15.2: Radiactividad
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- Definir y dar ejemplos de los principales tipos de radiactividad.
Vimos en el Capítulo 3 que los átomos están compuestos por partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones se localizan en el núcleo y proporcionan la mayor parte de la masa de un átomo, mientras que los electrones encierran el núcleo en conchas y subcáscaras y representan el tamaño de un átomo.
En el capítulo 2, también introdujimos la notación para representar sucintamente un isótopo de un átomo en particular:
\[_{6}^{12}\textrm{C}\nonumber \]
El elemento en este ejemplo, representado por el símbolo C, es carbono. Su número atómico, 6, es el subíndice junto al símbolo y es el número de protones en el átomo. El número de masa, el superíndice junto al símbolo, es la suma del número de protones y neutrones en el núcleo de este isótopo en particular. En este caso, el número de masa es 12, lo que significa que el número de neutrones en el átomo es 12 − 6 = 6 (es decir, el número de masa del átomo menos el número de protones en el núcleo es igual al número de neuronas). Ocasionalmente, el número atómico se omite en esta notación porque el símbolo del elemento mismo transmite su número atómico característico. A los dos isótopos de hidrógeno, 2 H y 3 H, se les dan sus propios nombres y símbolos: deuterio (D) y tritio (T), respectivamente.
La teoría atómica en el siglo XIX presumió que los núcleos tenían composiciones fijas. Pero en 1896, el científico francés Henri Becquerel encontró que un compuesto de uranio colocado cerca de una placa fotográfica hacía una imagen en la placa, aunque el compuesto estuviera envuelto en tela negra. Razonó que el compuesto de uranio estaba emitiendo algún tipo de radiación que pasaba por la tela para exponer la placa fotográfica. Investigaciones posteriores mostraron que la radiación era una combinación de partículas y rayos electromagnéticos, siendo su fuente última el núcleo atómico. Estas emanaciones se denominaron en última instancia, colectivamente, radiactividad.
Existen tres formas principales de emisiones radiactivas. La primera se llama partícula alfa, que se simboliza con la letra griega α. Una partícula alfa está compuesta por 2 protones y 2 neutrones y es lo mismo que un núcleo de helio. A menudo usamos:
\[_{2}^{4}\textrm{He}\nonumber \]
para representar una partícula alfa. Tiene una carga 2+. Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, el número atómico del átomo original disminuye en 2 (debido a la pérdida de 2 protones), y su número de masa disminuye en 4 (debido a la pérdida de 4 partículas nucleares). Podemos representar la emisión de una partícula alfa con una ecuación química. Por ejemplo, la emisión de partículas alfa de uranio-235 es la siguiente:
\[_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{90}^{231}\textrm{Th}\nonumber \]
En lugar de llamar a esta ecuación una ecuación química, la llamamos ecuación nuclear para enfatizar que el cambio ocurre en un núcleo atómico. ¿Cómo sabemos que es un producto de esta reacción\(\ce{^{
\[_{90}^{231}\textrm{Th}\nonumber \]
Los químicos a menudo usan los nombres isótopo padre e isótopo hijo para representar el átomo original y el producto que no sea la partícula alfa. En el ejemplo anterior,\[_{92}^{235}\textrm{U}\nonumber \] es el isótopo padre, y\[_{90}^{231}\textrm{Th}\nonumber \] es el isótopo hijo. Cuando un elemento se transforma en otro de esta manera, sufre desintegración radiactiva.
Escriba la ecuación nuclear que representa la desintegración radiactiva del radón-222 por emisión de partículas alfa e identifique el isótopo hijo.
Solución
El radón tiene un número atómico de 86, por lo que el isótopo padre se representa como\[_{86}^{222}\textrm{Rn} \nonumber \nonumber \].
Representamos la partícula alfa como
\[_{2}^{4}\textrm{He} \nonumber \nonumber \]
Utilice la resta (222 − 4 = 218 y 86 − 2 = 84) para identificar el isótopo hijo como polonio:
\[_{86}^{222}\textrm{Rn}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{84}^{218}\textrm{Th} \nonumber \nonumber \]
Escribir la ecuación nuclear que representa la desintegración radiactiva del polonio-208 por emisión de partículas alfa e identificar el isótopo hijo.
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\[_{80}^{208}\textrm{Po}\rightarrow \; _{2}^{4}\textrm{He}+\: _{82}^{204}\textrm{Pb} \nonumber \nonumber \]
\[_{82}^{204}\textrm{Pb} \nonumber \nonumber \]
El segundo tipo principal de emisión radiactiva se llama partícula beta, simbolizada por la letra griega β. Una partícula beta es un electrón expulsado del núcleo (no de las conchas de electrones alrededor del núcleo) y tiene una carga 1−. También podemos representar una partícula beta como
\[_{6}^{14}\textrm{C}\rightarrow \; _{7}^{14}\textrm{N}+\: _{-1}^{0}\textrm{e}\nonumber \]
Nuevamente, la suma de los números atómicos es la misma en ambos lados de la ecuación, al igual que la suma de los números de masa. (Tenga en cuenta que al electrón se le asigna un “número atómico” de —1, igual a su carga).
El tercer tipo principal de emisión radiactiva no es una partícula sino una forma muy energética de radiación electromagnética llamada rayos gamma, simbolizada por la letra griega γ. Los propios rayos gamma no llevan una carga eléctrica general, pero pueden eliminar electrones de los átomos en una muestra de materia y hacerla cargada eléctricamente (para lo cual los rayos gamma se denominan radiación ionizante). Por ejemplo, en la desintegración radiactiva del radón-222, se emiten tanto radiación alfa como gamma, teniendo esta última una energía de 8.2 × 10 −14 J por núcleo decaído:
\[_{86}^{222}\textrm{Rn}\rightarrow \;_{84}^{218}\textrm{Po}+_{2}^{4}\textrm{He}+\gamma\nonumber \]
Esto puede no parecer mucha energía, pero si 1 mol de átomos de Rn se descomponía, ¡la energía de los rayos gamma sería 4.9 × 10 7 kJ!
Escriba la ecuación nuclear que representa la desintegración radiactiva del boro-12 por emisión de partículas beta e identifique el isótopo hijo. Se emite un rayo gamma simultáneamente con la partícula beta.
Solución
El isótopo padre es B-12,
\[_{5}^{12}\textrm{B}\nonumber \]
mientras que uno de los productos es
Para que la masa y los números atómicos tengan el mismo valor en ambos lados, el número de masa del isótopo hijo debe ser 12, y su número atómico debe ser 6. El elemento que tiene un número atómico de 6 es el carbono. Así, la ecuación nuclear completa es la siguiente:
\[_{5}^{12}\textrm{B}\rightarrow \;_{6}^{12}\textrm{C}+_{-1}^{0}\textrm{e}+\gamma\nonumber \]
El isótopo hijo es el carbono-12.
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\[_{43}^{133}\textrm{Tc}\rightarrow \;_{44}^{133}\textrm{Ru}+_{-1}^{0}\textrm{e}+\gamma\nonumber \]
Las emisiones alfa, beta y gamma tienen diferentes habilidades para penetrar la materia. La partícula alfa relativamente grande es fácilmente detenida por la materia (aunque puede impartir una cantidad significativa de energía a la materia con la que entra en contacto). Las partículas beta penetran ligeramente en la materia, quizás unos pocos centímetros como máximo. Los rayos gamma pueden penetrar profundamente en la materia y pueden impartir una gran cantidad de energía a la materia circundante. Cuadro\(\PageIndex{1}\) resume las propiedades de los tres principales tipos de emisiones radiactivas.
| Característica | Partículas Alfa | Partículas Beta | Rayos Gamma |
|---|---|---|---|
| símbolos | α, |
β e − 1 0 | γ |
| identidad | núcleo de helio | electrón | radiación electromagnética |
| cargar | 2+ | 1− | ninguno |
| número de masa | 4 | 0 | 0 |
| poder penetrante | mínimo (no penetrará en la piel) | corto (penetrará ligeramente la piel y algunos tejidos) | profundo (penetrará los tejidos profundamente) |
Ocasionalmente, un núcleo atómico se rompe en trozos más pequeños en un proceso radiactivo llamado fisión espontánea (o fisión). Típicamente, los isótopos hijos producidos por fisión son una mezcla variada de productos, en lugar de un isótopo específico como con la emisión de partículas alfa y beta. A menudo, la fisión produce un exceso de neutrones que a veces serán capturados por otros núcleos, induciendo posiblemente eventos radiactivos adicionales. El uranio-235 sufre fisión espontánea en pequeña medida. Una reacción típica es
\[_{92}^{235}\textrm{Tc}\rightarrow \;_{56}^{139}\textrm{Ba}+\: _{36}^{94}\textrm{Kr}+2\: _{0}^{1}\textrm{n}\nonumber \]
donde\(\ce{_0^1n}\) es un neutrón. Al igual que con cualquier proceso nuclear, las sumas de los números atómicos y los números de masa deben ser las mismas en ambos lados de la ecuación. La fisión espontánea se encuentra solo en núcleos grandes. El núcleo más pequeño que exhibe fisión espontánea es el plomo-208. (La fisión es el proceso radiactivo utilizado en las centrales nucleares y un tipo de bomba nuclear).
Claves para llevar
- Los principales tipos de radiactividad incluyen partículas alfa, partículas beta y rayos gamma.
- La fisión es un tipo de radiactividad en la que los núcleos grandes se rompen espontáneamente en núcleos más pequeños.