Desde el descubrimiento de la radiactividad alcanzada hace poco más de un siglo por Bequerel y los esposos Pierre y Marie Curie, se conoce la desintegración del núcleo de ciertos elementos con emisión de radiación, que forman otro elemento. Sin embargo, el reto para los científicos universitarios era conocer y experimentar con un nuevo tipo de decaimiento radioactivo, que aporte nuevo conocimiento básico sobre el tema.
En la actualidad son múltiples las aplicaciones que tienen las ciencias nucleares: se irradian alimentos y medicinas, se esterilizan lo mismo materiales de laboratorio que obras de arte, y se realizan diversos estudios médicos utilizando materiales radiactivos. Sin embargo, persisten dudas fundamentales sobre cómo son los núcleos atómicos. Así, mediante el desarrollo de un método llamado "de blanco grueso", María Esther Ortíz Salazar y Efraín Chávez Lomelí han despejado una parte del camino dirigido a generar nuevo conocimiento básico en ese terreno de la física experimental.
Propiedades fundamentales
El decaimiento radiactivo de un núcleo atómico es un proceso por el cual se emite una partícula.
Hipótesis 1: Al producirse en los núcleos atómicos y dadas el corto alcance de las fuerzas nucleares, diferentes núcleos no se interfieren entre sí y los sucesos de decaimiento radiactivo pueden considerarse independientes entre sí.
Hipótesis 2: Otra hipótesis razonable es que la probabilidad de desintegración en un intervalo diferencial dt es proporcional a la longitud del intervalo.
Hipótesis 3: Y si a las dos hipótesis anteriores se le añade la de una probabilidad despreciable para la ocurrencia de más de una desintegración en el intervalo diferencial dt, tendremos que se cumplen las tres hipótesis de un proceso de Poisson y por lo tanto se puede suponer una distribución de probabilidad de Poisson para el decaimiento radiactivo.
Radioactividad
La radiactividad o radioactividad es un fenómeno químico-físico por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el neutrón, que no posee carga, pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.
La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X) o de sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones,neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo.
La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre otras).
La radiactividad puede ser:
- Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.
- Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.
La desintegración radioactiva
Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.
Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.
Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica.
Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.
El programa interactivo describe un modelo de sustancia radiactiva A que se desintegra en una sustancia estable B. Se disponen N núcleos radiactivos de la sustancia inestable A. Se introduce la constante de desintegración l. A medida que transcurre el tiempo se anota el número de núcleos que permanecen sin desintegrar. Posteriormente, se comprobará la ley exponencial decreciente a partir de los datos tomados.
Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.
Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica.
Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.
El programa interactivo describe un modelo de sustancia radiactiva A que se desintegra en una sustancia estable B. Se disponen N núcleos radiactivos de la sustancia inestable A. Se introduce la constante de desintegración l. A medida que transcurre el tiempo se anota el número de núcleos que permanecen sin desintegrar. Posteriormente, se comprobará la ley exponencial decreciente a partir de los datos tomados.
Energía en los decaimientos nucleares
En todos los
procesos de decaimiento radiactivo, estarán presentes balances de energía, de manera parecida a como la masa se conserva en una
mezcla química. A nivel atómico, la energía total que hay antes de una emisión
debe ser igual a la que hay después de la emisión.
Detengámonos en
la energía de una partícula. En el año 1905, el físico Albert Einstein (1879-1955) postuló su teoría especial de la relatividad. Entre los
muchos aportes de dicha teoría, estableció la energía que tiene una partícula
que se encuentra en reposo, mediante la ecuación:
E=MC²
Donde m es la masa de la partícula y c la velocidad de la luz. De lo anterior se puede deducir que un
solo gramo de materia ¡contiene 90 millones de megajoules de energía! Y ya que
sabemos que casi toda la masa de los átomos se encuentra en el núcleo, es allí
donde se concentra la mayor parte de la energía.
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