Radioactividad
Es la propiedad que presentan determinadas sustancias, llamadas sustancias radiactivas, de emitir radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas y excitar la fluorescencia (emisión de luz como consecuencia de la absorción de radiación) de determinadas sustancias.
Si estas sustancias se encuentran en la naturaleza y de forma espontánea emiten radiaciones, al fenómeno se denomina radiactividad natural; en cambio, si las sustancias que emiten radiación no existen en la naturaleza y son obtenidas mediante manipulación nuclear (bombardear un núcleo de una sustancia con ciertas partículas dando lugar a otros núcleos diferentes) se le denomina radiactividad artificial.
Constitución del Núcleo Atómico
El núcleo atómico está formado por protones y neutrones. A estas partículas se les denominan nucleones. Para caracterizar un núcleo definimos dos conceptos:
- El número atómico (Z), como la carga nuclear del núcleo, esto es, el número de protones existentes en el núcleo (si el átomo NO está ionizado, este número coincide con el de electrones en la corteza del átomo).
- El número másico (A), como el número de nucleones existentes en el núcleo, esto es, la suma de protones y neutrones existentes en el núcleo (A = Z + N, siendo N el número de neutrones).
La forma habitual de representar un núcleo es: AZX siendo X el símbolo del elemento químico.
Isótopos y Núclidos
Los isótopos son los átomos diferentes de un mismo elemento, esto es, átomos que tienen el mismo número de protones (mismo elemento) pero distinto número de neutrones; tienen igual Z pero distinto A. Presentan idénticas propiedades químicas pero distintas propiedades físicas.
Se denomina núclido a cada especie nuclear definida por un número atómico y un número másico.
Leyes de Soddy y Fajans o Ley de los Desplazamientos Radiactivos
Primera Ley: Desintegración Alfa
“Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula α (He2+, núcleos de helio), se transforma en otro núcleo diferente cuyo número másico es cuatro unidades menor y cuyo número atómico es dos unidades menor que el núcleo de partida. El núcleo obtenido está desplazado dos lugares a la izquierda en la tabla periódica del lugar que le corresponde al núcleo original.”
Segunda Ley
Desintegración Beta Negativo
“Cuando un núcleo radiactivo emite un electrón o partícula β–, su número másico no varía pero su número atómico aumenta en una unidad; esto es, el nuevo núcleo obtenido está desplazado en la tabla periódica un lugar a la derecha del que le corresponde al núcleo original”.
Desintegración Beta Positivo
“Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula β+, su número másico no varía pero su número atómico disminuye en una unidad; esto es, el nuevo núcleo obtenido está desplazado en la tabla periódica un lugar a la izquierda del que le corresponde al núcleo original”.
Emisión Gamma (γ)
Se produce cuando un núcleo pasa de un estado energético excitado, señalado mediante un asterisco, a otro estado de menor energía sin que exista ninguna transformación en el núcleo.
El Periodo de Semidesintegración y la Vida Media
El periodo de semidesintegración (T1/2) es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos iniciales.
La vida media de un núcleo radiactivo (τ) es el tiempo necesario para que se produzca su desintegración. Su valor coincide con la inversa de la constante de desintegración: τ = 1/λ.
Interacción Fuerte y Estabilidad Nuclear
La estabilidad del núcleo se debe a que existe una fuerza atractiva entre los nucleones que recibe el nombre de fuerza nuclear fuerte o interacción nuclear fuerte. Esta interacción tiene las siguientes características:
- Es una fuerza atractiva que sólo actúa a distancias del orden del radio del núcleo (10-15 m); es por tanto una fuerza de corto alcance. En su radio de acción es más intensa que la fuerza de repulsión electrostática entre los protones.
- No guarda relación con la carga eléctrica, esto es, actúa por igual entre protones, entre neutrones y entre protones y neutrones.
- Esta interacción se agota con los nucleones más próximos en los núcleos muy pesados la interacción electrostática puede superar a la interacción nuclear fuerte por lo que no hay núcleos muy pesados (Z>83) que sean estables.
Interacción Débil y Estabilidad Nuclear
Otra causa de inestabilidad nuclear que afecta tanto a núcleos pesados como a núcleos ligeros es la tendencia de neutrones y protones a intercambiarse entre sí emitiendo electrones (partículas β–) o positrones (β+). Esta tendencia depende de la llamada interacción nuclear débil y es la responsable de las reacciones:
Energía de Enlace Nuclear y Energía de Enlace por Nucleón
La energía de enlace nuclear es la energía que hay que suministrar a un núcleo para disgregarlo en sus protones y neutrones. Esta energía crece con el tamaño del núcleo. Se calcula mediante la expresión: Ee = Δm · c2, siendo Δm el defecto de masa que se calcula mediante: Δm = [Z · mprotón +(A-Z)· mneutrón]- Mnúcleo
Para calcular la intensidad con la que es retenido cada nucleón dentro del núcleo, esto es, para ver la estabilidad del núcleo se utiliza la energía de enlace por nucleón como el cociente entre la energía de enlace y el número de nucleones: En = Ee/A. Así, cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón más estable será el núcleo.
La representación de la energía de enlace por nucleón en función del número de nucleones (A) nos proporciona información sobre la estabilidad de los núcleos y las posibles reacciones nucleares existentes.
Reacciones Nucleares: Fisión y Fusión Nucleares
Se denomina reacción nuclear al proceso por el cual un núcleo se transforma en otros diferentes mediante el bombardeo con otros núcleos, neutrones, protones o partículas α. En estas reacciones se cumple la ley de conservación de la carga (la suma de los subíndices en los reactivos es igual a la suma de los subíndices de los productos; Z se mantiene constante) y la ley de la conservación de los nucleones (la suma de los superíndices de los reactivos es igual a la suma de los superíndices de los productos; A no varía).
Dentro de las reacciones nucleares hay dos de especial importancia:
Reacciones de Fisión Nuclear
En las que un núcleo pesado mediante el bombardeo con un neutrón se divide en otros más ligeros emitiendo 3 neutrones y gran cantidad de energía. Los neutrones emitidos pueden, a su vez, ser absorbidos por otros núcleos originando una reacción en cadena que conlleva una gigantesca producción de energía como es el caso de la Bomba atómica. Si la reacción se controla absorbiendo 2 de los 3 neutrones emitidos podemos utilizar este proceso para la creación de energía. Esto es lo que se hace en las centrales nucleares.
La reacción de fisión más utilizada es la del Uranio:
Los productos obtenidos Baria y Kriptón son radiactivos.
Reacciones de Fusión Nuclear
En las que dos núcleos ligeros (de número másico pequeño) se unen para formar un núcleo más pesado con mayor estabilidad (mayor energía de enlace por nucleón). Para conseguir este proceso los núcleos reactivos han de estar en estado de plasma y para eso es necesario suministrar una temperatura del orden de 10 millones de grados que de forma natural sólo se consigue en el sol y las estrellas debido al altísimo valor de la presión y temperatura en su interior.