Los átomos y sus reacciones

En la Antigua Grecia, en el siglo IV antes de Cristo, el filósofo Demócrito comenzó a trabajar sobre la idea de la divisibilidad de la materia. A simple vista esta parece continua, pero ¿podemos cortar un trozo de ella una y otra vez por su mitad repitiendo indefinidamente ese proceso...?, pues este pensador, opinaba que no. Llegado a un punto la materia debía contener una cantidad mínima e indivisible, a la cual bautizó con el nombre de átomo, que en griego significa “sin partes”. A pesar de su acertada intuición sobre el asunto, la idea cayó en desuso y pasarían más de dos mil años antes de que resurgiera apoyada por datos experimentales.

Este artículo de carácter introductorio tiene por objeto proveer una idea general, y si se quiere superficial, de los átomos y sus reacciones, sin caer en detalles demasiados técnicos y profundos.

¿Qué es un átomo?

Actualmente, desde el punto de vista físico y químico, se define al átomo como la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

Como podemos apreciar, la definición moderna de átomo a perdido el verdadero sentido del significado “sin partes”, esto se debe a razones históricas en cierta medida, ya que hoy sabemos que el mismo está formado por partículas aun más elementales, la cuales parecen ser los verdaderos cimientos de la materia.

El Modelo Atómico

Obviando el interesante camino histórico que llevó a la concepción actual de como es un átomo, a la mayoría de nosotros al hablar de Modelo Atómico nos surge la imagen de un núcleo formado por protones y neutrones orbitado por veloces y diminutos electrones. Como aproximación y ayuda mental, no es un mal comienzo, sin embargo la realidad, según nos muestra el Modelo de Schrödinger parece ser un poco más compleja aun.

Fig. 1 Esquema átomo - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

Si nos detenemos por un instante en la mencionada imagen, podemos ver que el átomo parece constar de por lo menos tres componentes: los protones, los neutrones y los electrones. Los dos primeros se encuentran confinados en un reducido espacio al cual designamos con el nombre de núcleo atómico, y en realidad no son partículas elementales, sino que están a su vez conformadas por otras, esta vez si elementales, llamadas quarks. Los neutrones son levemente más pesados que los protones y no tienen carga eléctrica. Los protones si la poseen y es positiva. Finalmente los electrones, que si son elementales, poseen una carga eléctrica negativa y no se encuentran dentro del núcleo (como se pensaba originalmente en los primeros modelos modernos) sino que lo circundan. Estos forman nubes electrónicas, que están constituidas por capas electrónicas u órbitas electrónicas cuyo número puede variar de 1 a 7 y que se designan con las letras K, L, M, N, O, P y Q.

Pero aun este modelo clásico y simplificado estaría incompleto sin concebir que es lo que mantiene unido a los protones y neutrones en el núcleo y a los electrones en sus orbitales. Dimos una pequeña pista en el párrafo anterior al hablar de “cargas eléctricas”, las partículas se ven a su vez afectadas por cuatro interacciones (comúnmente llamadas fuerzas) fundamentales: gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil.

La gravedad actúa sobre todas las partículas y su efecto es atractivo, pero a nivel atómico el mismo es despreciable debido a que las otras interacciones son mucho más fuertes a esas distancias. La electromagnética afecta a las partículas con carga eléctrica, en el caso del átomo: los electrones y los protones. Si las cargas electromagnéticas son de igual signo estas se repelen, mientras que si son de signo contrario se atraen. ¿Pero si los protones tienen carga eléctrica positiva como es posible que se mantengan unidos dentro del núcleo atómico?, sucede que si intentamos acercar dos protones debido a su carga eléctrica de igual signo estos se repelen oponiendo gran resistencia, sin embargo, si logramos que se acerquen lo suficiente entrará a jugar una nueva interacción denominada nuclear “fuerte” que obtiene su nombre debido a que a cortas (muy muy cortas) distancias, esta es aun más fuerte que la electromagnética. Es entonces, cuando actúa sobre neutrones y protones manteniéndolos unidos en el núcleo. A decir verdad, la interacción nuclear fuerte ejerce su influencia sobre los quarks que componen a neutrones y protones, quedando un efecto residual que es el que permite la cohesión de los mismos a nivel nuclear.

Por último nos queda la interacción nuclear débil, la cual es responsable de un tipo de desintegración, que veremos más adelante, denominada beta. Recibe su designación de “débil” en comparación a las interacciones electromagnética y fuerte, aun así supera con creces a la gravedad en escalas nucleares.

Como dejamos entrever inicialmente esta imagen peca de simplista, aunque para nuestros propósitos de adentrarnos en el mundo de los átomos y su reacciones ha de servirnos. Sin embargo, es justo decir que los científicos tienen una visión del mismo más compleja, donde la cuántica impone sus reglas y las partículas pueden manifestarse como estas u ondas según se las mida, los electrones ya no orbitan cuales diminutos planetas los núcleos atómicos sino que se encuentran determinados probabilísticamente mediante una función de onda, un Universo que puede parecer casi “mágico” a los ojos del profano pero que se apega a reglas que simplemente no nos resultan intuitivas o comparables con la experiencia cotidiana. Este artículo, por su carácter introductorio, no se explayará en las mismas, pero es preciso informar al viajero que se adentra en su lectura, de su fascinante existencia...

Respecto al tamaño de un átomo, este es tan diminuto que sus medidas en números pierden sentido para nosotros. Los confines de la nube electrónica se estiman en aproximadamente 1,0586 x 10^–10 metros, mientras que su núcleo es de 1 x 10^–15 metros, es decir unas 100.000 (cien mil) veces menor, aunque en él se concentra prácticamente toda la masa del átomo. Es que si tomamos la masa de un electrón como unidad, el protón sería 1836 veces más pesado, y el neutrón unas 1838.

Finalmente, antes de proseguir hemos de decir que si tenemos en cuenta el espacio vacío que media entre los componentes elementales del átomo, la materia por sólida que parezca es en gran medida mero vacío. De hecho, sino fuera por el principio de exclusión de Pauli, que no permite que los electrones compartan mismos estados cuántico, el mundo sería muy distinto... la materia no se derrumba sobre si misma y tiene a todos los efectos esa apariencia de solidez gracias a este.

De átomos, isótopos, isóbaros, isótonos, iones...

Habiendo definido que es un átomo y una imagen de como está constituido hemos llegado al punto de adentrarnos en otras consideraciones.

¿Qué diferencia un átomo de otro?. La respuesta es simplemente la cantidad de protones, neutrones y electrones que lo conforman... Para dar luz a esta cuestión, comenzaremos diciendo que al número de protones y neutrones (nucleones) que forman el núcleo atómico es denominado “número másico”, se lo designa con la letra A y se escribe en la parte superior izquierda del símbolo químico. Por otra parte la cantidad de protones en un núcleo es su “número atómico”, se lo representa con la letra Z y se lo muestra en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Los átomos tienden en la naturaleza a ser neutros eléctricamente hablando, por lo que normalmente poseen la misma cantidad de electrones que de protones.

Sabiendo esto pasaremos a exponer algunas definiciones con las que nos encontraremos habitualmente en textos relacionados a este tema.

Elemento químico: Nombre que se le otorga a la clase de átomos que contienen la misma cantidad de protones en su núcleo. Por ejemplo Hidrógeno (1 protón), Helio (2 protones).

Nucleón: Es la manera genérica de llamar a las partículas que conforman el núcleo atómico, es decir protones y neutrones.

Isótopos: Un mismo elemento químico, puede tener distinta cantidad de neutrones en su núcleo, o lo que es lo mismo: igual número atómico pero distinto número másico, en ese caso se dice que son distintos isótopos del elemento. Por ejemplo, el elemento químico Hidrógeno tiene tres isótopos: el protio (¹H 1 protón 0 neutrones), el más abundante; el deuterio (²H 1 protón 1 neutrón) y finalmente el tritio (³H 1 protón 2 neutrones), este último inestable. Así cada elemento químico posee una variedad de isótopos posibles, algunos estables y otros no.

Radioisótopos: Isótopos inestables que decaerán a otros isótopos hasta llegar a ser estables.

Decaimiento o desintegración: Es el acto en el que un radioisótopo emite una partícula desde su núcleo atómico.

Isóbaros: Un término poco común para designar aquellos átomos que tienen la misma cantidad de nucleones, o lo que es lo mismo, número másico. Por ejemplo: Carbono-14 (¹⁴C 6 protones + 8 neutrones) y Nitrógeno-14 (¹⁴N 7 protones + 7 neutrones). Como vemos, los isóbaros a deferencia de los isótopos, son distintos elementos químicos.

Isótonos: Se denominan de esta manera a aquellos átomos que tienen la misma cantidad de neutrones en su núcleo. Por ejemplo: Boro-11 (¹¹B 5 protones + 6 neutrones) y Carbono-12 (¹²C 6 protones + 6 neutrones). Podemos recordarlo con la regla: isótoPo con P de protones e isótoNo con N de neutrones.

Isómero nuclear: Los núcleos atómicos pueden contener uno o más nucleones en estado de excitación, es decir mayor energía que la mínima posible. Esto conlleva a una rápida emisión de uno o más fotones gamma que permiten al núcleo volver a su estado de menor energía.

Iones: Se conoce bajo esta denominación a aquellos átomos que no son neutros eléctricamente, es decir tienen más electrones que protones (Anión, con carga negativa) o a la inversa (Catión, con carga positiva).

Reacciones atómicas: el sueño de los alquimistas

Intencionalmente dejaremos de lado en este artículo las reacciones químicas, en las que los núcleos atómicos salen indemnes, para adentrarnos en las reacciones atómicas, donde los cambios en estos son los protagonistas...

Los procesos nucleares son procesos de combinación y transformación de las partículas y núcleos atómicos. Algunos de ellos liberan energía y se dicen que son reacciones exotérmicas, mientras que otras la consumen y se denominan reacciones endotérmicas. ¿Pero como se explica esto?, ¿porque a veces obtenemos energía de un proceso, mientras que en otras es necesario aportarla?. Para responder a estas preguntas debemos entender como interaccionan las fuerzas nuclear fuerte y la electromagnética dentro de un núcleo atómico.

Einstein demostró hace ya más de un siglo que la energía y la materia eran dos caras de una misma moneda. Como consecuencia de ello observaremos transformaciones que implican la conversión de materia en energía y viceversa.

No siempre dos más dos es cuatro, o por lo menos en lo que respecta a Física Nuclear. Para comprender a que nos referimos con esto, veamos un ejemplo: pensemos que tenemos un protón y neutrón libre, tomamos nota de su masa individualmente y procedemos a unirlos. Ahora al registrar nuevamente su masa nos llevamos una sorpresa ¡esta es menor que la de sus componentes por separado!. Ha este fenómeno se lo conoce como “defecto de masa” y tiene dos importantes consecuencias. La primera, es que para poder separar nuevamente a estos nucleones deberemos devolverles esa masa faltante en forma de energía; esa cantidad necesaria es conocida como “energía de ligadura del núcleo”. La segunda, es que debido a la ley de conservación de energía-masa, esta no puede crearse ni desaparecer mágicamente, sino que debe conservarse. Lo que si puede es transformarse, y eso sucede al unir el protón y el neutrón, ese defecto de masa es entregado en forma de energía para equilibrar la ecuación. Como vemos, en este caso, unirlos es un proceso exotérmico, mientras que separarlos es endotérmico.

Pero para complicar un poco más las cosas, tenemos la fuerza de repulsión generada entre protones por la interacción electromagnética dentro del núcleo. Para átomos livianos, la interacción nuclear fuerte es la dominante, pero esta tiene un alcance muy limitado. A medida que los núcleos van siendo más grandes, nos encontramos con más protones y mayores fuerzas de repulsión. Llegado a un punto, en núcleos atómicos pesados, las distancias entre nucleones se vuelven demasiado grandes y la interacción nuclear fuerte pierde intensidad. Dado que la fuerza electromagnética es de largo alcance, con cada vez más protones en los núcleos esta pasa a ser la dominante. El Hierro se vuelve entonces un punto de inflexión, a partir del cual la barrera de potencial eléctrico que hay que romper para añadir un protón más al núcleo, supera al beneficio energético que da la interacción fuerte al juntarlo con el resto de los nucleones. Ahora, teniendo en cuenta lo anteriormente explicado, estamos en condiciones de sacar algunas conclusiones. Para elementos más livianos que el Hierro la fusión, o unión de núcleos atómicos, es un proceso que libera energía gracias a la interacción nuclear fuerte y el defecto de masa, mientras que la fisión o ruptura es por las mismas razones una reacción que la consume. Para elementos más pesados que el Hierro, sucede a la inversa, pero esta vez el responsable de aportar la energía cuando se fisiona un núcleo es el exceso de potencial eléctrico. El Hierro es el elemento químico más estable, debido que tanto para fisionarlo como para fusionarlo es necesario aportar energía.

Para que un proceso o reacción nuclear sea posible, esta no debe violar diversas leyes de conservación, como la ya mencionada de masa-energía, caso contrario quedará prohibida naturalmente y no se producirá.

Fig. 2 Energía por nucleón - Créditos de la Imagen: Wikipedia

Finalmente, existe una relación entre la cantidad de protones y neutrones que define si un isótopo es estable o inestable. Aquellos núcleos con un exceso o falta de neutrones, no serán estables y decaerán a otros isótopos hasta lograr el balance adecuado entre nucleones que implique dicha estabilidad. A los isótopos inestables se los conoce comúnmente como radioisótopos.

Los procesos o reacciones nucleares son los responsables de generar la energía que dan vida a las estrellas, sin ellos no existirían la variedad de elementos químicos que conocemos y el Universo sería un lugar estéril y poco atractivo. Es por ello la necesidad de comprender sus fundamentos si tenemos intención de adentrarnos en la lectura de textos relacionados con la Astrofísica.

Algunas partículas que no habíamos explicado hasta el momento aparecerán en estos procesos, por ello daremos una breve introducción a las mismas.

A cada partícula fundamental de la naturaleza le corresponde una antipartícula. Estas comparten características como su masa o espín, pero tienen inversa carga eléctrica. Algunas partículas como el fotón, no poseen carga y son idénticas a sus antipartículas. Si una partícula se encuentra con su antipartícula en condiciones apropiadas, se aniquilarán produciendo otras partículas. Esto no debe interpretarse como si estuvieran “formadas” por esas resultantes, sino que en el proceso de aniquilación se convierten en energía y esta se “rematerializa” en esas otras partículas.

Un ejemplo de esto, podemos verlo en un encuentro electrón – positrón, este último antipartícula del primero:

e^- + e⁺ → γ + γ

La aniquilación da por resultado dos fotones de alta energía llamados gamma.

Nuestro Universo en sus inicios aniquiló prácticamente todas las partículas con sus antipartículas, pero debido a una asimetría inicial quedó un pequeño remanente de las primeras que conforma toda la materia existente.

Los neutrinos, y sus antipartículas los antineutrinos, son partículas elementales casi sin masa que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. No poseen carga eléctrica, y solo interactúan con la fuerza nuclear débil y la gravedad, lo que los hace muy esquivos. Prácticamente no interaccionan con la materia, pudiéndola atravesar como si fuera transparente para ellos, de allí su difícil detección. Cada segundo, nosotros estamos siendo atravesados por miles de millones de neutrinos sin que nos demos cuenta de ello.

Los fotones (del griego “luz”), otra de las partículas que veremos en las reacciones nucleares, en especial los de alta energía denominados gamma, son partículas elementales portadoras de las distintas formas de radiación electromagnética. Su velocidad es constante en el vacío y no poseen masa en reposo.

Fusión y Fisión Nuclear

Fusión nuclear

Se denomina fusión nuclear al proceso en el que dos o más núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado. La fusión de núcleos atómicos de elementos más livianos que el Hierro, como ya vimos, liberan energía, y son las reacciones principales de las que se valen las estrellas. La fusión de elementos más pesados que el Hierro consumen energía, es decir son endotérmicos, por lo que solo se dan en casos muy particulares como pueden ser la explosión de una supernova.

Para llevar a cabo la fusión de dos núcleos atómicos se necesitan de altas temperaturas y presiones, debido que solo si estos tienen la energía necesaria en el encuentro podrán superar la repulsión electromagnética y fundirse en uno solo gracias a la fuerza nuclear fuerte. Cuando mayores son los núcleos, mayores temperaturas y presiones necesarias para su fusión.

Ejemplo:

²H + ¹H → ³He + γ + 5.49 MeV

Fig. 3 Proceso de Fusión - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

Nota: Las imágenes son solo esquemáticas, las partículas no son esferitas como fueron representadas, es simplemente una ayuda visual para interpretar los procesos ilustrados.

La fusión de un isótopo de Hidrógeno-2 o deuterio (²H 1 protón + 1 neutrón) con un Hidrógeno-1 o protio (¹H 1 protón + 0 neutrones) da por resultado Helio-3 (³He 2 protones + 1 neutrón) liberando un fotón gamma y 5,49 MeV de energía.

El MeV (Mega electrónvoltio) es una unidad de energía utilizada principalmente en física de partículas. Un eV (electrónvoltio) es la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio. Un MeV equivale a un millón de eV.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es el proceso inverso de la fusión nuclear y consiste en la división de un núcleo atómico en dos o más núcleos y otras partículas. Nuestros científicos han aprendido a utilizar este proceso para obtener energía en forma de calor, que luego es convertido en electricidad en las centrales atómicas. Por desgracia, también lo han utilizado para crear las destructivas y temibles bombas atómicas, como las tristemente utilizadas en el final de la Segunda Guerra Mundial.

Ejemplo:

²³⁵U + n → ¹³⁹Ba + ⁸⁶Kr + 11 n + 175 MeV

Fig. 4 Proceso de Fisión - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

Un isótopo de Uranio-235 (²³⁵U 92 protones + 143 neutrones) absorbe un neutrón a la velocidad correcta y entonces el núcleo se fisiona dando por resultado Bario-139 (¹³⁹Ba 56 protones + 83 neutrones), Kriptón-86 (⁸⁶Kr 36 protones + 50 neutrones), 11 neutrones y 175 MeV de energía. Los neutrones liberados en esta reacción pueden fusionar a otros núcleos de Uranio cercanos y producir una reacción en cadena.

En la naturaleza, en las explosiones de estrellas supernovas se producen procesos de este tipo debido al flujo de neutrones libres.

Radiactividad

Cuando un radioisótopo decae, o se desintegra, se emiten radiaciones de distintas naturaleza, fenómeno este denominado radiactividad. Si esta se manifiesta en isótopos que se encuentran en la naturaleza se dice que es natural, mientras que en los casos que se produce en isótopos provenientes de manipulaciones humanas se la llama artificial o inducida.

Período de semidesintegración

El concepto de período de semidesintegración está relacionado al tiempo en que existirá un núcleo inestable antes de decaer, y es muy utilizado por los físicos. Debido a que el proceso de desintegración nuclear es probabilístico, es imposible decir cuando decaerá un núcleo en particular. El período de semidesintegración se define como el lapso de tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de átomos radiactivos. Por ejemplo, el período de semidesintegración del Radio-226 (²³⁶Ra 88 protones + 138 neutrones) es de 1602 años, lo que significa que si al inicio tenemos una muestra de 1 kilogramo puro de este radioisótopo, al cabo de 1602 años quedarán 500 gramos de Radio-226 y el resto se habrá convertido en otros isótopos debido a procesos de desintegración. 1602 años más tarde, de los 500 gramos restarán 250 gramos de Radio-226 y así sucesivamente.

Decaimientos clásicos: Desintegración alfa, beta y radiación gamma

Desintegración alfa

La desintegración o decaimiento alfa es una forma de desintegración radiactiva donde el núcleo atómico emite una partícula alfa. Pero, ¿que son estas partículas alfa?, simplemente dos protones y dos neutrones, es decir un núcleo de Helio-4. La desintegración alfa es un proceso de fisión nuclear natural y espontánea.

Ejemplo:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Fig. 5 Desintegración alfa - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

En este ejemplo, un radioisótopo de Uranio-238 (²³⁸U 92 protones + 146 neutrones) decae a uno de Torio-234 (²³⁴Th 90 protones + 144 neutrones) emitiendo una partícula alfa (⁴He 2 protones + 2 neutrones – ionizado (es decir sin sus electrones)). El Thorio-234 es inestable y seguirá decayendo a núcleos más pequeños. La partícula alfa al ser emitida tiene una considerable energía y velocidad, pero debido a su tamaño y carga eléctrica realiza un recorrido medio muy corto antes de verse detenida a poca distancia de la fuente. Luego, lo más probable es que capture un par de electrones libres y pierda así su ionización.

Desintegración beta

Como pudimos ver al inicio de este artículo, si bien los electrones son partículas elementales, no sucede lo mismo con los neutrones y protones que están formados por quarks. Sucede que el neutrón en estado libre, es decir fuera del núcleo atómico es inestable, y luego de un período de tiempo (período de semidesintegración 614,6 segundos, aproximadamente unos 10 minutos) debido a la fuerza nuclear débil decae en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico.

La desintegración o decaimiento beta es una forma de desintegración radiactiva donde el núcleo atómico emite una partícula beta. En este caso tenemos dos tipo de desintegraciones beta: beta- y beta+. Este tipo de reacción mantiene el número másico, o cantidad de nucleones dentro del átomo, sin embargo afecta la relación entre el número de neutrones y protones que existen en el mismo, provocando un cambio de elemento químico en el proceso.

Se denomina beta- a la reacción en la que la desintegración de un neutrón culmina con la formación de un protón, un electrón y un antineutrino electrónico, y puede darse en neutrones libres o bien dentro del núcleo atómico de isótopos radioactivos. En este caso se denomina partícula beta al electrón emitido.

Ejemplo:

n → p⁺ + e^- + v_e

En este caso en un neutrón libre.

⁹⁹Tc → ⁹⁹Ru + e^- + v_e

Fig. 6 Desintegración beta- - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

En este ejemplo, un isótopo inestable de Tecnecio-99 (⁹⁹Tc 43 protones + 56 neutrones) decae en un isótopo estable de Rutenio-99 (⁹⁹Ru 44 protones + 55 neutrones) radiando un electrón y un antineutrino electrónico.

La desintegración beta+ es en cierta medida análoga a la beta-, y consiste en la conversión de un protón a un neutrón, un positrón (antilectrón) y un neutrino electrónico. Sin embargo, a diferencia de los neutrones, los protones libres no son inestables, por lo que no sucede este tipo de desintegración en ellos. Resulta así porque la suma de las energías-masas de los partículas resultantes sería mayor que la del protón. Sin embargo, para protones en núcleos de isótopos radioactivos, puede ocurrir que la diferencia de energías entre el núcleo final y el inicial sea suficiente para crear las partículas resultantes, en cuyo caso la reacción será posible.

Ejemplo:

²⁵Al → ²⁵Mg + e⁺ + v_e

Fig. 7 Desintegración beta+ - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

Un isótopo radiactivo de Aluminio-25 (²⁵Al 13 protones + 12 neutrones) decae en un isótopo estable de Magnesio-25 (²⁵Mg 12 protones + 13 neutrones) radiando un positrón y un neutrino electrónico. El positrón se aniquilará con un electrón produciendo dos fotones gamma de alta energía.

La radiación beta en sus dos versiones, tienen un poder de penetración mayor que la radiación alfa debido a su baja masa y alta velocidad.

Radiación gamma

Los núcleos atómicos en ciertas circunstancias pueden encontrase en un estado de excitación, es de decir de mayor energía que el mínimo que les es posible. Si esto sucede el núcleo emitirá ese excedente en forma de un fotón de alta energía denominado gamma, pasando a un estado no excitado. Este proceso se caracteriza porque, a diferencia de la desintegración alfa o beta, el núcleo atómico no se ve modificado ni en su número másico, ni en su número atómico.

Ejemplo:

⁶⁰Co → ⁶⁰Ni* + e^- + v_e

⁶⁰Ni* → ⁶⁰Ni + γ + γ

Fig. 8 Radiación gamma - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

En este ejemplo, el Cobalto-60 (⁶⁰Co 27 protones + 33 neutrones) decae mediante una desintegración beta- en un isótopo de Niquel-60 excitado (⁶⁰Ni* 28 protones + 32 neutrones). Este radia primero un fotón gamma y luego otro, pasando así rápidamente a su estado de menor energía.

La radiación gamma es muy penetrante debido a su falta de carga eléctrica y alta energía. La misma puede interactuar con la materia de tres posibles maneras:

Efecto Fotoeléctrico: Este proceso sucede cuando un fotón gamma interactúa con un electrón y le transfiere su energía. Como resultado el mismo escapa del átomo, el cual queda ionizado, y el fotón gamma “desaparece” debido a que su energía fue transferida totalmente al electrón.

Efecto Compton: Igual que sucedía en el Efecto Fotoeléctrico, un fotón gamma interactúa con un electrón y lo arranca del átomo. Sin embargo, en este caso un excedente de energía determina que se genere un nuevo fotón gamma de menor energía que es emitido con una dirección diferente al del fotón incidente.

Creación de pares: Este es un claro ejemplo de conversión de energía en masa, y viceversa. Un fotón gamma de alta energía (por lo menos la suficiente para crear la masa del par) al acercarse a un núcleo atómico se convierte espontáneamente en la masa de un par electrón positrón. El positrón se aniquila con un electrón y en el proceso se generan dos fotones gamma de menor energía.

Otros tipos de desintegraciones nucleares

Si bien las desintegraciones alfa, beta y radiación gamma son las más usuales, existen otros procesos de desintegración nuclear.

Doble desintegración beta

Esta es una variante muy poco común de la desintegración beta-, y consiste en el decaimiento de un radioisótopo con la emisión de dos partículas beta en un proceso único. Algunos elementos químicos donde se han observado este decaimiento son: Calcio-48 (⁴⁸Ca 20 protones + 28 neutrones) y Germanio-76 (⁷⁶Ge 32 protones + 44 neutrones).

Fisión espontánea

Como su nombre refleja, este es un proceso en el que un núcleo inestable decae al fisionarse de manera espontánea en dos o más núcleos menores. Este tipo de desintegración, se da en núcleos muy pesados, como por ejemplo Uranio-238 (²³⁸U 92 protones + 146 neutrones), Plutonio-239 (²³⁹Pu 94 protones + 145 neutrones) y Californio-252 (²⁵²Cf 98 protones + 154 neutrones).

Desintegración Cluster

La desintegración Cluster consiste en la emisión de un núcleo pequeño, menor o mayor que una partícula alfa, del isótopo radiactivo. Es un tipo de desintegración poco frecuente que solo se da en átomos muy pesados, y como un proceso alternativo a otras formas desintegración más comunes. Podemos citar a manera de ejemplo el Bario-114 (¹¹⁴Ba 56 protones + 58 neutrones) que en una desintegración Cluster emite un núcleo de Carbono-12 (¹²C 6 protones + 6 neutrones).

Cadenas de desintegración

El término cadenas o series de desintegración se refiere al conjunto de radioisótopos que se generan a medida que un isótopo radiactivo decae a otro, denominado normalmente “hijo”, mediante alguno de los procesos nucleares posibles, y este a su vez vuelve a decaer continuando las reacciones hasta alcanzar un isótopo estable.

Se conocen cuatro series naturales de este tipo:

Serie del Torio o 4n: se origina en Torio-232 y culmina en Plomo-208.

Serie del Neptunio o 4n +1: se origina en Plutonio-241 y culmina en Talio-205. Esta serie por tener un período de semidesintegración menor que la edad de la Tierra, ya ha no se produce de manera natural en nuestro planeta.

Serie del Radio o 4n + 2: se origina en Uranio-238 y culmina en Plomo-206.

Serie del Actinio o 4n + 3: se origina en Plutonio-239 y culmina en Plomo-207.

Procesos de Captura

Captura electrónica

El proceso de captura electrónica o captura K, consiste en la captura por parte del núcleo de un electrón, generalmente del orbital más interno (K), con la consecuente transmutación de un protón en neutrón y la radiación de un neutrino electrónico.

Aunque la captura de electrones no es una reacción beta+, es común que se estudie junto a estas por seguir reglas similares.

Las supernovas se convierten en estrellas de neutrones mediante este proceso. En ese caso prácticamente todos los protones pasan a ser neutrones, y por tratarse de un plasma no son electrones del orbital K los que atrapan. A esta reacción se la conoce como neutronización.

Ejemplo:

⁵⁹Ni + e^- → ⁵⁹Co + v_e

Fig. 9 Captura electrónica - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

En este ejemplo vemos que un isótopo de Níquel-59 (⁵⁹Ni 28 protones + 31 neutrones) captura un electrón, decayendo a Cobalto-59 (⁵⁹Co 27 protones + 32 neutrones) y emitiendo un neutrino electrónico.

Doble captura electrónica

Esta es una variante menos común del proceso anterior, donde son capturarlos dos electrones por parte del núcleo atómico, lo que conlleva a una conversión de dos protones a dos neutrones y la emisión de dos neutrinos electrónicos.

Ejemplo:

⁷⁸Kr + 2 e^- → ⁷⁸Se + 2 v_e

En este caso un isótopo de Kriptón-78 (⁷⁸Kr 36 protones + 42 neutrones) captura dos electrones y decae a Selenio-78 (⁷⁸Se 34 protones + 44 neutrones) emitiendo dos neutrinos electrónicos.

Captura de neutrones

La captura de neutrones es el proceso en el que un núcleo atómico atrapa un neutrón libre y se convierte en un isótopo más pesado. Esta reacción es la responsable de la existencia de elementos químicos más pesados que el Hierro, ya que como vimos anteriormente en la fusión, este es el límite en que reacciones de este tipo pueden aportar energía, y por ello las estrellas no tienen la capacidad de producir por este medio elementos superiores a él.

Los neutrones no tienen carga eléctrica por lo que pueden acercarse a los núcleos atómicos sin ser repelidos. Cuando un flujo de neutrones atraviesa una masa de núcleos atómicos, estos pueden comenzar a capturarlos, pasando a formar isótopos cada vez más pesados del mismo elemento químico. Llegado a un límite este resultará muy inestable y habrá una desintregación beta. En ese caso el elemento químico decaerá a otro más estable (por su relación protones / neutrones) y seguirá con el proceso de captura. Estas reacciones son comunes en las supernovas. Las mismas son las responsables de la mayoría, aunque no de todos, los elementos químicos con más protones que el Hierro.

Ejemplo:

²⁰⁹Bi + n → ²¹⁰Bi + γ

²¹⁰Bi → ²¹⁰Po + e^- + v_e

Un isótopo de Bismuto-209 (²⁰⁹Bi 83 protones + 126 neutrones) captura un neutrón, formando un isótopo de Bismuto-210 (²¹⁰Bi 83 protones + 127 neutrones), el cual decae mediante una desintegración beta- a Polonio-210 (²¹⁰Po 84 protones + 126 neutrones).

Se distinguen dos tipos de procesos de captura de neutrones según el flujo de neutrones, si es rápido se lo denomina proceso-r (de rapid - rápido - en inglés), y si es lento, proceso-s (de slow – lento – en ese mismo idioma). Hay átomos que se pueden producir por uno solo de los procesos y otros que se pueden producir en ambos. También los hay que no pueden ser producidos por ninguno de los dos...

Captura de protones

El proceso de captura de protones en núcleos masivos, no es una reacción tan común como la de neutrones en la naturaleza, aunque hay átomos como el Platino-190 (¹⁹⁰Pt 78 protones + 112 neutrones) y el Iterbio-168 (¹⁶⁸Yb 70 protones + 98 neutrones) que solo se generan mediante el mismo.

Este proceso consiste en la captura de un protón con la velocidad necesaria para vencer la repulsión por parte de un núcleo atómico, que entonces pasa automáticamente a ser un elemento químico con un protón más que el original.

Ejemplo:

⁹⁰Zr + p → ⁹¹Nb + γ

Un núcleo de Circonio-90 (⁹⁰Zr 40 protones + 50 neutrones) absorbe un protón libre, dando por resultado Niobio-91 (⁹¹Nb 41 protones + 50 neutrones) y la emisión de un fotón gamma.

Debido a que el núcleo atómico del isótopo de Hidrógeno-1 (¹H 1 protón + 0 neutrones) es simplemente un protón, también podemos pensar en la captura de protones como una fusión de un átomo con un Hidrógeno-1. La fusión de núcleos de Hidrógeno-1 es la base de la obtención de energía en estrellas como nuestro Sol mediante un proceso denominado Cadena p – p.

Procesos de Emisión

Emisión de neutrones

La emisión de neutrones, es un proceso de desintegración donde un núcleo de un radioisótopo con exceso de neutrones emite uno de ellos. Los neutrones tienen un fuerte poder de penetración por su falta de carga eléctrica.

El Helio-5 (⁵He 2 protones + 3 neutrones) y el Berilio-13 (¹³Be 4 protones + 9 neutrones) son ejemplos de radioisótopos que pueden decaer mediante este proceso.

Emisión de protones

La emisión de protones o radiactividad de protones, es un tipo de desintegración radiactiva que consiste en la expulsión de un protón de un núcleo inestable. El mismo no se observa en isótopos naturales. Se da en algunos núcleos excitados luego de una desintegración beta, reacción conocida como emisión de protón beta-retrasada o en núcleos muy ricos en protones. También hay casos excepcionales de doble emisión de protones.

Son ejemplos de isótopos radiactivos en los que se han observado este tipo de emisión el Cobalto-53 (⁵³Co 27 protones + 26 neutrones), Lutecio-151(¹⁵¹Lu 71 protones + 80 neutrones) y Tulio-147 (¹⁴⁷Tm 69 protones + 78 neutrones). Emisiones dobles fueron detectadas en Hierro-45 (⁴⁵Fe 26 protones + 19 neutrones).

Procesos de alta energía

Fotodesintegración

Las radiaciones alfa, beta y gamma son capaces de ionizar los átomos con los que interactúan al arrancar electrones de sus orbitales. Pero la radiación gamma, si es lo suficientemente energética, puede incluso llegar más lejos fisionando el núcleo con el que interactúa, reacción esta conocida como fotodesintegración.

Ejemplo:

²⁰Ne + γ → ¹⁶O + ⁴He

Fig. 10 Fotodesintegración - Créditos de la Imagen: Comunidad Simplemente El Universo

Un isótopo de Neón-20 (²⁰Ne 10 protones + 10 neutrones) absorbe un fotón gamma con la energía suficiente para fisionar su núcleo en un Oxígeno-16 (¹⁶O 8 protones + 8 neutrones) y una partícula alfa (⁴He 2 protones + 2 neutrones). El fotón gamma desaparece, ya que su energía fue necesaria para que se lleve a cabo esta reacción endotérmica.

Espalación nuclear

Se denomina espalación nuclear, al proceso mediante el cual un partícula de alta energía choca contra un núcleo atómico produciendo la expulsión de múltiples nucleones debido al impacto. Es un tipo de fisión inducida por una partícula de alta energía. En los aceleradores de partículas, este proceso se utiliza para desprender neutrones o protones de un átomo pesado. En la naturaleza, esta reacción se produce por la interacción de la materia con los rayos cósmicos.

Espalación de rayos cósmicos

La espalación de rayos cósmicos, es un tipo particular de fisión natural que se produce cuando un núcleo atómico es impactado por rayos cósmicos. Dichos rayos, son partículas de muy alta energía (electrones, protones, partículas alfa) generados en el Universo fuera de nuestro planeta. Cuando chocan con nubes de gas en el espacio, o incluso con nuestra atmósfera superior, se produce el fenómeno anteriormente descripto. Son ejemplos de elementos químicos donde la espalación ha tomado parte en su formación, el Litio y el Boro.

Conclusión

Hemos llegado al final del artículo. La Física Nuclear no es un tema sencillo, ni siquiera cuando se lo trata sin entrar en detalle, y sino pregúntenselo al experto Homero Simpson. Espero que este texto sirva de referencia para aquellos artículos relacionados a Astrofísica donde una comprensión de procesos de este tipo es prácticamente imprescindible para su entendimiento.

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Silvio Oreste Topa
para Simplemente... El Universo