Radiactividad y Teoría Cuántica: Un Vistazo a la Física Moderna

Radiactividad

Radiactividad Natural

En 1896, Henri Becquerel (Francia) descubrió la emisión de radiaciones del uranio, lo que le valió el primer Premio Nobel. En 1900, Marie Skłodowska (Polonia), ganadora de dos Premios Nobel, y Pierre Curie (Francia), ganador de un Premio Nobel, demostraron que la radiactividad era una propiedad de ciertos átomos y descubrieron el radio y el polonio.

Radiación Alfa (α)

Emisión espontánea de partículas ionizadas (2 protones y 2 neutrones) a muy altas velocidades. Ecuación nuclear: ²³⁸₉₂U → ⁴₂He⁺² + ²³⁴₉₀Th^-2. Velocidad: 20,000 km/s. No daña los tejidos, pero su ingesta produce cáncer. Emitidos por elementos pesados (A ≥ 100). Ejemplo: ²³⁴₉₀Th^-2 (proviene del U) p⁺=90 e^-=92 n°=144 α = He⁺².

Radiación Beta Negativa (β^-)

Emisión espontánea de electrones de un núcleo debido a la desintegración de un neutrón. Ecuación nuclear: ⁹⁹₄₂Mo → e^- + ⁹⁴₄₃Tc⁺¹. Velocidad: 270,000 km/s. Causan daños a los tejidos produciendo quemaduras y cáncer en la piel. Son de naturaleza corpuscular (tienen masa) desintegración de un n°.

Radiación Beta Positiva (β⁺)

Emisión espontánea de positrones de un núcleo debido a la desintegración de un protón. Ecuación nuclear: ⁵⁸₂₇Co → e⁺(β) + ⁵⁸₂₆Fe.

Radiación Gamma (γ)

Emisión espontánea de energía que el átomo tiene disponible para que un electrón regrese a su estado basal. No hay cambio en la composición del núcleo. Ecuación: ²²⁶₈₈Ra → γ + ²²⁶₈₈Ra. Velocidad de la luz y longitud de onda de 1 pm. Causan quemaduras internas y mutación de genes. Generalmente acompaña a las radiaciones alfa y beta.

Radiactividad Artificial

Reacción nuclear de descomposición por un isótopo previamente preparado. En 1934, Irène Curie y Frédéric Joliot (Francia) ganaron un Premio Nobel por producir y estudiar la radiactividad inducida. Descubrieron la emisión de neutrones en el proceso de fisión. Ecuación: ²³⁵₉₂U + ¹n° → ⁹⁰₃₈Sr + ¹⁴³₅₄Xe + 3n°.

Fisión Nuclear

Reacción de fragmentación de un núcleo pesado por el bombardeo de un neutrón para obtener dos núcleos, neutrones y alta energía. Reacción en cadena.

Fusión Nuclear

Reacción en donde se fusionan dos núcleos poco densos a altas temperaturas, liberando una gran cantidad de energía. Ecuación nuclear del sol: ²₁H + ²₁H → ⁴₂He + ¹n°.

Producción de uranio: ⁹¹₃₆Kr + ¹⁴²₅₆Ba → ²³²₉₂U + ¹n° α siempre lleva ⁴₂α.

Números Cuánticos

Son los estados de energía que puede ocupar un electrón en un átomo. Cada electrón tiene 4 números cuánticos que describen su posición en el espacio. En 1923, Erwin Schrödinger (Austria) desarrolló ecuaciones matemáticas para demostrar la mecánica cuántica, describiendo las órbitas de un átomo: Ψ.H = Ψ.E.

Principio de incertidumbre (1927): Werner Heisenberg (Alemania) desarrolló el principio de incertidumbre ante la dificultad de expresar en lenguaje matemático la relación entre la posición del electrón y su momento lineal: "No se puede conocer simultáneamente la posición exacta del electrón y el valor exacto de su momento". ΔXΔρ ≥ h/2 (ΔX = incertidumbre de la posición del electrón, Δρ = momento del electrón).

Teoría Cuántica

Es una descripción de las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. En la década de 1920 se presenta el desarrollo de esta teoría. Maxwell, Hertz, Planck, Einstein, Bohr y De Broglie contribuyen de manera indirecta. Mecánica clásica (s. XVI a s. XIX), teoría ondulatoria (s. XVII a 1898), teoría cuántica (1900), modelo estándar (1969).

Número Cuántico Principal (n)

Identifica en qué nivel de energía está el electrón. n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Bohr contribuye con el descubrimiento de los niveles principales.

Número Cuántico Azimutal (l)

Indica en qué clase de subnivel de energía está el electrón y especifica la forma de los orbitales de un subnivel. El valor de l depende de n, desde 0 hasta n-1. Si n = 1, 2, 3, 4, entonces l = 0, 1, 2, 3 (orbital = s, p, d, f). Sommerfeld contribuye con su modelo atómico para darle forma a los orbitales elípticos. s = sharp, p = principal, d = diffuse, f = fundamental.

Número Cuántico Magnético (m)

Determina la orientación específica de los orbitales en el espacio con respecto al núcleo. El valor de m depende de l, desde -l hasta +l pasando por cero. Stern y Gerlach contribuyeron con un experimento para comprobar la orientación magnética de los orbitales.

Número Cuántico Spin (s)

Describe las dos formas en las que un electrón puede orientarse con respecto a un campo magnético. Todos los valores son +½ o -½. Dirac contribuye con las ecuaciones que describen el momento angular de los electrones.

Resumen de Números Cuánticos

• n = Principal (valores: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)
• l = Azimutal (valores: s=0, p=1, d=2, f=3)
• m = Magnético (valores: -1, -2, -3, 0, +1, +2, +3)
• s = Spin (valores: +½, -½)