Fundamentos de Estructura Atómica y Radioactividad Nuclear

Conceptos Atómicos Fundamentales

Número Atómico (Z): Representa la cantidad de protones en el núcleo de un átomo. Si el átomo es eléctricamente neutro, tendrá el mismo número de protones que de electrones. Se representa como subíndice: _ZX.

Número Másico (A): Es la suma total de protones y neutrones presentes en el núcleo atómico.

Clasificación de Átomos

• Isótopos: Átomos del mismo elemento químico que tienen el mismo número atómico (Z) pero diferente número másico (A), es decir, igual número de protones pero diferente número de neutrones. Ejemplo: ¹²C₆ y ¹⁴C₆.
• Isóbaros: Átomos de elementos diferentes que poseen el mismo número másico (A) pero diferente número atómico (Z). Ejemplo: ¹⁴C₆ y ¹⁴N₇.
• Isótonos: Átomos de elementos diferentes que tienen el mismo número de neutrones (N = A - Z).
• Átomos Isoelectrónicos: Átomos o iones que poseen la misma cantidad de electrones.

Radioactividad

La radioactividad fue descubierta por Antoine Henri Becquerel mientras estudiaba un mineral de Uranio (pechblenda). Observó que el mineral emitía una especie de fosforescencia (radiación) sin que hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que este mineral emitía radiación capaz de velar una placa fotográfica protegida de la luz. Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y, en sus experimentos iniciales, no pudo desviarlos fácilmente con los campos electromagnéticos externos disponibles en la época, aunque posteriormente se demostró que parte de esta radiación sí podía ser desviada.

Estabilidad Nuclear

El fenómeno de la radioactividad es estrictamente nuclear; se trata de la desintegración espontánea del núcleo atómico. La estabilidad nuclear depende del equilibrio entre las fuerzas de repulsión eléctrica entre los protones (cargas positivas) y la fuerza nuclear fuerte (atractiva), que actúa entre todos los nucleones (protones y neutrones) del núcleo.

La relación entre el número de neutrones (N) y el número de protones (Z) es, por lo tanto, clave para la estabilidad del núcleo. Los átomos estables con número atómico bajo (Z ≤ 20) suelen poseer una relación N/Z cercana a 1 (aproximadamente un neutrón por cada protón). A medida que Z aumenta, se necesitan más neutrones para mantener la estabilidad (N/Z > 1).

Radiactividad Nuclear

Los núcleos correspondientes a átomos con número atómico superior a 83 (Bismuto) son inherentemente inestables y tienden a desintegrarse espontáneamente, fragmentándose en otros núcleos más ligeros. Este proceso se conoce como desintegración nuclear o reacción nuclear espontánea. La energía liberada en una reacción nuclear se manifiesta en forma combinada de energía cinética de las partículas emitidas y radiación electromagnética (fotones). Este fenómeno global se denomina radioactividad.

Velocidad de Desintegración Radiactiva

La desintegración radiactiva sigue una cinética de primer orden. La velocidad de desintegración (V) es proporcional al número de núcleos radiactivos presentes (N) o a la concentración del radionúclido ([A]):

V = - d[A] / dt = k [A]

Donde:

• V es la velocidad de desintegración.
• d[A]/dt es la variación de la concentración del radionúclido A con el tiempo t.
• k es la constante de desintegración radiactiva (unidades de tiempo^-1, como s^-1).
• [A] es la concentración del radionúclido en el tiempo t.

La ley integrada de velocidad para una desintegración de primer orden es:

ln([A]₀ / [A]) = k * t

O también:

ln[A] = ln[A]₀ - k * t

Donde:

• [A]₀ es la concentración inicial del radionúclido (en t=0).
• [A] es la concentración en el tiempo t.

Procesos de Desintegración

Existen dos tipos principales de radiactividad:

• Radiactividad Natural: Se produce espontáneamente cuando el núcleo de un elemento es inestable y emite radiaciones para alcanzar un estado más estable.
• Radiactividad Artificial (o Inducida): Ocurre cuando un núcleo estable se bombardea con partículas subatómicas (como neutrones) o colisiona con otros núcleos, volviéndose inestable y, posteriormente, desintegrándose.

Emisiones Radioactivas Principales

1. Emisión Alfa (α)

   Corresponde a la emisión de partículas alfa (⁴He₂²⁺), que son núcleos de helio (2 protones y 2 neutrones). Tienen carga positiva (+2) y 4 unidades de masa atómica. Poseen bajo poder de penetración (pueden ser detenidas por una hoja de papel) pero una gran capacidad ionizante.

2. Emisión Beta (β^-)

   Consiste en la emisión de electrones de alta energía (⁰e_-1 o β^-) que se originan en el núcleo por la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón (n → p⁺ + e^- + ν̅_e, donde ν̅_e es un antineutrino electrónico). Estas partículas tienen carga negativa (-1) y viajan a gran velocidad. Son más penetrantes que las partículas alfa (pueden atravesar algunos milímetros de metal) pero menos ionizantes.

3. Emisión Gamma (γ)

   Corresponde a radiación electromagnética de muy alta energía (fotones de alta frecuencia) y, por lo tanto, no poseen masa ni carga. La emisión gamma a menudo acompaña a las desintegraciones alfa o beta, ocurriendo cuando un núcleo hijo queda en un estado excitado y libera el exceso de energía en forma de fotones gamma para alcanzar su estado fundamental. No implica transmutación (cambio de elemento), ya que Z y A no cambian. Tiene un alto poder de penetración (requiere materiales densos como plomo o concreto para detenerla).

4. Emisión de Positrones (β⁺)

   Se produce cuando un protón dentro del núcleo se transforma en un neutrón, emitiendo un positrón (⁰e₊₁ o β⁺, la antipartícula del electrón) y un neutrino electrónico (p⁺ → n + e⁺ + ν_e). Esto ocurre en núcleos ricos en protones. Implica transmutación, ya que el número atómico (Z) disminuye en una unidad mientras el número másico (A) permanece constante.

5. Captura Electrónica (CE)

   Se produce cuando un electrón de una capa interna del átomo (generalmente la capa K) es capturado por el núcleo. Este electrón se combina con un protón para formar un neutrón y emitir un neutrino electrónico (p⁺ + e^- → n + ν_e). Al igual que la emisión de positrones, ocurre en núcleos ricos en protones y resulta en una disminución de Z en una unidad, manteniendo A constante (hay transmutación).

Resumen de Partículas Comunes:

• Partícula Alfa: ⁴α₂ o ⁴He₂
• Partícula Beta (electrón): ⁰β_-1 o ⁰e_-1
• Positrón: ⁰β₊₁ o ⁰e₊₁
• Protón: ¹p₁ o ¹H₁
• Neutrón: ¹n₀
• Radiación Gamma: γ (sin masa ni carga)

Otros Procesos Nucleares Relevantes

Fisión Nuclear

Es un proceso en el cual un núcleo atómico pesado (como el Uranio-235 o Plutonio-239) se divide en dos o más núcleos más ligeros al ser bombardeado generalmente por neutrones. Este proceso libera una gran cantidad de energía, neutrones adicionales (que pueden causar una reacción en cadena) y radiación. Ejemplos de aplicación son las bombas atómicas y los reactores nucleares para generación de energía.

Fusión Nuclear

Es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros (como isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio) se unen para formar un núcleo más pesado. Este proceso libera cantidades de energía aún mayores que la fisión. Es el proceso principal que ocurre en el Sol y otras estrellas. Reproducir la fusión de manera controlada en la Tierra requiere temperaturas extremadamente altas (millones de grados Celsius), lo cual presenta grandes desafíos tecnológicos.

Vida Media (t_1/2)

La vida media (o período de semidesintegración) de un elemento radiactivo es el tiempo necesario para que la mitad de la cantidad inicial de núcleos radiactivos en una muestra se desintegre. Es una característica constante para cada isótopo radiactivo y está relacionada con la constante de desintegración (k) por la fórmula:

t_1/2 = ln(2) / k ≈ 0.693 / k

La cinética de desintegración radiactiva es de primer orden.