19.1: Preludio a la Química Nuclear

En nuestra discusión sobre Radiación describimos las bases experimentales para la idea de que cada átomo tiene un núcleo pequeño y muy masivo que contiene protones y neutrones. Alrededor del núcleo hay uno o más electrones que ocupan la mayor parte del volumen del átomo pero que solo hacen una pequeña contribución a su masa. Los electrones (especialmente los electrones de valencia) son las únicas partículas subatómicas que están involucradas en los cambios químicos ordinarios, y hemos pasado un tiempo considerable describiendo los reordenamientos que sufren cuando los átomos y las moléculas se combinan. Sin embargo, es posible otra categoría de reacciones en las que cambian las estructuras de los núcleos atómicos. En tales reacciones nucleares la estructura electrónica es incidental; nos interesa principalmente cómo se organizan los protones y neutrones antes y después de la reacción. Las reacciones nucleares están involucradas en la transmutación de un elemento a otro y en la radiactividad natural. En estas secciones consideramos las reacciones nucleares con más detalle, explorando sus aplicaciones a la energía nuclear, al estudio de los mecanismos de reacción, al análisis cualitativo y cuantitativo, y a la estimación de las edades de objetos tan diferentes como los rollos del Mar Muerto y las rocas de la luna.

Las reacciones nucleares implican reordenamientos de los protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos. Durante las reacciones nucleares naturales se emiten partículas α, partículas β y rayos γ, a menudo en una serie radiactiva de reacciones sucesivas. Las reacciones nucleares también pueden inducirse bombardeando núcleos con iones o neutrones positivos. Los isótopos artificiales producidos de esta manera pueden descomponerse por emisión de positrones o captura de electrones, así como por emisión α, β o γ. La estabilidad de los núcleos depende de la relación neutrón/protón (generalmente entre 1 y 1.6) y los números mágicos de protones y neutrones.

La desintegración radiactiva obedece a una ley de tasa de primer orden, y su tasa a menudo se informa en términos de vida media, el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos radiactivos se descompongan. Vidas medias conocidas de isótopos como\({}_{\text{6}}^{\text{14}}\text{C}\) y\({}_{\text{92}}^{\text{238}}\text{U}\) pueden usarse para establecer las edades de los objetos que contienen estos elementos, siempre que se puedan realizar mediciones precisas de la cantidad de radiación emitida. Los contadores Geiger-Müller o los contadores de centelleo se utilizan a menudo para tales mediciones. Otras aplicaciones importantes de los isótopos radiactivos incluyen estudios de trazadores, donde un tipo particular de átomo puede ser marcado y seguido a lo largo de una reacción, y análisis de activación de neutrones, que pueden determinar concentraciones extremadamente bajas de muchos elementos.

La estabilidad relativa de un núcleo viene dada por la energía de formación por partícula nuclear. Esto puede determinarse a partir de la diferencia entre la masa molar del núcleo y la suma de las masas molares de sus protones y neutrones constituyentes. Tanto la fisión, la ruptura de un núcleo pesado, como la fusión, la combinación de dos núcleos ligeros, pueden dar como resultado la liberación de energía. La fisión suele implicar\({}_{\text{92}}^{\text{238}}\text{U}\) o,\({}_{\text{94}}^{\text{239}}\text{Pu}\) y estos isótopos han sido utilizados en explosivos nucleares y plantas de energía nuclear. Los productos de fisión son altamente radiactivos. Debido al considerable daño causado al tejido vivo por la capacidad de la radiación α, β y γ para romper enlaces y formar iones, la emisión de materiales radiactivos debe controlarse cuidadosamente y las plantas de energía de fisión son bastante costosas de construir. Aunque promete cantidades mucho mayores de energía libre y menos subproductos dañinos que la fisión, aún no se ha demostrado que la fusión nuclear sea factible para su uso en centrales eléctricas. Hasta el momento su única aplicación ha sido en bombas de hidrógeno.