El Proceso de la Decadencia Radioactiva Natural

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Ciertos isótopos radioactivos naturales son inestables: Su núcleo se rompe, sufriendo un decaimiento nuclear. A veces el producto de esa decadencia nuclear es inestable en sí mismo y también sufre decadencia nuclear.

Por ejemplo, cuando el U-238 (uno de los isótopos radioactivos del uranio) se descompone inicialmente, produce Th-234, que se descompone a Pa-234. El deterioro continúa hasta que, finalmente, después de un total de 14 pasos, se produce Pb-206. Pb-206 es estable, y la secuencia de decaimiento, o serie, se detiene.

El núcleo tiene protones cargados positivamente que se juntan en un volumen de espacio extremadamente pequeño. Todos esos protones se repelen entre sí. Las fuerzas que normalmente mantienen unido el núcleo a veces no pueden hacer el trabajo, por lo que el núcleo se rompe, sufriendo un decaimiento nuclear.

Todos los elementos con 84 o más protones son inestables; eventualmente sufren decadencia. Otros isótopos con menos protones en su núcleo también son radioactivos. La radiactividad corresponde a la relación neutrón/protón en el átomo:

  • Si la relación neutrón/protón es demasiado alta (hay demasiados neutrones o muy pocos protones), se dice que el isótopo es rico en neutrones y, por lo tanto, inestable.
  • Si la relación neutrón/protón es demasiado baja (hay muy pocos neutrones o demasiados protones), el isótopo es inestable.

La relación neutrón/protón para un determinado elemento debe estar dentro de un cierto rango para que el elemento sea estable. Es por eso que algunos isótopos de un elemento son estables y otros son radioactivos.

Hay tres formas primarias en las que los isótopos radioactivos naturales se descomponen:

  • Emisión de partículas alfa
  • Emisión de partículas beta
  • Emisión de radiación gamma

Además, hay un par de tipos menos comunes de descomposición radioactiva:

  • Emisión de positrones
  • Captura de electrones

Emisión alfa

Una partícula alfa se define como una partícula cargada positivamente de un núcleo de helio. Una partícula alfa está compuesta por dos protones y dos neutrones, por lo que puede ser representada como un átomo de Helio 4. Como una partícula alfa se separa del núcleo de un átomo radioactivo, no tiene electrones, por lo que tiene una carga de +2. Por lo tanto, es una partícula con carga positiva de un núcleo de helio.

Pero los electrones son básicamente libres – fácil de perder y fácil de ganar. Por lo tanto, normalmente, una partícula alfa se muestra sin carga porque recoge muy rápidamente dos electrones y se convierte en un átomo de helio neutro en lugar de un ión.

Los elementos grandes y pesados, como el uranio y el torio, tienden a sufrir emisiones alfa. Este modo de decaimiento alivia el núcleo de dos unidades de carga positiva (dos protones) y cuatro unidades de masa (dos protones + dos neutrones). Cada vez que se emite una partícula alfa, se pierden cuatro unidades de masa.

El radón-222 (Rn-222) es otro emisor de partículas alfa, como se muestra en la siguiente ecuación:

Aquí, el radón-222 sufre un decaimiento nuclear con la liberación de una partícula alfa. El otro isótopo restante debe tener un número de masa de 218 (222 – 4) y un número atómico de 84 (86 – 2), que identifica al elemento como Polonio (Po).

Emisión Beta

Una partícula beta es esencialmente un electrón que se emite desde el núcleo. El yodo 131 (I-131), que se utiliza en la detección y tratamiento del cáncer de tiroides, es un emisor de partículas beta:

Aquí, el Yodo 131 emite una partícula beta (un electrón), dejando un isótopo con un número de masa de 131 (131 – 0) y un número atómico de 54 (53 – (-1)). Un número atómico de 54 identifica al elemento como Xenón (Xe).

Note que el número de masa no cambia al pasar de I-131 a Xe-131, pero el número atómico aumenta en uno. En el núcleo de yodo, un neutrón fue convertido (descompuesto) en un protón y un electrón, y el electrón fue emitido desde el núcleo como una partícula beta.

Los isótopos con una alta relación neutrones/protones a menudo se someten a la emisión beta, porque este modo de decaimiento permite que el número de neutrones disminuya en uno y que el número de protones aumente en uno, disminuyendo así la relación neutrones/protones.

Emisión de rayos gamma

Las partículas alfa y beta tienen las características de la materia: Tienen masas definidas, ocupan espacio, y así sucesivamente. Sin embargo, debido a que no hay ningún cambio de masa asociado con la emisión gamma, podría referirse a la emisión gamma como emisión de radiación gamma.

La radiación gamma es similar a los rayos X – radiación de alta energía y longitud de onda corta. La radiación gamma suele acompañar tanto a la emisión alfa como a la beta, pero por lo general no se muestra en una reacción nuclear equilibrada.

Algunos isótopos, como el Cobalto 60 (Co-60), emiten grandes cantidades de radiación gamma. El Co-60 se utiliza en el tratamiento de radiación del cáncer. El personal médico enfoca los rayos gamma en el tumor, destruyéndolo.

Emisión de positrones

Aunque la emisión de positrones no ocurre con los isótopos radioactivos naturales, ocurre naturalmente en unos pocos hechos por el hombre. Un positrón es esencialmente un electrón que tiene una carga positiva en lugar de una carga negativa.

Un positrón se forma cuando un protón en el núcleo se descompone en un neutrón y un electrón cargado positivamente. El positrón es entonces emitido desde el núcleo. Este proceso ocurre en unos pocos isótopos, como el Potasio-40 (K-40), como se muestra en la siguiente ecuación:

El K-40 emite el positrón, dejando un elemento con un número de masa de 40 (40 – 0) y un número atómico de 18 (19 – 1). Se ha formado un isótopo de argón (Ar), Ar-40.

Captura de electrones

La captura de electrones es un tipo raro de descomposición nuclear en el que un electrón del nivel de energía más interno es capturado por el núcleo. Este electrón se combina con un protón para formar un neutrón. El número atómico disminuye en uno, pero el número de masa permanece igual.

La siguiente ecuación muestra la captura de electrones del Polonio-204 (Po-204):

El electrón se combina con un protón en el núcleo del polonio, creando un isótopo de bismuto (Bi-204). La captura del electrón 1s deja una vacante en las órbitas 1s. Los electrones descienden para llenar la vacante, liberando energía en la porción de rayos X del espectro electromagnético.

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