Desintegración radiactiva: definición, procesos y descubrimiento histórico
Descubre la desintegración radiactiva: definición, procesos y el descubrimiento histórico de Becquerel y los Curie explicado de forma clara y didáctica.
La desintegración radiactiva se produce en algunos elementos químicos. La mayoría de los elementos químicos son estables. Los elementos químicos están formados por átomos. En los elementos estables, el átomo permanece igual. Incluso en una reacción química, los átomos no cambian nunca.
En el siglo XIX, Henri Becquerel descubrió que algunos elementos químicos tienen átomos que cambian. En 1898, Marie y Pierre Curie llamaron a este fenómeno desintegración radiactiva. Becquerel y los Curie recibieron el Premio Nobel de Física por este descubrimiento, en 1903.
¿Qué es la desintegración radiactiva?
La desintegración radiactiva es un proceso nuclear por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía emitiendo partículas o radiación electromagnética, transformándose en otro núcleo (a veces de un elemento distinto). Este proceso es espontáneo y está gobernado por probabilidades: no se puede predecir el instante exacto en que un núcleo individual decaerá, pero sí la tasa media de decaimiento para un conjunto grande de núcleos.
Principales procesos de desintegración
- Emisión alfa (α): el núcleo expulsa una partícula alfa (dos protones y dos neutrones, equivalente a un núcleo de helio). Esto reduce el número atómico en 2 y la masa en 4. Ej.: 238U → 234Th + α.
- Emisión beta (β): hay dos tipos comunes:
- Beta menos (β−): un neutrón se transforma en un protón, emitiéndose un electrón y un antineutrino; aumenta el número atómico en 1 (p. ej. 14C → 14N + β−).
- Beta más (β+ o positrón): un protón se convierte en un neutrón y se emite un positrón y un neutrino; disminuye el número atómico en 1.
- Captura electrónica: el núcleo captura un electrón de la corteza, transformando un protón en neutrón y emitiendo un neutrino.
- Emisión gamma (γ): después de una desintegración nuclear a veces queda un núcleo excitado; libera energía en forma de fotones de alta energía (rayos gamma) sin cambiar número atómico ni masa.
Ley de decaimiento y vida media
El número de núcleos radiactivos disminuye siguiendo una ley exponencial. Para un conjunto grande de núcleos, la actividad A (número de desintegraciones por unidad de tiempo) es proporcional al número N de núcleos: A = λN, donde λ es la constante de decaimiento. La vida media o periodo de semidesintegración (T½) es el tiempo en el que la mitad de los núcleos iniciales han decaído; está relacionado por T½ = ln(2)/λ.
Ejemplos de vidas medias:
- Carbono-14: ~5730 años (utilizado en datación arqueológica).
- Uranio-238: ~4.5 × 10^9 años (importante en geología y edad de la Tierra).
- Radio-226: ~1600 años.
Cadenas de desintegración
Algunos isótopos pesados no pasan directamente a un núcleo estable, sino que atraviesan una serie de desintegraciones sucesivas conocidas como cadenas de desintegración (p. ej., la cadena del uranio). Cada paso puede implicar emisiones α, β o γ hasta llegar a un isótopo estable.
Unidades y medición
- Becquerel (Bq): unidad del Sistema Internacional que equivale a una desintegración por segundo.
- Curie (Ci): unidad histórica; 1 Ci = 3.7 × 10^10 Bq.
- Gray (Gy) y sievert (Sv): miden respectivamente la dosis absorbida de radiación y el efecto biológico de esa dosis (importante para seguridad radiológica).
Origen histórico y figuras clave
En 1896, Henri Becquerel observó que sales de uranio ennegrecían placas fotográficas envueltas, incluso sin exposición a la luz, descubriendo una radiación espontánea. Marie y Pierre Curie investigaron este fenómeno, aislando nuevos elementos (polonio y radio) y acuñando el término relacionado con la propiedad radiactiva. Por estas contribuciones Becquerel y los Curie recibieron el Premio Nobel de Física en 1903. Posteriores investigadores, como Ernest Rutherford, caracterizaron las distintas emisiones y desarrollaron modelos del núcleo atómico.
Aplicaciones
- Medicina: diagnóstico por imágenes (trazadores radiactivos), terapias con radiación para tratar cáncer (radioterapia).
- Datación: carbono-14 y otros isótopos se usan para estimar edades de materiales orgánicos y rocas.
- Generación de energía: en reactores nucleares la fisión controlada libera calor para producir electricidad.
- Industria y agricultura: radiografías industriales, esterilización de equipos médicos y conservación de alimentos mediante irradiación.
Riesgos y protección
La radiación ionizante puede dañar tejidos y material genético. La protección se basa en tres principios: tiempo (minimizar exposición), distancia (a mayor distancia, menor dosis) y blindaje (materiales adecuados: papel o ropa para partículas α; plástico/metal para β; plomo o hormigón para γ). La gestión segura de fuentes radiactivas y residuos es esencial para prevenir efectos sobre la salud y el medio ambiente. El gas radón, producto natural de algunas cadenas radiactivas, es una fuente importante de exposición en interiores y requiere ventilación cuando está presente en concentraciones altas.
Resumen
La desintegración radiactiva es un proceso natural y explotable tecnológicamente que implica la transformación de núcleos inestables mediante emisión de partículas o radiación. Su descubrimiento a finales del siglo XIX abrió un nuevo campo de la física y la química, con importantes aplicaciones pero también con retos de seguridad y gestión.
El símbolo del trébol se utiliza para indicar el material radiactivo.
Ejemplo
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.
Diferentes tipos de descomposición
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.
Velocidad de decaimiento
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)
Transformaciones nucleares y energía
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.
Decaimiento alfa
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).
Descomposición beta
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.
Decaimiento gamma
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.
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