Radiactividad: Conceptos Fundamentales, Emisiones y Aplicaciones Nucleares

Introducción a la Radiactividad

Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) descubrió en 1895 los rayos X, una forma de radiación electromagnética. Poco después, Antoine Henri Becquerel (1852-1908) estableció una relación entre los rayos X y la fosforescencia de las sales de uranio, observando la emisión espontánea de radiación. En 1898, Marie Curie (1867-1934) acuñó el término "radiactividad" para describir este fenómeno.

¿Qué es la Radiactividad?

La radiactividad es la emisión espontánea de partículas y/o radiación electromagnética (fotones) desde el núcleo inestable de un átomo. Los elementos que poseen esta propiedad se denominan radiactivos.

Conceptos Fundamentales en Física Nuclear

Notación Isotópica

La notación isotópica se representa como ^A_ZX, donde:

• X es el símbolo químico del elemento.
• A es el número de masa (suma de protones y neutrones, también conocidos como nucleones).
• Z es el número atómico (número de protones).

Ejemplos:

• Partícula alfa (α): ⁴₂He
• Partícula beta (β): ⁰_-1e

Nucleón

Un nucleón es una partícula subatómica que forma parte del núcleo atómico, es decir, un protón o un neutrón. El número de masa (A) es igual al número total de nucleones en un átomo.

Núclido e Isótopo

Mientras que los isótopos se refieren a átomos del mismo elemento con diferente masa (mismo Z, diferente A), un núclido se refiere a cualquier especie atómica caracterizada por un número específico de protones y neutrones. Los núclidos que emiten radiación de manera espontánea se denominan radionúclidos o radioisótopos.

Principales Emisiones Radiactivas

Las principales emisiones del núcleo de los radionúclidos se conocen como partículas alfa (α), beta (β) y rayos gamma (γ). Cuando un elemento radiactivo emite una partícula alfa o beta, se transforma en un elemento diferente.

Partícula Alfa (α)

• Composición: 2 protones y 2 neutrones (esencialmente un núcleo de helio).
• Masa: Aproximadamente 4 unidades de masa atómica (uma).
• Carga: +2.
• Símbolo: α o ⁴₂He.
• Efecto en el núcleo: El número atómico (Z) disminuye en 2 y el número de masa (A) disminuye en 4.

Partícula Beta (β)

• Carga: -1 (es un electrón de alta energía).
• Origen: Se genera en la desintegración de un neutrón dentro del núcleo, que se convierte en un protón y una partícula beta.
• Masa: Despreciable (similar a la de un electrón).
• Símbolo: β o ⁰_-1e.
• Efecto en el núcleo: El número atómico (Z) aumenta en 1 y el número de masa (A) permanece constante.

Rayos Gamma (γ)

• Naturaleza: Fotones de alta energía (radiación electromagnética).
• Carga y masa: No poseen carga ni masa.
• Símbolo: γ.
• Efecto en el núcleo: No alteran el número atómico ni el número de masa del núcleo, solo liberan el exceso de energía del núcleo.

Vida Media (T_1/2)

La vida media (T_1/2) es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de una cantidad específica de un núcleo radiactivo. Es una característica fundamental de cada radionúclido.

Radiactividad Artificial

La radiactividad artificial ocurre cuando ciertos núcleos estables son bombardeados con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas es adecuada, penetran el núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra radiactivamente. Este fenómeno fue descubierto por Irène Joliot-Curie y su esposo Frédéric Joliot-Curie.

Unidades de Medida de la Radiactividad

Curie (Ci)

El Curie (Ci) es una unidad que expresa la cantidad de radiactividad de un elemento. Representa la cantidad de material en la que se desintegran 3.7 × 10¹⁰ átomos por segundo. Debido a que el Curie representa una cantidad muy grande de radiactividad, se comenzaron a utilizar unidades más pequeñas, siendo finalmente reemplazado por el Becquerel.

Rad (Radiation Absorbed Dose)

El Rad (Radiation Absorbed Dose) es una unidad de dosis de radiación absorbida. 1 Rad equivale a 0.01 Julios por kilogramo (J/kg) de materia.

Rem (Roentgen Equivalent Man)

El Rem (Roentgen Equivalent Man) es una unidad de dosis de radiación equivalente, que tiene en cuenta el efecto biológico de diferentes tipos de radiación. 1 Rem se calcula como 1 Rad multiplicado por un factor de calidad (Q) o factor de ponderación de la radiación (W_R).

Relación Masa-Energía en Reacciones Nucleares

En las reacciones nucleares, una pequeña fracción de la masa se convierte en energía, según la famosa ecuación de Einstein, E=mc².

• Fisión Nuclear: Aproximadamente el 0.1% de la masa se convierte en energía.
• Fusión Nuclear: Hasta el 0.5% de la masa puede convertirse en energía.

Defecto de Masa y Energía de Enlace Nuclear

Defecto de Masa

El defecto de masa es la diferencia entre la suma de las masas de los protones y neutrones individuales que componen un núcleo y la masa real de ese núcleo. Esta diferencia de masa se debe a la energía de enlace nuclear.

Energía de Enlace Nuclear

La energía de enlace nuclear es la energía equivalente a este defecto de masa, y representa la energía necesaria para separar un núcleo en sus nucleones individuales, o la energía liberada cuando los nucleones se unen para formar un núcleo.

Cálculo del Defecto de Masa y la Energía de Enlace Nuclear (Ejemplo: Partícula Alfa)

Calculemos el defecto de masa y la energía de enlace nuclear para una partícula alfa (núcleo de Helio).

Datos:

• Masa del protón (m_p): 1.0073 g/mol
• Masa del neutrón (m_n): 1.0087 g/mol
• Masa de la partícula alfa (m_α): 4.0015 g/mol
• Factor de conversión energía: 1 g = 9.0 × 10¹³ J

Cálculo:

1. Suma de las masas de los nucleones individuales (2 protones + 2 neutrones):
   2p: 2 × 1.0073 g/mol = 2.0146 g/mol
   2n: 2 × 1.0087 g/mol = 2.0174 g/mol
   Suma total: 2.0146 g/mol + 2.0174 g/mol = 4.0320 g/mol
2. Cálculo del Defecto de Masa (Δm):
   Δm = (Suma de masas de nucleones) - (Masa real de la partícula alfa)
   Δm = 4.0320 g/mol - 4.0015 g/mol = 0.0305 g/mol
3. Conversión del Defecto de Masa a Energía de Enlace Nuclear (E):
   E = Δm × (Factor de conversión)
   E = (0.0305 g/mol) × (9.0 × 10¹³ J/g) = 2.7 × 10¹² J/mol (equivalente a 6.5 × 10¹¹ cal)

La Bomba de Hidrógeno (Bomba H)

La primera bomba de hidrógeno, conocida como prueba Ivy Mike, fue detonada en el atolón de Eniwetok el 1 de noviembre de 1952. La temperatura alcanzada en la zona cero superó los 15 millones de grados Celsius por fracciones de segundo, similar a la temperatura del núcleo del Sol.

Su diseño se atribuye principalmente al físico húngaro-estadounidense Edward Teller y al matemático polaco-estadounidense Stanisław Ulam. En la Unión Soviética, Andréi Sájarov desarrolló un diseño similar en 1951.

Notación: positivo recorre a la izqu el(.), es mejor dejar1#