El descubrimiento d ela radiactividad supuso el fin del mito de la "imutabilidad de los átomos". La Ciencia del siglo XIX creía que los átomos de los distintos elementos eran los mismos de su creación, y que estos no podían cambiar nunca; sin embargo, en los primeros años del siglo XX se comprobó cómo unos átomos se convertían en otros y que el ser humano era capaz de obtener átomos de un elemento distinto a partir de otros.
En 1896 el físico francés Henri Becquerel descubrió que las sales de uranio que contenia un mineral denominado pechblenda emitían una radiación misteriosa que era capaz de velar las placas fotográficas, aunque éstas estuvieran en la oscuridad más absoluta. En un principio pensó que la naturaleza de la radiación era simplemente una emisión espontánea de rayos X, pero posteriores observaciones descartaron totalmente esa idea.
Fueron Pierre y Marie Curie quienes demostraron que no era exactamente el uranio el pricipal emisor de esas radiaciones, sino dos elementos nuevos presentes en la pechblenda como impurezas. En concreto, en 1898 aislan el polonio y en 1902 publican el descubriiento del radio cuya capacidad radiactiva era mayor que la de los elementos citados anteriormente, por ejemplo es luminiscente. El trabajo de los esposos Curie es toda una lección de ciencia, abnegación y sobre todo, altruismo, pues aunque les ofrecieron mucjo dinero por la patente del radio, la cedieron de manera grtuita a la humanidad, pensando en los beneficios que ésta podría obtener a través de sus aplicaciones técnicas. Conjuntamente con Becquerel obtuvieron el Premio Nobel de Física en 1903. Marie Curie fue la primera mujer en doctorarse en Francia (la segunda en todo el mundo) y desde luego, la primera en ontener un Nobel que repetiría en 1911, esta vez en Química, por los trabajos subsiguientes sobe el radio.
La naturaleza de la radiactividad natural
El estudio de la radiación emitida por los elementos radio, polonio, urano y torio fue llevada a cabo tanto por los Curie como por Rutherford. La aplicación de un campo magnético sobre la radiación emitida, ejercía efectos distintos y esto llevó a la conclusión de que había tres tpos de radiactividad, a las que denominaron con las primeras letras del alfabeto griego alfa, beta y gamma (α, β, γ) de acuerdo a la desviación que sufrían al atravesar el campo magnético.
La radiación α
La desviación por efecto del campo magnético mostraba que se trataba de partículas cargadas positivamente y la relación q/m era identica a la de los átomos de helio doblemente ioizados esto es, el ión He2+. Hoy sabemos que en realidad se trata de un núcleo de helio formado por dos neutrones y dos protones, pero por aquel entonces, evidentemente no. Como es lógico un átomo que de manera espontánea pierde una partícula α se debe transformar en un átomo de otro elemento, pues su núcleo ha perdido neutrones y sobre todo, protones.
Marie
Slodwska-Curie (1867-1934), física y química de
origen
polaco,
nacionalizada francesa. Premio Nbel de Física (1903) y de
Química (1911) [16]
La radiación β
En el caso de la radiación β la desviación y la relación q/m era idéntica que la que se obtenía de la medición de los rayos catódicos, por eso se concluyó que estaba formada por electrones. Sin embargo las energías que portaban estos electrones era mucho mayor que la presente en los rayos catódicos. Desentrañar de donde provenían esos electrone fue una trea ardua y ha conducido entre otras cosa a descubrir un nuevo tipo de fuerza presente en el núcleo, la denominada "interacción débil". Rutherford emitió la hipótesis de que debía existir una partícula sin carga, de una masa algo mayor que la del protón y que se transmutaba espontáneamente en ciertos átomos, mediante el sguiente esquema de desintegración:
n0
→ p+ + e-
Efectivamente
la
partícula de la que se trataba era el neutrón y
por tanto, los
electrones
que se emiten provienen del propio núcleo del
átomo. Como en el proceso
se genera un protón el átomo se
convierte en un átomo distinto
pertenenciente a otro elemento químico.Las
radiaciones ionizantes,
aunque menos que las α
y penetran mucho
en la materia.
Se trata de una radiación muy peligrosa.La radiación γ
No sufren desviación por el campo magnético, lo que indica que no está constituida por partíículas cargadas. Sin embrgo se comprobó que si sufren los mismos fenómenos que cualquier radiación electomagnética y en su comportamiento era parecido al de los rayos X. Hoy en día, sabemos que constituyen la radiación más energética de todas las que constituyen el conjunto de ondas electromagnéticas. Son emitidas por núceos excitados al volver a su estado más estable, por ello el átomo solamente pierde energía, pero no se transmuta en otro
Son radiaciones no ionizantes y su poder de penetración es enprme. La materia practicamente no las absorbe. Para que nos hagamos una idea de esto, basta saber que se necesitan espersores de aproximadamente 1m de plomo o cemento para detener a los rayos γ más energéticos. Es la radiación más peligrosa y una breve exposición a ella, puede ocasionar graves problemas para la salud.
Frederick Soddy y Kasimir Fajans, enunciarron dos leyes muy
simples para entender la transmutación de un
átomo en otro al emitir radiactividad α o β. Son las siguientes:
1ª) Si un átomo emite una partícula α se convierte en el átomo de otro elemento que tiene de número atómico dos unidades menos y de número de masa cuatro unidades menor.
2º) Si un átomo emite una partícula β se convierte en el átomo de otro elemento que tiene de número atómico una unidad mayor y el mismo número de masa.
1ª) Si un átomo emite una partícula α se convierte en el átomo de otro elemento que tiene de número atómico dos unidades menos y de número de masa cuatro unidades menor.
2º) Si un átomo emite una partícula β se convierte en el átomo de otro elemento que tiene de número atómico una unidad mayor y el mismo número de masa.
La
explicación de ambas leyes es sencilla. En el primer caso,
un átomo con
número atómico Z y número de masa A,
al emitr una partícula α pierde dos protones y
dos
neutrones, por ello se convierte en un elemento con número
atómico Z-2 y número de masa A-4 . Esto lo podemos
visualizar
con el siguiente esquema
ZXA → Z-2YA-4 + α
Frederick
Soddy (1877-1956) , químico inglés que
estudió las transmutaciones atómicas.
Descubró el
protactinio y fue Premio Nobel
de Química en
1921. [18]
En el segundo caso, un átomo caracterizado por Z y A , al emitir una partícula β un neutrón se transforma en un portón, por ello el número atómico aumenta en una unidad, mientras se mantiene el número de masa. Esto lo podemos visualizar así
ZXA → Z+1YA + β
Las leyes de Soddy-Fajans permitieron explicar muchas cosas, por ejemplo porqué había radio en una muestra de sales de uranio. Una manera de explicarlo es a través de la secuencia de desintegraciones α que involucran a dos elelemntos intermedios inestables, el torio y el radón:
92U234
→ 90Th230
+ α
90Th230 → 88Ra226 + α
88Ra226 → 86Rn222 + α
86Rn222 → 84Po218 + α
90Th230 → 88Ra226 + α
88Ra226 → 86Rn222 + α
86Rn222 → 84Po218 + α
Las reacciones se entiende mejor si nos percatamos de que la partícula α es en realidad un núcleo de helio (Z=2 A=4)
La radiactividad artificial o inducida
Rutherford en 1908, a la vez que demostraba que las partículas α eran núcleos de helio, realizó la primera reacción nuclear artificial. El experimento que hizo consistió en someter a un tubo que contenía nitrógeno a un bombardeo constante con partículas α. En el recipiente que contenía el nitrógeno, se formaron oxigenos e iones hidrógeno. La reacción la podemos escribr de la siguiente forma:
7N14
+ α → 1H2 + 8O16
Esta reacción, como vimos en el capítulo anterior, llevó a Rutherford a pensar que el ión hidrógeno era en realidad una partícula fundamental: el protón, por lo que esta experiencia de Rutherford es doblemente mportante, sirvió para que los hombres crearan átomos distintos de los originales y al mismo tiempo permitió conocer la segunda partícula elemental.
Hoy en día, hay toda una rama de la Química, denominada Química Nuclear, está deddicada a la síntesis de isótopos radaiactivos, que tienen aplicaciones en los campos de la técnica, la medicina y a la investigación. Un ejemplo importante de esto último, es la síntesis de los elementos más allá del uranio que veremos en cuando estudiemos la Tabla Periódica.
El tiempo que dura la actividad de una muestra que contiene átomos que se desintegran no puede saberse, ni tampoco medirse directamente. La razón es simple: aunque sea una muestra pequeña, la cantidad de átomos presentes es enorme, por eso es imposible saber el tiempo que tarda un átomo concreto en desintegrarse o cuando lo va a hacer. Es como si tiramos una moneda al aire sabemos que caerá "cara o cruz" pero no podemos predecir en absoluto que es lo que va a salir. Imaginemos el mismo problema pero con mil millones de monedas, en conjunto podemos decir que el número de caras y el número de cruces debe ser aproximadamente el mismo porque para que ambos números fueran iguales, el número de monedas tendría que ser infinito. La desintegración de un átomo radiactivo es un fenómeno al azar, sbemos que ocurrirá, pero no cuando. Cuando tenemos un sitema de muchísimas partículas en la que suceden fenómenos que no somos capaces de saber concretamente cuando ocurrirán para cada una de las partículas, no hay más remedio que usar una rama de las matémáticas que es la Estadística.
Lógicamente los isótopos de pequeño periodo son los más activos (no quiere decir que sean los más peligrosos, eso depende del tipo de radiación), por el contrario los de mayor periodo son los menos activos pero también los que duran más. Un problema importante es el almacnenamiento de los productos radiactivos de una central nuclear o de un hospital, el tipo de tratamiento y almacenaje tendrá que ver con su actividad.
