17.1: Isótopos radiactivos

Recordemos que un átomo es el componente más pequeño de un elemento que conserva todas las propiedades químicas de ese elemento (ver Materia). Como se discutió anteriormente, los átomos contienen neutrones no cargados y protones cargados positivamente en el núcleo. Los electrones cargados negativamente rodean el núcleo. La masa atómica de un átomo está determinada por el número de protones y neutrones porque la masa de electrones es insignificante. Cada protón o neutrón pesa 1 unidad de masa atómica (UMA). Los valores de masa atómica mostrados en la tabla periódica de elementos no son números enteros porque representan la masa atómica promedio para los átomos de ese elemento (figura\(\PageIndex{a}\)). Los átomos del mismo elemento no necesariamente tienen la misma masa porque pueden diferir en el número de neutrones.

Figura\(\PageIndex{a}\): El número entero en cada celda de la tabla periódica es el número atómico, o número de protones (1 para hidrógeno y 92 para uranio). También se muestra el número de masa atómica, que es el número promedio de protones y neutrones (1.01 para hidrógeno y 238.03 para uranio). Imágenes recortadas y etiquetadas del Centro Nacional de Información Biotecnológica (dominio público).

Los isótopos son diferentes formas del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, potasio y uranio, tienen isótopos naturales. El carbono-12, el isótopo más común del carbono, contiene seis protones y seis neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 12 (seis protones y seis neutrones) y un número atómico de 6 (lo que lo convierte en carbono). El Carbono-14 contiene seis protones y ocho neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 14 (seis protones y ocho neutrones) y un número atómico de 6, lo que significa que sigue siendo el elemento carbono. Estas dos formas alternas de carbono son isótopos. Algunos isótopos son inestables y emiten radiación en forma de partículas y energía para formar elementos más estables. Algunas formas de radiación son peligrosas. Estos se denominan isótopos radiactivos o radioisótopos (figura\(\PageIndex{b}\)). Durante la desintegración radiactiva, un tipo de átomo puede transformarse en otro tipo de átomo de esta manera (figura\(\PageIndex{c}\)).

Figura\(\PageIndex{b}\): Isótopos de hidrógeno. Todos estos átomos tienen un protón (círculo rosa etiquetado como “p ⁺ “), pero el protio no tiene neutrones, el deuterio tiene un neutrón (círculo naranja etiquetado como “n”) y el tritio tiene dos neutrones. El protón y el neutrón o neutrones se localizan en el centro del átomo (el núcleo). Un electrón (círculo azul etiquetado como “e ^- “) gira alrededor de cada núcleo de átomo. Imagen del Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos/Departamento de Energía de Estados Unidos Programa de Isótopos (dominio público).

Figura\(\PageIndex{c}\): Un isótopo radiactivo de carbono (carbono-14) tiene seis protones y ocho neutrones. Se descompone a un isótopo estable de nitrógeno (nitrógeno-14), que tiene siete protones y siete neutrones. La desintegración radiactiva libera radiación. (El tipo particular de radiación que se produce en este ejemplo se denomina desintegración beta menos, β-.) El carbono-14 se descompone a un ritmo predecible, con la mitad de su descomposición cada 5730 años. Porque el carbono es abundante en los organismos, esta tasa de desintegración predecible se usa comúnmente para fechar fósiles. Imagen de CDC (dominio público).

Half-Life

La vida media es la cantidad de tiempo que tarda la mitad del isótopo radiactivo original en descomponerse (figura\(\PageIndex{d}\)). Por ejemplo, la vida media del uranio-238 es de unos 4.5 mil millones de años. Después de 4.5 mil millones de años, sólo quedará la mitad (50%) de la cantidad original de uranio-238. El resto habrá descompuesto a torio-234 (que también es radiactivo y rápidamente se descompone en una serie de isótopos radiactivos, hasta que finalmente se convierte en plomo-206, que es estable; cifra\(\PageIndex{e-f}\)). Después de dos vidas medias (9 mil millones de años), solo quedaría la mitad del 50% (25% del original). Después de tres semividas, sólo quedaría 12.5% del uranio-238 original.

Figura\(\PageIndex{d}\): Después de cada semivida, el 50% de un isótopo radiactivo se descompone. Después de una vida media, queda 50% (1/2; 0.5) de un isótopo radiactivo. Después de dos semividas, solo queda 25% del isótopo radiactivo original. Después de tres semividas, es 12.5%; cuatro semividas = 6.25%; cinco semividas = 3.125%. Imagen de Fraknoi, Morrison y Wolff/OpenStax (CC-BY). Accede gratis en openstax.org.

Figura\(\PageIndex{e}\): Cuando el uranio-238 inestable decae, emite una partícula alfa (α), que es dos protones y dos neutrones. Esto lo convierte en un nuevo elemento (torio-234). Imagen de OpenStax (CC-BY). Descárgala gratis en openstaxcollege.org.

Figura\(\PageIndex{f}\): La cadena de desintegración del uranio-238. Cada masa de isótopos, número atómico y semivivo se enumera en orden, a la derecha del símbolo atómico. Cada flecha está etiquetada con el tipo de radiación liberada: radiación alfa (α), que es dos protones y dos neutrones, o radiación beta (β), que es un electrón de alta energía. La descomposición continúa desde el uranio hasta que termina en un isótopo estable (no radiactivo), el plomo (Pb-206). Imagen de Tosaka (CC-BY).

Evolución en acción: Datación por carbono

El carbono-14 (¹⁴ C) es un radioisótopo natural que es creado en la atmósfera por los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo, por lo que siempre se está creando más ¹⁴ C. A medida que se desarrolla un organismo vivo, el nivel relativo de ¹⁴ C en su cuerpo es igual a la concentración de 14C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no está ingiriendo ¹⁴ C, por lo que la proporción disminuirá. ¹⁴ C decae a ¹⁴ N por un proceso llamado decaimiento beta; emite energía en este proceso lento (figura\(\PageIndex{c}\)). Después de aproximadamente 5,730 años, solo la mitad de la concentración inicial de ¹⁴ C habrá sido convertida a ¹⁴ N. El tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en desintegrarse a su forma más estable se llama su vida media.

Debido a que la vida media de ¹⁴ C es larga, se utiliza para envejecer objetos anteriormente vivos, como los fósiles. Utilizando la relación entre la concentración de ¹⁴ C que se encuentra en un objeto y la cantidad de ¹⁴ C detectada en la atmósfera, se puede determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha descompuesto. Con base en esta cantidad, la edad del fósil se puede calcular en aproximadamente 50,000 años (figura\(\PageIndex{g}\) a continuación). Los isótopos con vidas medias más largas, como el potasio-40, se utilizan para calcular las edades de los fósiles más antiguos. Mediante el uso de la datación por carbono, los científicos pueden reconstruir la ecología y biogeografía de organismos que viven en los últimos 50,000 años.

Figura\(\PageIndex{g}\): La edad de los restos que contienen carbono y tienen menos de aproximadamente 50,000 años, como este mamut pigmeo, se puede determinar utilizando la datación por carbono. (crédito: Bill Faulkner/ NPS)

Reacciones de fisión nuclear

Las reacciones de fisión nuclear son aquellas que implican dividir el núcleo de un átomo (figura\(\PageIndex{h}\)). Pueden ser inducidos por voladura de elementos radiactivos con neutrones. Como ocurre con la desintegración radiactiva natural, las reacciones de fisión nuclear inducidas liberan energía La energía térmica liberada cuando la fisión nuclear puede ser utilizada para generar electricidad. Esta es la base de la energía nuclear. Actualmente, el uranio-235 (²³⁵ U; un isótopo de uranio con una masa atómica de 235) se utiliza actualmente como combustible para reacciones de fisión nuclear (figura\(\PageIndex{h}\)).

Figura\(\PageIndex{h}\): La fisión y fusión nuclear son procesos físicos que producen energía a partir de átomos. La fisión nuclear implica dividir el núcleo de un átomo, pero la fusión nuclear implica combinar núcleos más pequeños en uno más grande. Imagen de Sarah Harmann/Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público).

Figura\(\PageIndex{i}\): La fisión de ^{uranio-235 (235} U) puede inducirse bombardeándolo con un neutrón. Esto produce U-236, que es inestable y se divide en fragmentos de fisión y neutrones adicionales. Como resultado se libera energía. Las esferas rojas son neutrones, y las esferas azules son protones. Imagen de BC Open Textbooks (CC-BY).

Atribución

Modificado por Melissa Ha de Materia de Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)