II. LA MATERIA
AL DESCUBRIRSE la radiactividad, los cient�ficos empezaron a preguntarse
la raz�n por la que la muestra de radio que aislaron los esposos Curie se encontraba
a mayor temperatura que el recinto en que se trabajaba. En realidad no comprend�an
el origen de las radiaciones emitidas por el uranio y los otros elementos radiactivos.
Se dieron cuenta de que la energ�a se originaba en el �tomo y que �ste no ten�a
una estructura sencilla como se pensaba.
Fue Joseph John Thomson quien, en 1907, propuso un modelo del �tomo, al que visualiz� como una esfera con carga positiva, distribuida en el volumen del �tomo de aproximadamente 0.000 000 01 cm de di�metro. Supuso que part�culas con cargas negativas, electrones, estaban dispersos en alguna forma ordenada en esta esfera. �ste fue el primer modelo del �tomo que trat� de explicar su constituci�n. Pero este modelo no fue capaz de explicar los experimentos que realizaba Ernest Rutherford, cient�fico neozeland�s, quien utilizaba una fuente de polonio emisora de radiaci�n alfa como herramienta para realizar sus estudios.
Aparece en nuestra historia este personaje, a quien se debe un gran n�mero de descubrimientos que cambiaron el rumbo de la ciencia; se le mencionar� en varias ocasiones en este libro, pues la humanidad est� endeudada con �l por su brillante imaginaci�n y habilidad experimental demostradas en su interpretaci�n de la radiactividad. Rutherford naci� en 1871 en Nueva Zelanda. Estudi� alli matem�ticas y ciencia. Despu�s gan� una beca para estudiar en Cambridge, Inglaterra. Ten�a apenas 24 a�os cuando ya realizaba trabajo de postgrado en ondas electromagn�ticas en el laboratorio Cavendish bajo la direcci�n del profesor Thomson, ya conocido en esta historia. Despu�s de trabajar en universidades de varios pa�ses, finalmente regres� a Cavendish, Cambridge, donde tom� el lugar de su maestro Thomson como profesor de f�sica.
LAS RADIACIONES EMITIDAS POR LOS ELEMENTOS RADIACTIVOS
Ernest Rutherford y su colaborador qu�mico Frederick Soddy propusieron una teor�a que describ�a el fen�meno de la radiactividad. A este proceso se le conoce ahora como decaimiento radiactivo. En 1902, explicaron la naturaleza de la radiactividad y encontraron que el �tomo ya no pod�a considerarse como una part�cula indivisible; estudiaron los productos del decaimiento de un material radiactivo separado qu�micamente del resto de los elementos de donde proven�a, y descubrieron que los materiales radiactivos, al emitir radiaci�n, se transforman en otros materiales, ya sea del mismo elemento o de otro.
La radiaci�n emitida por el uranio y otros elementos radiactivos result� ser bastante compleja; estaba constituida principalmente por tres componentes, a los cuales Rutherford les dio los nombres de alfa (a), beta (b) y gamma (g), respectivamente, tomados de las tres primeras letras del alfabeto griego.
Cuando se hac�a pasar un haz de la radiaci�n a trav�s de un campo magn�tico, los cient�ficos encontraron que una parte, los rayos alfa, se desviaba ligeramente en un sentido; otra parte, los rayos beta, se desviaba fuertemente en el sentido contrario, y, finalmente, una tercera parte, los rayos gamma, no se desviaba.
Rutherford fue el primero en detectar los rayos alfa, y descubri� que, en presencia de campos magn�ticos, se desv�an en forma opuesta a la de los electrones. De aqu� se concluy� que los rayos alfa ten�an que estar cargados positivamente. Como adem�s resultaban desviados s�lo muy ligeramente, calcularon que deb�an de tener una masa muy grande; en efecto, result� que ten�an cuatro veces la masa del hidr�geno. Rutherford los identific� m�s tarde como �tomos de helio cargados positivamente.
Becquerel demostr� que los rayos beta consisten en electrones cargados negativamente, ya que se desv�an en el mismo sentido y en la misma proporci�n que �stos.
Finalmente, Rutherford y Audiade, otro colaborador suyo, descubrieron que los penetrantes rayos gamma son en realidad radiaciones electromagn�ticas parecidas a los rayos X y a la luz visible, pero de diferente energ�a.
�C�mo podr�a explicarse la existencia de los elementos radiactivos si continuamente
se est�n desintegrando? Era de esperarse que se hubieran acabado. Fueron Rutherford
y Soddy quienes contestaron esta pregunta: observaron que para cada material
radiactivo se pod�a asignar un tiempo en el que deca�an la mitad de los �tomos
de la actividad original; este tiempo recibi� el nombre de vida media. Despu�s
de haber transcurrido una vida media, s�lo pod�an encontrar aproximadamente
la mitad de la actividad que ten�an originalmente; despu�s de dos vidas medias,
s�lo la cuarta parte, y as� sucesivamente, hasta que el material radiactivo
se perd�a en su mayor parte (Fig. 2). Graficando la actividad de las radiaciones,
encontraron que disminu�a en el curso del tiempo y ten�a una forma que los matem�ticos
llaman exponencial decreciente (Fig. 3).
Figura 2. Despu�s de una vida media s�lo se tiene la mitad, el 50%, de
la actividad del material radiactivo. Despu�s de dos vidas medias s�lo se tiene
el 25%, y as� sucesivamente, hasta que en la pr�ctica no se puede medir la actividad
del material radiactivo.
Figura 3. Actividad de un is�topo radiactivo en funci�n del tiempo transcurrido.
Despu�s de una vida media el is�topo radiactivo le queda s�lo la mitad de su
radiactividad.
Esta curva y su relaci�n matem�tica expresa la rapidez con la que se transforma el material radiactivo en otro material, el proceso se llama decaimiento o desintegraci�n radiactiva.
Uno de los experimentos de m�s trascendencia de Rutherford y sus colegas, y
el que tal vez ayud� m�s a los cient�ficos a comprender la estructura at�mica,
consisti� en utilizar part�culas alfa emanadas de una fuente radiactiva para
bombardear una l�mina delgada de material. Las part�culas alfa incid�an en una
placa fotogr�fica despu�s de haber atravesado la placa de metal. Casi todas
ellas traspasaban la hoja de metal sin cambiar su direcci�n, y pocas part�culas
rebotaban en diversas direcciones; esto �ltimo lo dedujo Rutherford por los
bordes de las manchas en la placa, que no se ve�an n�tidos, sino todo lo contrario:
se observaba una zona difusa (Fig. 4).
Figura 4. Las part�culas emitidas por la fuente radiactiva se desv�an al pasar
a trav�s de una hoja met�lica. El grado de desviaci�n queda registrado cuando
las part�culas chocan con la placa fotogr�fica.
Estos experimentos, aparentemente tan sencillos, cuyos resultados pudieron haber pasado inadvertidos para muchos, fueron muy significativos para Rutherford, quien obtuvo de ellos resultados verdaderamente asombrosos; concluy� de sus experimentos que la mayor�a de las part�culas alfa pasaban a trav�s de la hoja de metal sin afectarse ni desviarse, como si pasaran a trav�s de un agujero, mientras que otras pocas se desviaban intensamente, causando esa difusi�n observada en la placa fotogr�fica. Si el modelo del �tomo de Thomson fuera correcto, las cargas positivas y negativas estar�an bien difundidas en todo el material y todas las part�culas alfa pasar�an desvi�ndose muy poco. El hecho de que s�lo algunas part�culas alfa se desviaran enormemente significaba para Rutherford que en alguna parte del �tomo deb�a de existir un n�cleo muy denso y cargado positivamente, capaz de rechazar las part�culas alfa, tambi�n cargadas positivamente.
Como consecuencia de sus experimentos y c�lculos, Rutherford encontr� algo
que le debi� de parecer sumamente extra�o: la masa del �tomo estaba encerrada
casi toda en un n�cleo; el �tomo era como una esfera pr�cticamente hueca, y
el tama�o del �tomo deb�a de ser inmensamente mayor que el de ese n�cleo.
Su modelo del �tomo que propuso en 1911, ten�a un n�cleo muy peque�o y muy denso cargado positivamente, rodeado de electrones cargados negativamente en movimiento alrededor del n�cleo.
En la �poca en que Rutherford (Fig. 5) propon�a su modelo nuclear del �tomo,
las �nicas part�culas conocidas que pod�an constituir la materia eran los protones,
part�culas de carga positiva, y los electrones, part�culas de carga negativa.
Rutherford pens� originalmente que el n�cleo podr�a estar formado por protones;
sin embargo, no pudo explicar su modelo del n�cleo con la presencia de s�lo
estas part�culas, ya que supuso que podr�a ser muy inestable, en virtud de la
carga positiva tan condensada que tendr�a. As� fue como predijo, en 1920, la
existencia de una part�cula nuclear neutra, que, seg�n supuso, era necesaria
para la estabilidad del n�cleo. Fue necesario esperar la llegada de los a�os
treinta para que el "neutr�n", como lo llamaron m�s tarde, fuera descubierto.
Durante mucho tiempo se trat� de encontrar al neutr�n postulado por Rutherford; pero fue una casualidad, como sucede muy a menudo con los descubrimientos cient�ficos, lo que hizo posible este descubrimiento. En 1930, dos f�sicos alemanes, Bothe y Becker, observaron una radiaci�n emitida por n�cleos de boro, berilio y litio cuando eran bombardeados por la radiaci�n alfa. Las part�culas desconocidas que se emit�an posteriormente a la irradiaci�n eran muy penetrantes y capaces de atravesar capas gruesas de elementos pesados sin ser absorbidas en forma notoria. Poco despu�s, en el Instituto del Radio en Par�s, dos cient�ficos franceses, a los que nos referiremos en este libro en muchas ocasiones al tratar la radiactividad artificial, Fr�d�ric e Ir�ne Joliot-Curie, estudiaron la absorci�n de los rayos que hab�an encontrado Bothe y Becker. Observaron la propiedad que tienen estas part�culas de ser absorbidas r�pidamente por substancias con un contenido alto de hidr�geno, como la parafina y el agua, y tambi�n de proyectar los �tomos de hidr�geno de estas substancias a una gran velocidad. Los resultados de los trabajos publicados por los Joliot-Curie provocaron la sorpresa de los f�sicos del laboratorio Cavendish de Cambridge. James Chadwick, cient�fico de este laboratorio, estudi� la radiaci�n observada por ellos y su propiedad de proyectar los �tomos de hidr�geno fuera de la parafina.
Despu�s de estudiar su naturaleza y las caracter�sticas de su recorrido a trav�s de la materia, Chadwick concluy� que esta part�cula nueva ten�a una masa muy semejante a la del prot�n, pero sin carga el�ctrica alguna, y era precisamente la part�cula que �l supon�a presente en la materia y que estaba buscando sin �xito desde hac�a muchos a�os: el neutr�n. La radiaci�n encontrada por Bothe y Becker estaba constituida por neutrones, part�culas predichas por Rutherford en el mismo laboratorio. Fueron necesarios m�s de 12 a�os de trabajo sobre el mismo tema por f�sicos alemanes, franceses e ingleses para establecer la existencia del neutr�n. El descubrimiento del neutr�n permiti� resolver los problemas que exist�an para explicar la constituci�n del �tomo. Chadwick reconoci� que el neutr�n formaba parte de todos los n�cleos, con excepci�n del de hidr�geno.
LO QUE SE SABE AHORA SOBRE LA MATERIA
Finalmente se fueron juntando las piezas del rompecabezas para formar una imagen del �tomo. Con el descubrimiento del neutr�n se fortaleci� el modelo nuclear del �tomo de Rutherford.
Posteriormente se presentar�an cambios a este modelo para explicar con m�s exactitud los fen�menos observados; sin embargo, el concepto del modelo nuclear del �tomo no cambi�.
Seg�n la teor�a at�mica, lo que nos rodea est� formado de mol�culas y �stas de elementos, sustancias sencillas que no pueden descomponerse en sustancias m�s sencillas por cambio qu�mico. Los elementos, a su vez, est�n formados por �tomos, part�culas extremadamente peque�as que el ojo humano no puede distinguir. Es f�cil darse cuenta de que debe de existir un gran n�mero de ellos, ya que una gota de agua contiene aproximadamente 1 000 000 000 000 000 000 000 (1021, es decir, mil trillones) de �tomos. Esta cantidad tan grande da idea de la peque�ez del �tomo y del gran n�mero de ellos que existen en todo lo que nos rodea.
Los �tomos, de acuerdo con la teor�a de Rutherford, est�n constituidos por un n�cleo de carga el�ctrica positiva, rodeado por una nube de electrones o negatrones, con carga el�ctrica total de igual magnitud que la del n�cleo, pero de signo opuesto. Los electrones, que giran alrededor del n�cleo a grandes velocidades, tienen carga el�ctrica negativa y una masa muy peque�a; una dosmil�sima parte de la masa de un prot�n.
El tama�o del n�cleo es tan peque�o, comparado con el resto del �tomo, que si el �tomo fuera una esfera de 1 kil�metro de di�metro, su n�cleo tendr�a apenas el tama�o de una canica de 1 cm y los electrones se ver�an apenas como puntos a los que dif�cilmente se les podr�a medir sus dimensiones. De hecho, el n�cleo contiene casi toda la masa del �tomo, y en muchos casos es aproximadamente 4 000 veces m�s pesado que los electrones perif�ricos, pero tiene dimensiones muy peque�as.
Por ser precisamente la parte fundamental del n�cleo, a los protones y neutrones se les llama nucleones. A pesar de su peque�ez, el n�cleo del �tomo es muy pesado: si se pudiera juntar materia nuclear en un volumen de 1 cm³, su peso ser�a de doscientos millones de toneladas.
Una vez que se estableci� el modelo nuclear del �tomo, se hizo evidente que las transformaciones radiactivas son procesos nucleares. Todos los n�cleos, excepto el del hidr�geno, est�n formados principalmente por protones y neutrones. El n�mero de protones, que es tambi�n igual al n�mero de electrones extranucleares en el �tomo neutro, es su n�mero at�mico. Por otra parte, el n�mero total de nucleones, es decir de protones y neutrones, se conoce como masa at�mica.
Los n�meros at�micos de los elementos conocidos van desde 1 para el hidr�geno hasta el 106 para el elemento m�s pesado conocido. Se conocen, adem�s, n�cleos con n�mero de neutrones desde cero hasta 159. Los n�meros de masa (masa at�mica) de los elementos conocidos var�an desde 1 hasta 263. Es importante notar que en el caso de los elementos m�s ligeros la masa at�mica es aproximadamente el doble del n�mero at�mico. Esto es otra forma de decir que estos n�cleos ligeros contienen aproximadamente n�meros iguales de protones y neutrones. El helio-4, en particular, tiene 2 protones y 2 neutrones.
Los cient�ficos acostumbran expresar en forma taquigr�fica la nomenclatura de los n�cleos con diferentes propiedades f�sicas. El s�mbolo utilizado para denotar las especies nucleares es el s�mbolo qu�mico del elemento con el n�mero de masa como super�ndice izquierdo y el n�mero at�mico como sub�ndice izquierdo; as�, el helio de masa 4 se transcribe: 4/2He. En la literatura antigua se utilizaba tambi�n poner el n�mero de masa como super�ndice derecho: 2He4, nomenclatura que en ocasiones a�n se encuentra en la literatura. Sin embargo, el sub�ndice, que indica el n�mero at�mico, a menudo se omite, pues cada elemento qu�mico tiene su n�mero at�mico caracter�stico. Existe tambi�n la costumbre de simplificar esta nomenclatura escribiendo el nombre del elemento seguido de un n�mero que indica su n�mero de masa: helio-4.
Las masas de los n�cleos at�micos son tan peque�as cuando se expresan en gramos (menos de 10-21 gramos), que se expresan en general en una escala diferente. La escala que se acepta universalmente en la actualidad est� basada en la masa de un �tomo de carbono-12 tomado exactamente como 12 000 000 unidades at�micas de masa. La informaci�n a este respecto para cada elemento se encuentra distribuida muy ampliamente en la literatura de tablas que dan la informaci�n; sin embargo, es importante hacer notar que esta informaci�n est� dada en general para las masas at�micas y no sobre las masas nucleares. En otras palabras: las masas tabuladas incluyen las masas de los electrones extranucleares en los �tomos neutros.
MENDELEEV, SU TABLA PERI�DICA DE LOS ELEMENTOS Y LA RADIACTIVIDAD
Mendeleev, en 1864, clasific� los elementos conocidos en esa �poca en lo que
llam� tabla peri�dica (Fig. 6).
Figura 6. Tabla peri�dica de los elementos. Mendeleev agrup� los
elementos con propiedades semejantes uno junto a otro horizontalmente, mientras
que en las tablas actuales, como la que se muestra, se colocan uno debajo del
otro. Mendeleev orden� los elementos por sus pesos at�micos; ahora se ordenan
conforme a sus n�meros at�micos. As� pues, hay varias diferencias entre la tabla
original del cient�fico ruso y las actuales.
Para comprender la importancia de la tabla peri�dica de los elementos retrocedamos en el tiempo al a�o de 1815, cuando el cient�fico y m�dico ingl�s William Prout observ� que, al escoger el peso del hidr�geno como la unidad, las masas at�micas de la mayor�a de los elementos ligeros eran muy aproximadamente cercanas a n�meros enteros. Esto lo llev� a concluir que los �tomos de todos los elementos deber�an de estar formados por �tomos de hidr�geno. De acuerdo con esta teor�a, el �tomo de ox�geno estar�a formado por 16 �tomos de hidr�geno, y el carbono por 12. Ahora sabemos que Prout estaba muy cerca de la realidad; sin embargo, su idea no fue aceptada en esa �poca. S�lo 54 a�os desp��s, cuando estas ideas se cristalizaron, Dimitri Mendeleiev en Rusia y Lothar Meyer en Alemania, en el mismo a�o, publicaron tablas similares, en las que establecieron las leyes de las propiedades de los elementos, a los que ordenaron de acuerdo con sus masas at�micas, comenzando por el hidr�geno, el m�s ligero de ellos. Mendeleiev agrup� los elementos, por orden creciente de sus pesos at�micos, en periodos o series, de manera que quedasen ordenados por propiedades semejantes.
Huecos en la clasificaci�n de Mendeleev
En la �poca de Mendeleev faltaban a�n numerosos elementos por descubrirse, y constitu�an los huecos en la tabla que elabor�. En vez de considerarlos como excepciones de su sistema de clasificaci�n Mendeleev supuso, con osad�a, que los huecos de su clasificaci�n correspond�an a elementos desconocidos en esa �poca; y como si eso fuera poco, se lanz� a describir los elementos faltantes. Se puede decir que la importancia de su tabla peri�dica de los elementos se basa m�s en los huecos que encontr� que en la tabla misma. Mendeleev se fij� de modo especial en tres huecos que quedaban junto a los elementos boro, aluminio y silicio y que correspond�an a elementos a�n no conocidos, sabiendo de ellos solamente el sitio que ocupar�an en la tabla cuando fuesen descubiertos. Lleg� incluso a ponerles nombres a los elementos que correspond�an a esos huecos: ekaboro, ekaaluminio y ekasilicio.
Tomando en cuenta que las propiedades de los elementos en un mismo grupo son semejantes, Mendeleev pudo predecir sus propiedades f�sicas y qu�micas. Quiz�s la tabla de Mendeleev no habr�a tenido tanta importancia si no se hubieran verificado sus predicciones. Los diferentes elementos que faltaban dentro de la tabla fueron descubri�ndose generalmente a partir de los minerales de los elementos vecinos, ya que las propiedades qu�micas similares tienden a reunir a los elementos del mismo grupo.
Los tres elementos mencionados, ekaboro, ekaaluminio y ekasilicio, fueron descubiertos en un periodo de quince a�os a partir de la descripci�n de Mendeleev. Con el descubrimiento del germanio, la hip�tesis se fortaleci�, pues las propiedades de ese elemento se parec�an asombrosamente a las del ekasilicio predicho por Mendeleev. Igualmente sorprendentes resultaron los descubrimientos del galio, que correspond�a al ekaaluminio, y del escandio, correspondiente al ekaboro. Nadie pod�a dudar despu�s de esto de la validez o utilidad de la tabla peri�dica.
A pesar del gran �xito que hab�a tenido el sistema de Mendeleev, a�n ten�a que resistir la repercusi�n del descubrimiento de varios materiales radiactivos, para los que no parec�a encontrarse sitio en la tabla peri�dica.
Todav�a en los a�os veinte de este siglo quedaban por descubrirse varios elementos, entre ellos los an�logos del manganeso, cuya existencia fue anticipada por Mendeleev, quien los llam� ekamanganeso y dvimanganeso. Transcurrieron m�s de 50 a�os hasta que se descubri� el renio, que correspond�a al dvimanganeso de Mendeleev. De hecho, el renio fue el �ltimo de los elementos estables descubiertos; y fue necesario el desarrollo de la f�sica nuclear y de la radioqu�mica para descubrir, finalmente, que los elementos faltantes eran radiactivos de vida media bastante m�s corta que la vida de nuestro planeta y que, por consiguiente, no exist�an en la Tierra.
Ya para el a�o de 1912 se hab�an encontrado un gran n�mero de diferentes materiales radiactivos; pero �c�mo se pod�an acomodar en la clasificaci�n peri�dica de los elementos? Hab�a docenas de estos materiales radiactivos, y en la tabla de Mendeleev no hab�a sitio para ellos.
Frederick Soddy, quien hab�a colaborado anteriormente con Rutherford en la explicaci�n del comportamiento de la radiactividad natural, sab�a que el n�cleo de un �tomo radiactivo pierde peso y carga positiva al emitir una part�cula alfa. No obstante, cuando un n�cleo emite una part�cula beta su peso permanece casi sin cambio, pero su carga aumenta. As� fue como Soddy pudo deducir los pesos y la carga nuclear de muchos productos radiactivos. En varios casos, dos productos radiactivos diferentes ten�an la misma carga nuclear pero diferentes pesos. La carga positiva que posee un n�cleo es la que determina la cantidad de electrones necesarios para neutralizar el �tomo; la carga del n�cleo es, por lo tanto, la responsable de sus caracter�sticas exteriores, o sea, las propiedades qu�micas del �tomo.
Esta conclusi�n se confirm� cuando Soddy encontr� que los diferentes materiales radiactivos no siempre se pod�an separar unos de otros por t�cnicas qu�micas, lo cual indicaba que eran partes de un mismo elemento qu�mico, que cada grupo de especies inseparables correspond�a a un solo elemento qu�mico y que en el mismo sitio de la tabla peri�dica quedaban clasificados �tomos qu�micamente iguales con n�cleos diferentes y con propiedades f�sicas distintas. Soddy propuso el nombre de is�topo, del griego iso —igual— y topos —lugar—, para designar a las especies de un grupo; ese nombre indica, pues, que tales especies ocupan el mismo lugar en la clasificaci�n de los elementos. Actualmente en cada casilla de la tabla de elementos se clasifican todos los �tomos con el mismo n�mero de protones, o sea, con el mismo n�mero at�mico, aun cuando su masa sea diferente como consecuencia de tener diferente n�mero de neutrones. De acuerdo con esta definici�n, todos los n�cleos que tienen el mismo n�mero de protones, pero con diversas combinaciones de neutrones, se llaman is�topos. Todos los is�topos de un elemento tienen la misma cantidad de electrones perif�ricos, y esta cantidad es igual al n�mero de protones del n�cleo. Como el comportamiento qu�mico de los elementos depende de sus electrones, entonces se puede decir que todos los is�topos de un elemento se comportan qu�micamente en la misma forma. En la naturaleza se encuentran elementos que tienen varios is�topos.
El elemento m�s sencillo, el hidr�geno, tiene un solo prot�n, pero se conocen
tres is�topos de este elemento: el hidr�geno-l, el hidr�geno-2 o deuterio, y
finalmente el hidr�geno-3 o tritio, cuyos n�cleos est�n formados solamente por
1 prot�n; el primero de ellos no tiene neutrones, mientras que el segundo, el
deuterio, tiene un solo neutr�n, y el tritio tiene 2 neutrones (Fig. 7).
Agua. De acuerdo con el is�topo de hidr�geno que contengan, existen diferentes mol�culas de agua:
El agua ligera est� formada por dos �tomos de hidr�geno y uno de ox�geno:
el agua pesada tiene un �tomo de deuterio:
y, finalmente, el agua tritiada tiene un �tomo de tritio:
El uranio que existe en la naturaleza tambi�n tiene varios is�topos: el uranio-234, el uranio-235 y el uranio-238. Todos ellos tienen 92 protones en el n�cleo; el primero tiene s�lo 142 neutrones, mientras que el segundo tiene 143, y el �ltimo tiene 146.
Los is�topos estables con pocos protones tienen, en general, un n�mero igual
de neutrones; pero a medida que aumenta el n�mero de protones va aumentando
la carga positiva concentrada, y para estabilizar el �tomo aumenta tambi�n el
n�mero de neutrones; de otra forma, la repulsi�n entre las cargas positivas
de los protones har�a que el �tomo fuera muy inestable. Esto se puede ver en
la gr�fica que muestra el n�mero de neutrones de un n�cleo en funci�n de su
n�mero de protones (Fig. 8). A esta curva se le llama curva de estabilidad del
n�cleo, y muestra que los n�cleos estables con pocos protones es t�n a lo largo
de una l�nea diagonal, donde existen igual n�mero de protones y neutrones, pero
a medida que aumenta el n�mero de protones la l�nea se va curvando, lo cual
indica que en �tomos con masas nucleares grandes los n�cleos estables tienen
muchos m�s neutrones que protones. Sin embargo, hay un l�mite para la estabilidad
de los n�cleos, ya que todos los que tienen 84 protones o m�s son radiactivos.
Figura 8. Respresentaci�n del n�mero de neutrones en funci�n del n�mero de protones
de los diferentes n�cleos. A lo largo de la l�nea oblicua se encuentran aquellos
n�cleos ligeros con igual n�mero de protones y neutrones. (Referencia: Fern�ndez-Valverde,
M., Ciencia y Desarrollo 23, p. 880, 1978.)
LOS IS�TOPOS RADIACTIVOS Y LAS RADIACIONES QUE EMITEN
Se ha comentado antes que algunos is�topos de elementos que se encuentran en
la naturaleza son inestables. Esto significa que sus n�cleos emiten radiaciones
o part�culas, o ambas, y se descomponen espont�neamente, formando �tomos del
mismo o de otros elementos. A estos is�topos inestables se les llama is�topos
radiactivos. Mientras que el hidr�geno-l y el hidr�geno-2, o deuterio, son is�topos
estables del elemento hidr�geno, el tritio es radiactivo y se desintegra emitiendo
radiaci�n beta. Asimismo, el carbono-12, is�topo estable, tiene 6 neutrones
y 6 protones, mientras que el carbono-14, con 6 protones y 8 neutrones, es radiactivo.
Estos is�topos radiactivos se encuentran fuera de la l�nea de estabilidad ya
discutida anteriormente. La radiaci�n alfa, beta y gamma provienen del n�cleo
at�mico (Fig. 9).
Figura 9. Las radiaciones alfa (a), beta (b)
y gamma (g) provienen del n�cleo at�mico. (Referencia:
Segovia, Naturaleza 5, p. 107, 1974.)
Soddy describi� el modo en que un �tomo cambia al emitir una part�cula alfa, la cual est� constituida por un n�cleo de helio, formado por cuatro nucleones: dos protones y dos neutrones (v�ase, adelante, la Fig. 31).
Cuando un n�cleo decae por la emisi�n de una part�cula alfa su masa at�mica disminuye en cuatro unidades, ya que pierde dos neutrones y dos protones, y su n�mero at�mico en dos unidades, pues pierde dos cargas positivas del n�cleo. Como ejemplo de este decaimiento se tiene el caso de los �tomos de radio-226 que tienen n�mero at�mico 88.
En un gramo de radio cada segundo se transforman 37 000 000 000 de �tomos en
�tomos de otro elemento, el rad�n, que es un elemento gaseoso. A su vez, el
n�mero de masa del rad�n es 222 y su n�mero at�mico es 86. Difiere del radio
por cuatro unidades de masa y dos unidades en su n�mero at�mico (Fig. 10). Estas
4 unidades de masa y dos unidades de n�mero at�mico no pueden desaparecer: se
eliminan en forma de la part�cula alfa. Si un �tomo pierde una part�cula alfa,
con una carga +2, la carga total de su n�cleo disminuye en dos. Si se grafica
el n�mero de neutrones en funci�n del n�mero de protones en una tabla como la
del ajedrez, se puede observar c�mo se transforma el n�cleo del radio-226 en
rad�n-222 durante la emisi�n de la part�cula alfa (Fig. 11).
Figura 10. Decaimiento alfa del radio-226.
Figura 11. Decaimiento alfa del radio-226.
Existe otro tipo de decaimiento radiactivo, por emisi�n de las part�culas beta. Las part�culas beta emitidas por los n�cleos son electrones. Las radiaciones emitidas por el uranio, torio y otros elementos naturales incluyen electrones de carga negativa; pero ahora se sabe que tambi�n existen n�cleos inestables que emiten electrones positivos: a los primeros tambi�n se les llama negatrones; a los segundos se les denomina positrones. Estos electrones no deben confundirse con los electrones que se mueven a grandes velocidades alrededor del n�cleo del �tomo.
Ya que la masa del electr�n es s�lo una peque��sima parte de la masa del �tomo, la emisi�n de una part�cula beta pr�cticamente no altera el n�mero de masa de un n�cleo radiactivo. Sin embargo, la emisi�n de una part�cula beta negativa se lleva una unidad de carga negativa del n�cleo. Como consecuencia, �ste se carga positivamente y el n�mero at�mico del �tomo aumenta en una unidad. La emisi�n de una part�cula beta positiva tiene precisamente el efecto opuesto, el n�cleo pierde una carga positiva y el n�mero at�mico disminuye en una unidad.
Cuando el yodo-131 decae el emitir una part�cula beta negativa nace un n�cleo
de xen�n-131, que es un gas noble. En la figura 12 se grafica en forma de tablero
de ajedrez este decaimiento; ah� se indica c�mo se transforma el yodo en xen�n,
cuyo n�cleo tiene un prot�n m�s que el yodo.
Figura 12. Decaimiento beta negativo.
Por otra parte, cuando el cobre-64 decae al emitir una part�cula beta positiva
nace tambi�n un n�cleo nuevo, en esta ocasi�n el n�quel-64. La gr�fica de la
figura 13 muestra este decaimiento e indica c�mo se transforma el cobre en n�quel,
cuyo n�cleo tiene un prot�n menos que el cobre.
Figura 13. Decaimiento beta positivo.
Finalmente, los rayos gamma, en la mayor�a de los casos, acompa�an a la emisi�n de part�culas alfa o beta y acarrean el exceso de energ�a que tiene el n�cleo despu�s de su decaimiento. Cuando un �tomo emite un rayo gamma (sin carga), se altera su contenido energ�tico pero no cambia el n�mero de part�culas, de modo que contin�a siendo el mismo elemento y no cambia su posici�n en el tablero de ajedrez utilizado anteriormente.
Existen algunos is�topos radiactivos que tienen masas y cargas id�nticas, es decir, que tienen el mismo n�mero de protones y de neutrones, pero diferentes propiedades radiactivas, como son sus vidas medias y las energ�as de las radiaciones emitidas. Estos n�cleos reciben el nombre de is�meros nucleares. El is�mero que presenta el estado de mayor energ�a, el m�s excitado, recibe el nombre de is�mero en estado metaestable, y al de menor energ�a, se le llama is�mero en estado base. Un n�cleo metaestable puede decaer, por emisi�n de rayos gamma, a su is�mero en el estado base. La transici�n de un estado a otro se llama transici�n isom�rica. Por ejemplo, el selenio 81 m emite radiaci�n electromagn�tica y pasa a selenio 81 en el estado base. A menudo, estos is�meros nucleares en el estado base tambi�n son radiactivos.
LA PENETRACI�N DE LAS RADIACIONES NUCLEARES EN LA MATERIA Y LOS EFECTOS QUE PRODUCEN
Cada una de las radiaciones nucleares alfa, beta y gamma se caracteriza por
su diferente poder de penetraci�n en la materia. Las part�culas alfa son frenadas
por una hoja de papel, que no les permite continuar su trayectoria, mientras
que esta misma hoja s� permite pasar a las part�culas beta y a la radiaci�n
gamma; una hoja delgada de aluminio como de 1 mm de espesor s�lo deja pasar
una peque�a fracci�n de la radiaci�n beta y casi la totalidad de la radiaci�n
gamma; una placa de plomo intercepta la radiaci�n gamma, dejando pasar solamente
una fracci�n de ella (Fig. 14).
Figura 14. Las part�culas alfa son frenadas por una hoja de papel, pero las
part�culas beta s� la atraviesan. Una hoja delgada de aluminio s�lo deja pasar
una fracci�n de las part�culas beta y casi la totalidad de la radiaci�n gamma.
La placa de plomo es la �nica que intercepta la radiaci�n gamma.
La poca penetraci�n que tienen en la materia las radiaciones alfa y beta se
debe principalmente a que son part�culas cargadas el�ctricamente y a que, por
esto mismo, interaccionan con la materia. Existen dos tipos de interacci�n de
las part�culas cargadas con la materia: la ionizaci�n y la excitaci�n. La ionizaci�n
es el fen�meno en el que las part�culas alfa y beta al recorrer el material
le ceden parte de su energ�a arranc�ndole electrones de sus �tomos y dej�ndolos
cargados positivamente; a estas especies se les llama iones (Fig. 15). En este
proceso tambi�n se liberan electrones, que, como sabemos, tienen cargas negativas.
La excitaci�n, por otra parte, consiste en que cuando las part�culas cargadas,
alfa o beta, atraviesan el material dejan a los electrones perif�ricos de sus
�tomos con mayor energ�a que la que ten�an antes (Fig. 16). El �tomo queda as�
con un exceso de energ�a, y puede volver a su estado original b�sico emitiendo
en forma de luz la energ�a sobrante.
Figura 16. Fen�meno de excitaci�n. (Referencia: Segovia, Naturaleza 5, p. 107, 1974.)
El n�mero de iones liberados y el tipo de luz emitida en un material por el
paso de la radiaci�n dependen, entre otras cosas, de la energ�a que pierden
las part�culas cargadas alfa y beta al atravesarla. Pero �y la radiaci�n gamma?
No tiene carga ni masa y su poder de penetraci�n en la materia es muy grande;
sin embargo, esta radiaci�n puede producir otros tres fen�menos, denominados
efecto Compton, efecto fotoel�ctrico y creaci�n de pares (Fig. 17). Lo m�s importante
de estos tres efectos es que en todos ellos aparecen part�culas cargadas el�ctricamente;
las que producen a su vez, como fen�menos secundarios, la ionizaci�n y la excitaci�n.
As� pues, se puede generalizar diciendo que la radiaci�n nuclear interacciona
con la materia que atraviesa y produce de manera directa o indirecta ionizaci�n
o excitaci�n de los �tomos y por este efecto se pueden medir.
Figura 17. Tres fen�menos provocados por la radiacion gamma. (Referencia: Segovia, Naturaleza 5, p. 107, 1974.)
�C�MO SE MIDE LA RADIACTIVIDAD?
La radiactividad es un fen�meno que tard� mucho en descubrirse, pues el ser humano no puede ver ni oler ni o�r las radiaciones emitidas por los elementos radiactivos: por lo general, sus sentidos no pueden percibirla. Pero en cuanto se descubri� que el uranio emit�a radiaciones se empezaron a fabricar instrumentos que ayudaran a los sentidos a detectar lo imperceptible. Las radiaciones nucleares s�lo se pueden observar indirectamente a trav�s de los efectos que producen al atravesar la materia, y los aparatos dise�ados para medir su energ�a e intensidad est�n basados en estos efectos: 1) La producci�n de iones cargados el�ctricamente, 2) la producci�n de excitaci�n que se emite en forma de luz.
El primer m�todo para medir la radiactividad precisamente fue el que le permiti� a Becquerel descubrirla. En efecto, la placa fotogr�fica es un detector de radiactividad que se ennegrece en menor o mayor grado cuando la radiaci�n nuclear incide en ella. Mayor ennegrecimiento indica presencia de mayor cantidad de radiaciones nucleares. Becquerel se dio cuenta del car�cter ionizante de las emanaciones del uranio y utiliz� para medirlas un aparato ya conocido en su �poca, el electroscopio, que se utilizaba para medir corriente el�ctrica.
El fen�meno de ionizaci�n puede observarse gracias a que los iones cargados positivamente y los electrones cargados negativamente pueden ser acelerados por un campo el�ctrico, pasar por un filamento y generar as� una corriente el�ctrica que se mide con un aparato apropiado. Mayor corriente el�ctrica indica la presencia de fuentes radiactivas de mayor intensidad. La respuesta del equipo detector puede observarse en otro dispositivo que registre las radiaciones detectadas: un escalador, una bocina o una bombilla el�ctrica (foco).
El fen�meno de excitaci�n electr�nica puede observarse gracias a los destellos luminosos que se producen al desexcitarse los �tomos excitados. Estos destellos luminosos se pueden observar en ocasiones directamente y en otras ocasiones requieren de ayuda de dispositivos que puedan analizar la luz de esos destellos.
Para detectar part�culas alfa se requieren ventanas extremadamente delgadas, pues de otra forma estas part�culas se frenan en la ventana y no la pueden penetrar. Tambi�n se utilizan ventanas especiales para detectar part�culas beta, cuando no se requiere que sean tan delgadas como las utilizadas para detectar las part�culas alfa.
La radiaci�n gamma es mucho m�s penetrante. Puede pasar a trav�s de las paredes de un contador ordinario, por lo que no requiere de ventanas especiales. La facilidad o dificultad con que una radiaci�n pasa a trav�s de una pared o una ventana de un detector ayuda para identificarla. Por ejemplo, la part�cula alfa no atraviesa las ventanas que se emplean para detectar part�culas beta. Una l�mina delgada de metal colocada sobre la ventana para medir part�culas beta excluir� a estas part�culas beta, pero no detendr� a la radiaci�n gamma.
Como ejemplo de detectores, mencionaremos el inventado por Geiger y que por ello lleva su nombre; se basa en el fen�meno de la ionizaci�n. Se puede construir en muchas diferentes formas y tama�os; la forma cil�ndrica es generalmente la m�s sencilla de construir.
El material que se usa para fabricar un detector de este tipo es un gas confinado
en un recipiente cubierto con una capa met�lica en el interior. Al aplicarse
una diferencia de potencial en los electrodos se pueden medir tanto los electrones
como los iones positivos producidos durante el proceso de ionizaci�n al pasar
la radiaci�n nuclear por el gas confinado. La figura 18 muestra un cilindro
lleno de un gas; el electrodo negativo es el alambre central, y el positivo
la capa met�lica del tubo mismo. Al conectarse el sistema a una fuente de voltaje
se crea una diferencia de potencial. Cuando el voltaje aumenta, tambi�n aumenta
la cantidad de electrones que pasan por el alambre (Fig. 18).
Figura 18. El detector Geiger mide la radiactividad. (Referencia:
Segovia,
Naturaleza 5, p. 109, 1974.)
Cada is�topo radiactivo emite radiaci�n de energ�a caracter�stica; y gracias
a que esta radiaci�n es siempre la misma, se pueden identificar los �tomos que
las emiten. En la actualidad se utiliza un detector apropiado acoplado a un
equipo que se conoce con el nombre de analizador multicanal, el cual, adem�s
de detectar la radiaci�n emitida por cada is�topo radiactivo, puede determinar
la energ�a de �sta. Cuando la radiaci�n incide en el detector se produce una
se�al o pulso el�ctrico, y el tama�o de este pulso depende de la energ�a absorbida
por el detector. El analizador multicanal tiene una serie de peque�as ventanas,
denominadas canales; cada una de ellas acepta s�lo los pulsos que poseen una
altura determinada y los acumula. La informaci�n que se obtiene despu�s de un
cierto tiempo se traduce en un espectro de energ�as, que se construye haciendo
una gr�fica del n�mero de cuentas acumulado en cada canal en funci�n del n�mero
de �ste, es decir, de la energ�a (Fig. 19).
Figura 19. Arriba: Esquema de una analizador multicanal. 1)
Llegan todos los pulsos. 2) Los pulsos se acumulan en los canales despu�s
de ser clasificados en funci�n de su altura, es decir, de la enreg�a. Abajo:
Espectro gamma caracter�stico del sodio de masa 24. Este espectro fue obtenido
con un detector de germanio-litio acoplado a un analizador de 4 000 canales.
(Referencia: Jim�nez Reyes, Ciencia y Desarrollo 23, p. 67, 1978.)
