Radiactividad natural y artificial

El descubrimiento de la radiactividad, o emisión espontánea de energía y radiación ionizante por parte de ciertos materiales, se debió al físico francés Henri Becquerel en 1896. No obstante, fueron sus compatriotas Marie y Pierre Curie quienes, con el hallazgo de la radiactividad natural del radio y el polonio, iniciaron una nueva era que marcó el desarrollo tecnológico, económico y militar del siglo XX.

Radiactividad natural

Los núcleos correspondientes a átomos con número atómico superior a 83 son inestables y pueden fragmentarse de manera espontánea en otros núcleos más ligeros. Este tipo de proceso, conocido como reacción nuclear, se acompaña de la emisión de energía y de partículas subatómicas.

La emisión de energía se debe a que la suma de las masas de los núcleos resultantes (llamados hijos) de la reacción es menor que la de los núcleos originales (padres), de manera que la diferencia de masa detectada se convierte en energía.

La energía obtenida en una reacción nuclear se manifiesta en forma combinada de energía cinética y radiación electromagnética (fotones). Este fenómeno se denomina genéricamente radiactividad.

En los procesos de desintegración natural de los núcleos atómicos, el ritmo de desaparición de los núcleos padre para transformarse en los hijos sigue una ley exponencial:

donde N es el numero de nucleos en el instante t, N0 el numero de nucleos de partida y l una constante con dimensiones inversas al tiempo. La inversa del valor l se llama vida media y su simbolo es tm ; esta magnitud se entiende como el tiempo necesario para que el numero de nucleos iniciales N se reduzca e veces.

Por otra parte, el periodo de semidesintegracion de la sustancia, denotado por t1/2, se define como el tiempo necesario para que el numero inicial de núcleos de la especie radiactiva se reduzca a la mitad.

La ley que rige el ritmo de desintegración con el tiempo de los núcleos radiactivos es de carácter exponencial, con una primera fase de proceso muy rápido y una progresiva estabilización de las emisiones radiactivas.

Desintegración a

El primer caso descrito de radiactividad natural fue la desintegración a. Este proceso consiste en la descomposición de un núcleo pesado en otro mas ligero y una particula alfa (nucleo de un atomo de helio de número atómico 4, o helio-4):

Un ejemplo clásico de esta reacción es la descomposición de un núcleo de torio en otro de radio y una partícula alfa, con desprendimiento de energía Q igual a 4,08 MeV. La mayor parte de esta energía se invierte en energía cinética para las partículas alfa.

Desintegración b

Una segunda forma de proceso nuclear es la llamada desintegración b, caracterizada por la emisión de electrones (tambien llamados particulas beta). Esta reacción se produce cuando se desintegra un neutrón, dentro de un núcleo o en estado libre, para crear un protón, un electrón y un antineutrino electrónico, segun el siguiente esquema:

La energía emitida se reparte entre el electrón e el antineutrino electrónico e . En la escala nuclear general, la anterior reacción se expresa del modo siguiente:

Por tanto, en una desintegración beta se conserva el número masico, pero el núcleo resultante posee un protón mas que el original. Por ejemplo, el carbono 14 produce nitrogeno 14, en una reacción muy útil en los procedimientos de datación de organismos vivos.

Una forma particular de este proceso es la denominada desintegración b+, en la que un protón del núcleo original se fragmenta para producir un neutrón, un positron (antielectrón) y un neutrino electrónico:

En este caso, el número másico se conserva, pero el núcleo resultante tiene un protón menos que el original.

Gráfica del número de electrones emitidos frente a la energía cinética, en un proceso de desintegración beta.

Desintegración g

Otra forma comun de radiactividad natural consiste en la emisión de fotones por parte de los núcleos atómicos, cuando un núcleo excitado pasa a un estado de menor energía. Este proceso se conoce como desintegración g, y produce fotones de un nivel de energía muy elevado (del orden de varios megaelectron-voltios).

Las frecuencias implicadas en procesos de desintegración gamma alcanzan valores del orden de 1020 Hz.

Radiactividad artificial

En 1934 se descubrió que la radiactividad no sólo podía observarse en ciertos átomos de núcleos inestables, sino que también se podía inducir por medios artificiales mediante transmutaciones de unos átomos en otros. El proceso más común para producir estas nuevas especies radiactivas, que empezaron a rellenar los huecos de números atómicos altos hasta entonces existentes en la tabla periódica de los elementos químicos, fue la fisión nuclear inducida mediante neutrones. También se producen artificialmente reacciones nucleares por bombardeo de ciertos átomos con protones, deuterones (núcleos de deuterio, o hidrógeno 2), etc. Estos procesos tienen lugar en aceleradores de partículas o reactores nucleares.

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