2.3: Átomos, Isótopos, Iones y Moléculas - Isótopos
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¿Qué es un isótopo?
Los isótopos son diversas formas de un elemento que tienen el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen múltiples isótopos naturales. Los isótopos se definen primero por su elemento y luego por la suma de los protones y neutrones presentes.
- El carbono-12 (o 12 C) contiene seis protones, seis neutrones y seis electrones; por lo tanto, tiene un número de masa de 12 amu (seis protones y seis neutrones).
- El carbono-14 (o 14 C) contiene seis protones, ocho neutrones y seis electrones; su masa atómica es de 14 amu (seis protones y ocho neutrones).
Si bien la masa de los isótopos individuales es diferente, sus propiedades físicas y químicas permanecen en su mayoría sin cambios.
Los isótopos difieren en su estabilidad. El carbono-12 (12 C) es el isótopo de carbono más abundante, representando 98.89% del carbono en la Tierra. El carbono-14 (14 C) es inestable y solo ocurre en cantidades traza. Los isótopos inestables suelen emitir partículas alfa (He 2+) y electrones. También se pueden emitir neutrones, protones y positrones y se pueden capturar electrones para lograr una configuración atómica más estable (menor nivel de energía potencial) a través de un proceso llamado desintegración radiactiva. Los nuevos átomos creados pueden estar en un estado de alta energía y emitir rayos gamma que disminuyen la energía pero por sí solos no cambian el átomo en otro isótopo. Estos átomos se denominan isótopos radiactivos o radioisótopos.
Datación por radiocarbono
El carbono normalmente está presente en la atmósfera en forma de compuestos gaseosos como el dióxido de carbono y el metano. El carbono-14 (14 C) es un radioisótopo de origen natural que se crea a partir de 14 N atmosférico (nitrógeno) por la adición de un neutrón y la pérdida de un protón, la cual es causada por los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo por lo que siempre se está creando más 14 C en la atmósfera. Una vez producido, el 14 C a menudo se combina con el oxígeno en la atmósfera para formar dióxido de carbono. El dióxido de carbono producido de esta manera se difunde en la atmósfera, se disuelve en el océano y es incorporado por las plantas a través de la fotosíntesis. Los animales comen las plantas y, en última instancia, el radiocarbono se distribuye por toda la biosfera.
En los organismos vivos, la cantidad relativa de 14 C en su cuerpo es aproximadamente igual a la concentración de 14 C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no está ingiriendo 14 C, por lo que la relación entre 14 C y 12 C disminuirá a medida que 14 C decae gradualmente de nuevo a 14 N. Este lento proceso, que se denomina decaimiento beta, libera energía a través de la emisión de electrones desde el núcleo o positrones.
Después de aproximadamente 5,730 años, la mitad de la concentración inicial de 14 C se habrá vuelto a convertir a 14 N. Esto se conoce como su vida media, o el tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en descomponerse de nuevo a su forma más estable. Debido a que la vida media de 14 C es larga, se utiliza para fechar objetos antiguos vivos como huesos viejos o madera. Al comparar la relación entre la concentración de 14 C que se encuentra en un objeto y la cantidad de 14 C en la atmósfera, se puede determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha descompuesto. Sobre la base de esta cantidad, la edad del material se puede calcular con precisión, siempre y cuando se cree que el material tiene menos de 50,000 años de antigüedad. Esta técnica se llama datación por radiocarbono, o datación por carbono para abreviar.
Otros elementos tienen isótopos con diferentes vidas medias. Por ejemplo, 40 K (potasio-40) tiene una vida media de 1.25 mil millones de años, y 235 U (uranio-235) tiene una vida media de alrededor de 700 millones de años. Los científicos suelen utilizar estos otros elementos radiactivos para fechar objetos que tienen más de 50,000 años (el límite de la datación por carbono). Mediante el uso de la datación radiométrica, los científicos pueden estudiar la edad de los fósiles u otros restos de organismos extintos.
Puntos Clave
- Los isótopos son átomos del mismo elemento que contienen un número idéntico de protones, pero un número diferente de neutrones.
- A pesar de tener diferentes números de neutrones, los isótopos del mismo elemento tienen propiedades físicas muy similares.
- Algunos isótopos son inestables y sufrirán desintegración radiactiva para convertirse en otros elementos.
- La vida media predecible de diferentes isótopos en descomposición permite a los científicos fechar material en función de su composición isotópica., como con la datación por carbono 14.
Términos Clave
- isótopo: Cualquiera de dos o más formas de un elemento donde los átomos tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones dentro de sus núcleos.
- vida media: El tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en descomponerse de nuevo a su forma más estable.
- isótopos radiactivos: un átomo con un núcleo inestable, caracterizado por el exceso de energía disponible que sufre desintegración radiactiva y crea más comúnmente rayos gamma, partículas alfa o beta.
- datación por radiocarbono: Determinar la edad de un objeto comparando la relación de la concentración de 14C que se encuentra en él con la cantidad de 14C en la atmósfera.