Fundamentos de la Radiactividad y Reacciones Nucleares: Decaimiento, Fisión y Aplicaciones

Conceptos Fundamentales de la Química Nuclear

Ecuación Nuclear

En una ecuación nuclear, la cantidad de partículas subatómicas del reactante debe ser igual a la del producto.

Decaimiento Radiactivo

El decaimiento radiactivo es la descomposición espontánea de un núcleo, generando núcleos de menor masa, partículas pequeñas y energía. Los núcleos que experimentan desintegración poseen una razón n/z que se encuentra por encima o por debajo del cinturón de estabilidad. Las radiaciones alfa, beta y gamma provienen del decaimiento radiactivo, por ejemplo, del uranio. Algunos elementos emiten rayos alfa, otros beta o gamma, y a veces, mezclas de ellos.

Poder Ionizante

El poder ionizante es la capacidad de una radiación para ionizar átomos residentes en un material absorbente. Cada vez que un tipo de radiación ioniza un átomo, pierde parte de su energía cinética y avanza menos.

Tipos de Radiación Ionizante

Radiación Alfa (α)

• Recorren poca distancia y se detienen con una hoja de papel o la piel.
• Son núcleos de Helio-4 (⁴He₂).
• Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico (Z) disminuye en 2 unidades y su número másico (A) en 4.
• Núcleo de Helio (carga +2).

Radiación Beta (β)

• Recorren aproximadamente un metro y son detenidas por unos pocos centímetros de madera o una hoja delgada de metal.
• Pueden ser positivas (positrones, β⁺) o negativas (electrones, β^-).
• Pueden liberar una partícula idéntica a un electrón.
• Son aproximadamente 7000 veces más pequeñas que las partículas alfa.
• Viajan a una velocidad cercana a la de la luz.
• Electrones o Positrones (carga -1 o +1).

Radiación Gamma (γ)

• Recorren cientos de metros en el aire y son detenidas por una pared gruesa de plomo.
• Son radiación electromagnética (carga 0).
• Son idénticas a la luz, pero con un contenido energético superior.
• No tienen carga eléctrica.
• Son mutagénicas para células vivas.

Mecanismos de Decaimiento Radiactivo

Ecuaciones Generales de Decaimiento

La ecuación general es: Núcleo Padre = Núcleo Hijo + Emisión Radiactiva.

Tipos de Decaimientos Radiactivos según el Cinturón de Estabilidad

Núcleos "Sobre el Cinturón"

• Experimentan emisión Beta (β^-).
• Son núcleos donde la cantidad de neutrones es mayor que la de protones (n > p).

Núcleos "Debajo del Cinturón"

• Donde la razón n/z es menor que la de un núcleo estable.
• Puede ocurrir por emisión de positrones (β⁺) o por captura electrónica (implícito en la mención de electrones).
• Los positrones son la antimateria de los electrones.

Aplicaciones y Fenómenos Relacionados

Vida Media (t_1/2)

La vida media es el tiempo que demora un elemento radiactivo en descomponer la mitad de su masa. Es independiente de la cantidad de masa inicial del elemento y solo depende del tipo de núcleo.

Datación por Carbono-14 (C-14)

El Carbono-14 se forma por la acción de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno atmosférico (¹⁴N). El C-14, al mezclarse con los demás gases de la atmósfera, forma CO₂. Luego es absorbido por las plantas e incorporado en los animales. Cuando el organismo muere, deja de intercambiar materia orgánica con el ambiente, comenzando la disminución de C-14. Cuanto menor es la cantidad de C-14 remanente en el organismo muerto, más antiguo es.

Series Radiactivas

Las series radiactivas son las sucesivas desintegraciones de núcleos radiactivos hasta alcanzar un núcleo estable.

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado en dos núcleos más pequeños, ligeros y estables. Se libera energía y se producen más neutrones de los que había al principio, lo que puede generar reacciones en cadena. Para obtener energía paulatinamente, cada fisión debe producir un neutrón que induzca otra fisión (nivel de autoalimentación).

Masa Crítica

La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable necesaria para que la fisión se mantenga. Si la masa es muy pequeña (subcrítica), los neutrones abandonan la muestra, provocando el cese de la reacción. Si la masa es muy grande (supercrítica), el número de núcleos que se fisionan se multiplica rápidamente, y explota.