Radiactividad QUÍM.

Categoria:

Química

El fenómeno y su descubrimiento. Es la desintegración espontánea del núcleo (v.) con emisión de alguna partícula cargada, para transformarse en otro núcleo distinto al inicial. La mayor parte de los elementos pesados de la tabla periódica (v. ELEMENTOS QUÍMICOS I) presentan esta propiedad que, por otra parte, no es afectada por ningún agente externo tal como presión, temperatura, etc., ni depende tampoco del estado físico en que se encuentre el elemento, ni del hecho de que esté ligado o no a otros para formar compuestos; se trata, pues, de una propiedad exclusiva de ciertos átomos (v.), y en realidad de su núcleo, pues son éstos los responsables y los que sufren la desintegración.

El fenómeno de la r. fue descubierto accidentalmente por el físico francés Becquerel en 1896, al observar que una placa fotográfica guardada junto a un preparado de uranio se había ennegrecido como si hubiera sido impresionada por alguna radiación procedente de dicho preparado; se comprobó que tal radiación, dentro de ciertos límites, era capaz de atravesar la materia, tanto si se trataba de cuerpos transparentes, como opacos a la luz; dicha radiación poseía, además, la propiedad de ionizar (v. IONIZACIÓN) los gases; gracias a este efecto podía también ser detectada y medida en una cámara de ionización, por la corriente que en ella se producía. Esta propiedad no es privativa del uranio (v.), sino que se presenta en otros átomos, generalmente pesados, es decir, de número atómico Z > 92, cuya presencia puede acusarse precisamente gracias a que cada uno de los que son radiactivos emite unas radiaciones que son características de él, cualesquiera que sean las circunstancias físicas o químicas en que se encuentre.

Al estudiar sistemáticamente la posible r. de las sustancias naturales, los esposos Curie (v.) observaron que la pechblenda, mineral del que se extrae el uranio, presentaba mayor actividad de la correspondiente a la proporción de dicho elemento que contiene, hecho que se demostraba porque producía un ennegrecimiento mayor y más rápido en la placa fotográfica, llegando a la conclusión de que contenía otro elemento mucho más radiactivo; tras laboriosos trabajos consiguieron separarlo y, en honor de su patria, Marie Curie le denominó polonio (Z=84); posteriormente separaron otro elemento, aún más activo, al que denominaron radio (v.; Z=88).

Hoy conocemos cerca de 100 isótopos (v.) radiactivos naturales, cada uno de los cuales presenta sus propias características radiactivas; dos de ellos, el torio y el uranio, eran ya conocidos en 1896 y estaban clasificados al final de la tabla periódica (masas atómicas A=232 y A=238, respectivamente), pero entre ellos y el elemento pesado anterior, el bismuto (v.; A=209), existía una laguna que fue ocupada por otros elementos nuevos.

Naturaleza de las radiaciones. Para estudiar la naturaleza de las radiaciones emitidas por los cuerpos radiactivos puede recurrirse al sencillo dispositivo utilizado por Rutherford (v.), mediante el cual quedan descompuestas en tres radiaciones distintas al atravesar un campo eléctrico o magnético: una está compuesta por partículas positivas (a); otra, formada por cargas negativas libres o electrones (/3); y una tercera análoga a los rayos X (v.), que por no llevar carga no es desviada (y); a tales radiaciones se las denomina, un tanto impropiamente, rayos al/a, beta y gamma, aunque los dos primeros están constituidos por lo que clásicamente consideramos como partículas; en efecto, la naturaleza de los rayos alfa fue determinada midiendo su carga específica q/m (v. ELECTRóN), resultando estar formados por núcleos de helio (v.); es decir, son partículas de masa 4 y carga +2e, animadas de una velocidad del orden de 1/20 de la de la luz; en cambio, los rayos beta son electrones negativos emitidos a gran velocidad (casi la de la luz) y, por tanto, dotados de extraordinaria energía; finalmente, los rayos gamma son idénticos a los rayos X, pero de mayor poder de penetración, pues su longitud de onda es aún menor.

El origen de estas radiaciones hay que buscarlo en el propio núcleo; esto queda claro en relación a las partículas alfa, pues no existen en la corteza atómica, y además hay pruebas de que cuando un núcleo emite una alfa se transforma en otro de número atómico dos unidades inferior; la cosa no es tan clara para las partículas beta, ya que por ser electrones podríamos pensar que proceden de la corteza atómica, pero también se comprueba que el núcleo emisor de número atómico Z se convierte en otro de Z+ 1, por lo que dicho núcleo debió, efectivamente, perder un electrón; ahora bien, dado que no existen electrones dentro del núcleo, lo que ocurre es que deben crearse durante el proceso de emisión, gracias a la transformación de un neutrón en protón: n -> p++e-. Finalmente, como ya hemos dicho, los rayos gamma son fotones (v.), es decir, radiación electromagnética, y su origen nuclear queda evidenciado por el hecho de que en los reajustes electrónicos que tienen lugar enla corteza, y en los que se originan los rayos X, se pone en juego una energía bastante inferior, de modo que los rayos gamma deben proceder de reajustes energéticos que ocurren dentro del núcleo, tras quedar éste excitado por la emisión alfa o beta.

El poder de penetración de los a, /3 y y en un medio material depende de la energía con que son emitidos por cada núcleo; en general, puede decirse que los a son detenidos por una hoja de papel, los /3 pueden atravesar láminas de unos milímetros de espesor, y los y son capaces de atravesar gruesos espesores de plomo. A su paso a través de la materia, las tres radiaciones van perdiendo energía en virtud de los procesos de ionización por choque que provocan, y, en consecuencia, las partículas alfa son las de mayor poder ionizante, y los rayos gamma los de menor.

Leyes y familias radiactivas. Con objeto de explicar el fenómeno de la r., Rutherford y Soddy (v.) establecieron la siguiente teoría: Los átomos de una sustancia radiactiva experimentan un proceso de desintegración espontánea, dando lugar, junto con la partícula a o /3 emitida, a la formación de un nuevo átomo de propiedades físicas y químicas distintas; el número de a o R emitidas por segundo mide, en consecuencia, la actividad o ritmo a que tiene lugar la desintegración; ahora bien, el nuevo átomo producido puede, a su vez, ser inestable, en cuyo caso se desintegrará también más o menos pronto, transformándose en otro con su emisión correspondiente. Este proceso de transformación continuará, de un modo análogo, hasta que finalice con la aparición de un átomo estable (no radiactivo), sin que en ningún momento podamos frenarlo, acelerarlo 0 modificarlo, pues el proceso es totalmente espontáneo, y ante el mismo somos simples espectadores.

De acuerdo con esta teoría y las leyes de desplazamiento, debidas a Soddy y Fajans, sucede que:1) Cuando un átomo de masa atómica A emite una partícula a, se transforma en otro de masa atómica (A-4), situado dos lugares antes en la clasificación periódica (Z-2);p. ej.:Z92U __> 4He+234Th2) Cuando tiene lugar una emisión /3, el átomo se transforma en otro de igual masa atómica, pero que ocupa el lugar siguiente (Z+1) en la clasificación periódica; p. ej.:~Th --> -áe+ZV3Pa(en las dos ecuaciones anteriores los índices superiores corresponden a números másicos, y los inferiores a números atómicos).

3) La emisión gamma no altera ni el número másico ni el atómico, es decir, no produce transmutación, pues se trata de un simple reajuste energético nuclear.

En consecuencia, sucede que en todo producto radiactivo, que no haya sido aislado recientemente por procedimientos químicos, debe coexistir una serie de elementos o familia radiactiva constituida por el elemento original, o padre de todos ellos, y los subsiguientes productos de desintegración, hasta el último descendiente estable que, en todos los casos, es un isótopo estable del plomo. Se conocen cuatro familias radiactivas, genéticamente independientes; tres de ellas están constituidas por isótopos naturales, y la cuarta por isótopos obtenidos artificialmente; son éstas:1) La del uranio-radio, o familia 4n+2, pues todos sus elementos poseen un número másico que, como el del uranio-238, es igual o múltiplo de cuatro más dos.

2) La del actinio: 4n+3. 3) La del torio: 4n. 4) La del neptunio:4n+ 1.

En cada una de las tres primeras existe siempre un elemento radiactivo gaseoso muy activo, a saber, el radón, torón y actinón, que es isótopo del elemento Z=86, emanación, perteneciente al grupo de los gases nobles.

Actividad radiactiva. Algunos años después del descubrimiento de la r., Elster y Geitel observaron que la actividad, o número de emisiones por segundo, de una sustancia radiactiva pura disminuye con el tiempo en forma exponencial; este hecho se interpretó posteriormente considerando que las leyes de desintegración eran de naturaleza estadística, es decir, que resulta imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo determinado y sólo cabe hablar de la probabilidad de que tal suceso tenga lugar. Esta hipótesis condujo inmediatamente a la deducción de la ley de desactivación exponencial; en efecto, si existen N átomos de un cierto cuerpo radiactivo en el instante t, el número oN de los que se desintegrarán en un tiempo ot seráAN= -Á N Ot,es decir, proporcional al número de los existentes y al tiempo, siendo la constante de proporcionalidad A, la llamada constante radiactiva; si A es grande, el elemento es muy activo, mientras que si es pequeña, la actividad también lo es. De la última expresión se obtiene, por una integración sencilla, la relación:N=Noe_x.1,donde No representa el número de átomos presentes en el instante inicial t=0, y N el de los que quedan después de un tiempo t. Naturalmente, la actividad en cada instante vendrá dada por:Actividad= AN=ANoe-t,que, en efecto, demuestra que la actividad disminuye exponencialmente con el tiempo.

La vida total de una muestra de un elemento radiactivo es siempre infinita, pues por grande que sea su actividad siempre se desintegra una fracción del número de átomos presentes; ahora bien, unos átomos vivirán poco y otros mucho más; por esta razón es conveniente definir el periodo o semivida, T11z, de un elemento radiactivo, como el tiempo necesario para que el número de átomos originalmente presentes se reduzca a la mitad. Haciendo N=No/2, en la penúltima fórmula, y recordando que el logaritmo neperiano de 2 es igual a 0,693 resulta:0,693 TI1z= A ,relación que liga el periodo con la constante radiactiva. Los periodos de los diversos elementos varían ampliamente entre millones de años y millonésimas de segundo; p. ej., el del radio es de 1.590 años, y el de su primer descendiente, el radón, es de 3,8 días; el más largo corresponde al uranio-238, con 4,5.109 años. Naturalmente, un periodo corto significa gran actividad radiactiva, o sea, mayor número de emisiones por segundo, pero además, en general y muy especialmente para los emisores alfa, ocurre también que los elementos de vida breve emiten partículas de mayor energía.

Para medir la actividad de una muestra radiactiva se venía utilizando el curie, que es la de un preparado que presenta 3,7- 1010 emisiones por segundo, y corresponde a la de una muestra de 1 g. de radio en equilibrio con suprimer descendiente, el radón; posteriormente se prefiere utilizar el rutherford, que corresponde a una actividad de un millón de desintegraciones o emisiones por segundo, con lo cual,1 curie °- 3,7?104 rutherford.

Naturalmente, dos muestras de igual actividad no liberan la misma cantidad de energía, pues ésta depende de la energía individual que posea cada una de las partículas emitidas, la cual es distinta para cada elemento radiactivo y característica del mismo.

Radiactividad artificial y sus aplicaciones. Mientras sólo se conocían elementos radiactivos naturales, las aplicaciones de los cuerpos radiactivos quedaban limitadas al radio, radón y algún que otro elemento aislado, utilizados como agentes ionizantes en radioterapia (v.). Las grandes posibilidades de los fenómenos radiactivos, en la ciencia y técnica, se vislumbraron gracias al descubrimiento de la r. artificial o inducida, que pronto hizo posible producir isótopos radiactivos de casi todos los elementos naturales, es decir, elementos totalmente análogos desde el punto de vista químico, pero con la única particularidad de que, por ser inestables, se desintegran con un semiperiodo y una emisión propios y característicos del elemento, gracias. a lo cual podrán ser detectados y seguidos a lo largo de cualquier proceso físico, químico o biológico en que tomen parte, mediante un contador Geiger. Por esta razón se habla de átomos marcados o radiactivos.

El descubrimiento de la r. artificial se debe a JoliotCurie (1934); al bombardear el aluminio con partículas alfa, observaron que al cesar el bombardeo la muestra parecía radiactiva, pues presentaba una emisión cuya actividad disminuía exponencialmente con el tiempo, de modo que el semiperiodo eraT1/z=2,6 min.

Casi simultáneamente, Lawrence, bombardeando sodio con deuterones (z1H), obtuvo radio-sodio con un periodoT11z=15 h.

Tan pronto como se logró disponer de fuentes de neutrones aumentaron las posibilidades para la obtención de radioisótopos, ya que el neutrón, por su ausencia de carga, resulta un proyectil muy eficaz para bombardear el núcleo, pues para él no existe la repulsión eléctrica coulombiana y puede penetrar fácilmente en el interior de los núcleos dando lugar, en general, a reacciones nucleares del tipo (n, v), es decir, captura de un neutrón seguida de emisión gamma, o (n, p), captura neutránica con emisión de un protón y producción, en ambos casos, de un átomo inestable que sufrirá la desintegración radiactiva. Ambas reacciones pueden producirse sobre núcleos de materiales irradiados dentro de un reactor nuclear; si ocurre la primera, el núcleo radiactivo producido es un isótopo del bombardeado; pero si tiene lugar la segunda, el radioelemento es un isótopo del que ocupa un lugar anterior en el sistema periódico (Z- l).

La producción de radioisótopos es una de las grandes posibilidades y beneficios que nos reporta la energía nuclear (v.), pues hoy día su consumo es extraordinario en virtud del sinfín de aplicaciones de toda índole. Por esta razón se obtienen en un gran número de países en sus respectivos reactores de potencia o de investigación; en España se producen también en el reactor de la junta de Energía Nuclear de la Moncloa (Madrid), e incluso se exportan a otros países.

Por otra parte, en los últimos años parece haberse encontrado una aplicación muy importante de la r. que ya se vislumbró en los primeros años, pero que no pareció rentable hasta que se consiguió disponer de grandes cantidades de materiales radiactivos (en los reactores nucleares, v., los productos de la fisión lo son); consiste en aprovechar directamente la energía liberada por los cuerpos radiactivos en forma de energía cinética de las partículas emitidas para, transformándola en calor, poder disponer’ de focos de energía autónomos que puedan mantenerse en servicio durante largos años, sin necesidad de entretenimiento; se empiezan a utilizar como generadores de faros marinos, para balización de cumbres inaccesibles, sondeos submarinos, navegación espacial, microgeneradores de impulsos al corazón humano (previa su introducción en el cuerpo), etc. Para estos generadores se sugiere el nombre español de Gisela (generadores isotópicos de electricidad auxiliar); aunque por el momento son de poca potencia, se perfilan para ellos un sinfín de posibilidades.

V. t.: FÍSICA ATÓMICA; FÍSICA NUCLEAR.

J. CATALÁ DE ALEMANY.

BIBL.: E. N. JFNKINS, introducción a la radiactividad, Madrid 1967; J. SCHUBERT y R. E. LAPP, Radiación y radiactividad, Buenos Aires 1964; W. B. MANN y S. B. GARFINKEL, Radioactividad y su medida, México 1968; R. COPPENs, La radioactividad de las rocas, Buenos Aires 1969; J. M. A. LENIHAM, La energía atómica y sus aplicaciones, Barcelona 1956; K. E. ZIMEN, Radiactividad aplicada, Madrid 1955; M. LEFORT, Les radiations nucléaires, París 1959; C. ROCCHICCIOLI, Les isotopes, París 1964; Radiactividad artificial, en Enciclopedia de la Era Atómica, 4, Barcelona 1965.