La radioactividad es la emisión de radiación por núcleos inestables. Esa radiación puede existir en forma de partículas subatómicas (principalmente partículas alfa y beta) o en forma de energía (principalmente rayos gamma).
La radiactividad fue descubierta accidentalmente en 1896 por el físico francés Henri Becquerel (1852-1908). En las décadas que siguieron al descubrimiento de Becquerel, la investigación sobre la radiactividad produjo avances revolucionarios en nuestra comprensión de la naturaleza de la materia y condujo a una serie de importantes aplicaciones prácticas. Estas aplicaciones incluyen una gran cantidad de nuevos dispositivos y técnicas que van desde las armas nucleares y las centrales nucleares hasta las técnicas médicas que pueden utilizarse para diagnosticar y tratar enfermedades graves.
Núcleos estables e inestables
El núcleo de todos los átomos (a excepción del hidrógeno) contiene uno o más protones y uno o más neutrones. El núcleo de la mayoría de los átomos de carbono, por ejemplo, contiene seis protones y seis neutrones. En la mayoría de los casos, los núcleos de los átomos son estables, es decir, no sufren cambios por sí mismos. Un núcleo de carbono tendrá exactamente el mismo aspecto dentro de cien años (o dentro de un millón de años) que hoy.
Pero algunos núcleos son inestables. Un núcleo inestable es aquel que sufre algún cambio interno de forma espontánea. En este cambio, el núcleo emite una partícula subatómica, o una ráfaga de energía, o ambas cosas. Por ejemplo, un isótopo del carbono, el carbono-14, tiene un núcleo formado por seis protones y ocho (en lugar de seis) neutrones. Se dice que un núcleo que desprende una partícula o energía sufre una desintegración radiactiva, o simplemente desintegración.
Palabras a saber
Partícula alfa: El núcleo de un átomo de helio, formado por dos protones y dos neutrones.
Partícula beta: Un electrón emitido por un núcleo atómico.
Rayo gamma: Una forma de radiación electromagnética de alta energía.
Isótopos: Dos o más formas de un elemento con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones en sus núcleos atómicos.
Núcleo (atómico): El núcleo de un átomo, generalmente formado por uno o más protones y neutrones.
Descomposición radiactiva: Proceso por el cual un núcleo atómico emite radiación y se transforma en un nuevo núcleo.
Familia radiactiva: Grupo de isótopos radiactivos en el que la desintegración de un isótopo conduce a la formación de otro isótopo radiactivo.
Núcleo estable: Núcleo atómico que no sufre ningún cambio de forma espontánea.
Partícula subatómica: Unidad básica de materia y energía (protón, neutrón, electrón, neutrino y positrón) más pequeña que un átomo.
Núcleo inestable: Núcleo atómico que sufre algún cambio interno de forma espontánea.
Los científicos no tienen del todo claro qué hace que un núcleo sea inestable. Parece que algunos núcleos contienen un número excesivo de protones o neutrones o una cantidad excesiva de energía. Estos núcleos restablecen lo que para ellos debe ser un equilibrio adecuado de protones, neutrones y energía emitiendo una partícula subatómica o una ráfaga de energía.
En este proceso, el núcleo cambia su composición y puede llegar a convertirse en un núcleo totalmente diferente. Por ejemplo, en su intento de alcanzar la estabilidad, un núcleo de carbono-14 emite una partícula beta. Una vez que el núcleo de carbono-14 ha perdido la partícula beta, está formado por siete protones y siete neutrones. Pero un núcleo formado por siete protones y siete neutrones ya no es un núcleo de carbono. Ahora es el núcleo de un átomo de nitrógeno. Al emitir una partícula beta, el átomo de carbono-14 se ha transformado en un átomo de nitrógeno.
Tipos de radiación
Las formas de radiación más comúnmente emitidas por un núcleo radiactivo se llaman partículas alfa, partículas beta y rayos gamma. Una partícula alfa es el núcleo de un átomo de helio. Está formada por dos protones y dos neutrones. Consideremos el caso de un átomo de radio-226. El núcleo de un átomo de radio 226 está formado por 88 protones y 138 neutrones. Si ese núcleo emite una partícula alfa, debe perder los dos protones y los dos neutrones que componen la partícula alfa. Tras la emisión de la partícula alfa, el núcleo restante sólo contiene 86 protones (88 – 2) y 136 neutrones (138 – 2). Este núcleo es el de un átomo de radón, no el de un átomo de radio. Al emitir una partícula alfa, el átomo de radio-226 se ha transformado en un átomo de radón.
La emisión de partículas beta de los núcleos fue una fuente de confusión para los científicos durante muchos años. Una partícula beta es un electrón. El problema es que los electrones no existen en los núcleos de los átomos. Pueden encontrarse fuera del núcleo, pero no dentro de él. Entonces, ¿cómo es posible que un núcleo inestable emita una partícula beta (electrón)?
La respuesta es que la partícula beta se produce cuando un neutrón dentro del núcleo atómico se rompe para formar un protón y un electrón:
neutrón → protón + electrón
Recordemos que un protón lleva una sola carga positiva y el electrón una sola carga negativa. Eso significa que un neutrón, que no lleva ninguna carga eléctrica, puede romperse para formar dos nuevas partículas (un protón y un electrón) cuyas cargas eléctricas se suman para hacer cero.
Piensa en el ejemplo del carbono-14, mencionado anteriormente. Un núcleo de carbono-14 decae emitiendo una partícula beta. Esto significa que un neutrón del núcleo de carbono-14 se rompe para formar un protón y un electrón. El electrón se desprende como un rayo beta y el protón permanece en el núcleo. El nuevo núcleo contiene siete protones (sus seis originales más un nuevo protón) y siete neutrones (sus ocho originales reducidos por la ruptura de uno).
La pérdida de una partícula alfa o una partícula beta de un núcleo inestable suele ir acompañada de la pérdida de un rayo gamma. Un rayo gamma es una forma de radiación de alta energía. Es similar a un rayo X pero con una energía algo mayor. Algunos núcleos inestables pueden decaer únicamente por la emisión de rayos gamma. Cuando han perdido la energía arrastrada por los rayos gamma, se vuelven estables.
Radiactividad natural y sintética
Muchos elementos radiactivos se dan en la naturaleza. De hecho, todos los elementos más pesados que el bismuto (número atómico 83) son radiactivos. No tienen isótopos estables.
Los elementos radiactivos más pesados están involucrados en secuencias conocidas como familias radiactivas. Una familia radiactiva es un grupo de elementos en el que la desintegración de un elemento radiactivo produce otro elemento también radiactivo. Por ejemplo, el isótopo padre de una familia radiactiva es el uranio-238. Cuando el uranio-238 se desintegra, forma torio-234. Pero el torio-234 también es radiactivo. Cuando decae, forma protactinio-234. El protactinio-234, a su vez, también es radiactivo y se desintegra para formar uranio-234. El proceso continúa durante otros once pasos. Finalmente, el isótopo polonio-210 decae para formar plomo-206, que es estable.
Muchos elementos más ligeros también tienen isótopos radiactivos. Algunos ejemplos son el hidrógeno-3, el carbono-14, el potasio-40 y el telurio-123.
Los isótopos radiactivos también se pueden fabricar artificialmente. El proceso habitual consiste en bombardear un núcleo estable con protones, neutrones, partículas alfa u otras partículas subatómicas. El proceso de bombardeo puede llevarse a cabo con aceleradores de partículas (rompe-átomos) o en reactores nucleares. Cuando una de las partículas de bombardeo (balas) choca con un núcleo estable, puede hacer que ese núcleo se vuelva inestable y, por tanto, se vuelva radiactivo.