En arqueología, este tipo de carbono se utiliza para determinar la edad de la madera y de otros objetos antiguamente vivos. El método se llama datación por radiocarbono.

Ernest Rutherford descubrió que existen diferentes formas en las que estas partículas penetran en la materia. Encontró dos tipos diferentes, que llamó desintegración alfa y desintegración beta. Paul Villard descubrió un tercer tipo en 1900. Rutherford lo llamó desintegración gamma, en 1903.

El cambio de carbono-14 radiactivo a nitrógeno-14 estable es una desintegración radiactiva. Se produce cuando el átomo emite una partícula alfa. Una partícula alfa es un pulso de energía cuando un electrón o positrón abandona el núcleo.

Posteriormente se descubrieron otros tipos de desintegración. Los tipos de desintegración son diferentes entre sí porque los distintos tipos de desintegración producen diferentes tipos de partículas. El núcleo radiactivo inicial se llama núcleo padre y el núcleo en el que se transforma se llama núcleo hijo. Las partículas de alta energía producidas por los materiales radiactivos se denominan radiación.

Estos distintos tipos de desintegración pueden producirse secuencialmente en una "cadena de desintegración". Un tipo de núcleo decae en otro tipo, que vuelve a decaer en otro y así sucesivamente hasta que se convierte en un isótopo estable y la cadena llega a su fin.

La velocidad a la que se produce este cambio es diferente para cada elemento. La desintegración radiactiva se rige por el azar: El tiempo que tarda, por término medio, la mitad de los átomos de una sustancia en cambiar se denomina vida media. La velocidad viene dada por una función exponencial. Por ejemplo, el yodo (¹³¹I) tiene una vida media de unos 8 días. La del plutonio oscila entre 4 horas ( ²⁴³Pu) y 80 millones de años ( ²⁴⁴Pu)

La desintegración radiactiva hace que un átomo pase de tener una energía más alta dentro de su núcleo a otra con una energía más baja. El cambio de energía del núcleo se da a las partículas que se crean. La energía liberada por la desintegración radiactiva puede ser transportada por una radiación electromagnética de rayos gamma (un tipo de luz), una partícula beta o una partícula alfa. En todos estos casos, el cambio de energía del núcleo es arrastrado. Y en todos esos casos, el número total de cargas positivas y negativas de los protones y electrones del átomo suma cero antes y después del cambio.

Durante la desintegración alfa, el núcleo atómico libera una partícula alfa. La desintegración alfa hace que el núcleo pierda dos protones y dos neutrones. La desintegración alfa hace que el átomo se transforme en otro elemento, ya que pierde dos protones (y dos electrones). Por ejemplo, si el americio sufriera una desintegración alfa, se convertiría en neptunio, porque el neptunio se define por tener dos protones menos que el americio. La desintegración alfa suele ocurrir en los elementos más pesados, como el uranio, el torio, el plutonio y el radio.

Las partículas alfa no pueden atravesar ni siquiera unos centímetros de aire. La radiación alfa no puede dañar a los seres humanos cuando la fuente de radiación alfa está fuera del cuerpo humano, porque la piel humana no deja pasar las partículas alfa. La radiación alfa puede ser muy dañina si la fuente está dentro del cuerpo, como cuando las personas respiran polvo o gas que contiene materiales que se descomponen emitiendo partículas alfa (radiación).

Hay dos tipos de desintegración beta, beta-plus y beta-minus.

En la desintegración beta-minus, el núcleo emite un electrón con carga negativa y un neutrón se transforma en protón:

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}. .

donde

n 0 {\displaystyle n^{0}} es el neutrón

  p + {\displaystyle \ p^{+}}es el protón

e - {\displaystyle e^{-}}es el electrón

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }_{e}}es el antineutrino

La desintegración beta-minus se produce en los reactores nucleares.

En la desintegración beta-plus, el núcleo libera un positrón, que es como un electrón pero con carga positiva, y un protón se transforma en un neutrón:

  p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} .

donde

  p + {\displaystyle \ p^{+}} es el protón

n 0 {\displaystyle n^{0}}es el neutrón

e + {\displaystyle e^{+}}es el positrón

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}es el neutrino

La desintegración beta-plus se produce en el interior del sol y en algunos tipos de aceleradores de partículas.

La desintegración gamma se produce cuando un núcleo produce un paquete de energía de alta energía llamado rayo gamma. Los rayos gamma no tienen carga eléctrica, pero sí tienen momento angular. Los rayos gamma suelen ser emitidos por los núcleos justo después de otros tipos de desintegración. Los rayos gamma pueden utilizarse para ver a través de la materia, para matar las bacterias de los alimentos, para detectar algunos tipos de enfermedades y para tratar algunos tipos de cáncer. Los rayos gamma tienen la mayor energía de todas las ondas electromagnéticas, y las explosiones de rayos gamma procedentes del espacio son las liberaciones de energía más energéticas que se conocen.