Plátanos y radiactividad

¿Qué tienen que ver los plátanos y la radiactividad? Bueno, un plátano es una fruta que se cultiva en Canarias además de en otros muchos lugares del mundo y la radiactividad es un fenómeno que consiste en la transformación espontánea de un núcleo (sobre núcleos ya hablamos en la entrada «El núcleo y sus modelos») que conduce a un cambio en su composición o en su energía interna mediante la emisión de partículas o radiación electromagnética. Hasta aquí no parece que tengan mucho que ver. Pero, entonces, ¿por qué empezamos esta entrada con la fotografía de un plátano? Pues porque los plátanos son radiactivos.

Sí, el plátano que te has comido a media mañana o para acabar el almuerzo emite radiación. Antes y después de entrar en tu estómago. De hecho, se han inventado conceptos como «dosis equivalente a un plátano» que, en casos de fugas radiactivas, son utilizados para explicar el nivel de radiación a la población. Pero no hay que preocuparse. En nuestro planeta existen de manera natural los emisores radiactivos, nosotros también emitimos radiación e incluso el agua o la cerveza que nos bebemos. Y, ahora que vemos radiación por «everywhere», intentemos explicar con un poco más de detalle los tipos más frecuentes de desintegraciones nucleares, las conocidas desintegraciones α, β y γ, así como la fisión y la emisión de nucleones.

Desintegración Alfa

Como vemos en la imagen, la desintegración alfa consiste en la emisión de núcleos de Helio (las llamadas partículas α) por núcleos pesados. Hemos puesto el ejemplo del Uranio que emite una partícula alfa, disminuyendo su número de nucleones en cuatro (dos protones y dos neutrones) y transmutando en Torio.

En los núcleos la repulsión electrostática va aumentando a medida que el número de protones se va haciendo mayor. En los átomos con Z>82 la repulsión coulombiana empieza a ser capaz de romper la estabilidad nuclear. Y entonces, para determinados núcleos, ocurre la desintegración alfa. El motivo de que la partícula emitida sea un núcleo de helio en vez de cualquier otra partícula tiene que ver con la enorme energía de enlace que poseen dichas partículas.

Este tipo de desintegración es una prueba del conocido «efecto túnel». Hablemos un poco de qué es esto. En principio, tenemos nuestra partícula en un pozo de potencial, debido al núcleo, como el siguiente:

La partícula tiene una energía positiva pero no suficiente para traspasar la barrera de potencial desde el punto de vista clásico. Debería, por tanto, quedarse confinada en el núcleo. Sin embargo, se observa experimentalmente que escapa. Lo que ocurre es que este fenómeno no puede estudiarse clásicamente. La física cuántica nos dice que la partícula α sí puede abandonar el núcleo porque su función de onda tiene una expresión tal que la probabilidad de encontrar a la partícula fuera del pozo no es cero. Por tanto, lo que tenemos en el caso de la desintegración α es una prueba del llamado «efecto túnel».

Desintegración Beta

La desintegración beta comprende tres procesos nucleares. En uno de ellos se emiten electrones, en otro positrones y en el tercero se produce la captura de un electrón por parte de núcleos alejados de la línea de estabilidad. En un momento explicaremos qué es esta línea.

En la figura anterior aparecen los casos del Carbono 14 y del Nitrógeno 13 como ejemplos de desintegraciones y respectivamente .

La línea de la estabiliddad es algo que aparece cuando representamos gráficamente en tres dimensiones, para núcleos, el número neutrónico frente al número atómico y, en el tercer eje, la masa. En dos dimensiones, al representar N frente a Z tenemos lo siguiente:

Observamos que los núcleos estables se encuentran en la zona en la que Z≅N para A<40. A partir de A∼40 el cociente N/Z va aumentando poco a poco, hasta alcanzar valores de N/Z∼1,56.

El proceso de desintegración beta es una interacción débil en el que uno de los nucleones que se encuentra en exceso (neutrón o protón) se transforma en el otro, emitiendo un electrón, o un positrón de forma que se conserve la carga eléctrica. En el caso de la captura electrónica un protón del núcleo captura un electrón dejando un hueco en la estructura electrónica. Este hueco es llenado inmediatamente por otro electrón y habrá emisión de radiación electromagnética (rayos X) procedente de la corteza atómica.

En todos los casos aparece un neutrino, o su antipartícula, para cumplir con la conservación de la energía y el momento angular total. De hecho, la existencia de esta partícula se postuló en los años 30 para hacer cumplir con el principio de consevación de la energía, porque sin ella, no era posible. Lo que ocurría era que el espectro energético de los electrones emitidos en la desintegración era contínuo, con energías que iban desde cero hasta un cierto valor máximo. Pero sin neutrinos, para cumplir con la conservación de la energía tendría que ocurrir que el electrón fuese emitido siempre con la misma energía. Ya que eso no pasaba, había que buscar soluciones. Se llegó a proponer que la energía no tenía que conservarse, pero posteriormente, Pauli propuso que en la desintegración era emitida además, una partícula neutra (recordemos que la carga sí se conservaba) aunque dicha partícula no se hubiese detectado aún. No fue hasta los años 50 cuando por fin, se produjo su descubrimiento.

En la entrada Neutrino history, what’s NEXT? – ¿Neutrinos? están explicados con más detalles estos conceptos.

En la mayoría de los casos, el núcleo que tenemos tras la desintegración queda en un estado excitado, que no es el estado en que quizás algunos estáis pensando, sino un estado energético que no es el más bajo posible. En esos casos lo que ocurre es que, a continuación, tiene lugar una desintegración gamma que deja al núcleo en un estado de menor energía. Si este estado es el de menor energía posible hablaríamos entonces de estado fundamental.

Si no hay desintegración gamma posterior, al núcleo se le llama emisor beta puro.

Desintegración Gamma

Los núcleos pueden presentar distintos estados cuánticos con valores de energía discretos. Cuando el núcleo se encuentra en un nivel de energía excitado, como acabamos de contar, puede pasar a un nivel de menor energía emitiendo fotones de una cierta frecuencia. A esta radiación se la llama radiación gamma. Es decir, el núcleo no cambia su composición sino que los nucleones que lo forman experimentan una transición entre dos niveles energéticos, algo parecido a las desexcitaciones de electrones en átomos.

Y, ¿por qué estaría un núcleo en un estado excitado? Pues, por ejemplo, porque sea un núcleo resultante de una desintegración alfa o beta o de una reacción nuclear.

La radiación gamma es, por tanto, una radiación de naturaleza electromagnética de alta frecuencia, alta energía y muy penetrante, bastante más que las radiaciones alfa y beta, como vemos en la siguiente imagen:

Los fotones de las desintegraciones nucleares tienen energías del orden de veces la de los fotones del espectro visible emitidos por átomos excitados. Es, por tanto, una radiación ionizante.

Los núcleos también pueden desexcitarse por otros procesos, aunque son menos probables. Uno de ellos es la conversión interna. En este caso el exceso de energía se cede a un electrón de la corteza atómica, que sale «disparado» del átomo.

Como mencionamos al principio, existen más tipos de desintegraciones nucleares. Una de ellas es la fisión espontánea. Este tipo de desintegración tiene lugar en núcleos con número másico elevado debido a las fuerzas de repulsión eléctricas, suele ocurrir en elementos con número atómico superior al del Uranio (transuránidos) y es uno de los motivos por los que no pueden existir núcleos estables con un número másico muy grande.

Esta entrada está llegando a su fin y aún no hemos visto ninguna ecuación. Vamos a poner remedio a esto, inmediatamente, con la fórmula matemática para la desintegración radiactiva.

Supongamos que tenemos N átomos de una sustancia radiactiva y queremos saber cómo varía, con el tiempo, su número. Pues resulta que el número de núcleos que se desintegran por unidad de tiempo es proporcional al número de núcleos que tenemos. Luego podemos escribir la siguiente ecuación:

donde λ es la constante de desintegración que es una característica de cada isótopo y no depende de condiciones externas. Resolviendo obtenemos la expresión que aparece en la parte inferior de la imagen, la llamada ley de desintegración radiactiva. Como vemos, el comportamiento es exponencial.

Se definen también magnitudes como el periodo de semidesintegración (tiempo en el que el número de núcleos se ha reducido a la mitad) o la vida media (tiempo en el que el número de núcleos se ha reducido en un factor e o valor medio del tiempo que tarda un conjunto de núcleos en desintegrarse).

Vamos a dejarlo aquí, por ahora, pero la historia continuará.

¡Hasta pronto!