Inestabilidad nuclear

Isótopos

Así, encontramos que lo que determina el elemento al cual pertenece un determinado átomo es su número de protones (Z).

• En el caso de los elementos ligeros, la inestabilidad suele deberse a un exceso de neutrones.
  • Esto significa que únicamente algunos isótopos ligeros sufren procesos de desintegración.
• En el caso de los elementos pesados, la inestabilidad se debe a una gran cantidad de protones y/o neutrones en el núcleo.
  • Por esto, todos los isótopos pesados sufren procesos de desintegración.

El proceso de estabilización atómica de los núcleos puede implicar una serie de emisiones de radiación combinadas entre sí. Estas emisiones pueden representarse gráficamente para facilitar su comprensión. En general, se suelen utilizar la tabla de nucleidos y las series de desintegración.

Tabla de nucleidos

Normalmente, el número de protones se representa en el eje horizontal y el número de neutrones en el eje vertical. También es habitual trazar la recta correspondiente a N = Z, para tener una referencia rápida de los elementos que están por debajo, por encima o sobre la línea. Esto da información útil sobre sus propiedades de desintegración.

Además, se puede añadir otro método de representación (como un código de colores) que indique qué tipo de desintegración sufren los átomos inestables para alcanzar la estabilidad. Esto suele hacerse para extraer información relevante sobre la estructura de los átomos y sus propiedades de desintegración.

A continuación enumeramos algunas de las características generales de este gráfico:

Fig. 1: Tabla de nucleidos por tipo de desintegración nuclear.

• La curva se hace más pronunciada (por encima de la línea N = Z) a medida que aumenta el número de protones; lo que significa que para los elementos más pesados la estructura típica de sus átomos es con más neutrones que protones. Esto se explica por las complejas interacciones que se producen en el interior de los núcleos.
• Los procesos de desintegración alfa tienen lugar en los átomos que tienen una alta proporción de neutrones y protones. Todos los isótopos inestables sujetos a la desintegración alfa están por encima de la línea N = Z.
• La relación numérica entre la cantidad de neutrones y protones es mayor en los procesos de desintegración beta-negativa que en los procesos de desintegración beta-positiva. Esta última también puede ocurrir aunque un átomo tenga más protones que neutrones.
• Para los elementos ligeros (menos de 20 protones), la estabilidad se consigue teniendo aproximadamente el mismo número de protones y neutrones.
• En el caso de los elementos más pesados, la estabilidad se consigue teniendo un mayor número de neutrones que de protones.
• Para ciertos elementos, existen varios isótopos estables (líneas negras verticales en el gráfico). El caso del estaño (N = 50) es notable, porque tiene diez isótopos estables.
• Para los elementos con más de 82 protones no hay formas estables y los procesos de desintegración son inevitables.

Hay otros tipos de procesos de desintegración que pueden sufrir los átomos, como la fisión o la desintegración neutrónica (aunque no los consideraremos aquí).

Sin embargo, se puede observar que este gráfico no contiene la información de los núcleos que resultan tras los procesos de desintegración. Esto se debe a que se trata de una cuestión muy compleja, que no puede describirse, simplemente, de forma gráfica.

Los cuatro elementos que decaen siguiendo estas secuencias son: el torio (Z = 90), el uranio (Z = 92), el actinio (Z = 89) y el neptunio (Z = 93).

Metaestabilidad

Esta inestabilidad está causada por un exceso de energía resultante del o los procesos de desintegración. Dado que el contenido de partículas corresponde a un estado estable, los átomos suelen liberar el exceso de energía por medio de la radiación gamma.

Fig. 2: El posible proceso de descomposición del cobalto-60 en níquel-60.

¿Cuáles son algunas aplicaciones de la inestabilidad nuclear?

Tras el descubrimiento de la radiación nuclear, por parte de Becquerel a finales del siglo XIX, y el estudio exhaustivo de Marie Skłodowska y otros en el siglo XX, las aplicaciones de la radiación nuclear se han multiplicado. Actualmente, abarcan desde el ámbito médico hasta la producción de energía e, incluso, en el ámbito militar.

Fusión y fisión nuclear

Las centrales nucleares son una de las formas más conocidas de producción de energía. Aunque no son una fuente de energía perfectamente limpia o renovable, los residuos que producen son mucho menos abundantes que los producidos por las fuentes no renovables. Sin embargo, sus residuos son extremadamente peligrosos, si no se tratan con precaución.

• Cuando se controla adecuadamente, la reacción puede utilizarse para producir energía térmica que, a su vez, puede utilizarse para producir energía eléctrica.
• Si la reacción no se controla y el material usado tiene la densidad necesaria puede dar lugar a una emisión de energía masiva en segundos, como sucede en una bomba nuclear.

Sin embargo, hay algunos átomos ligeros que necesitan ganar partículas para alcanzar un estado estable (los que están por debajo de la línea N = Z en la curva NZ).

Fig. 3- Planta nuclear en Dukovany, República Checa.

Isótopos utilizados como trazadores

Los núcleos metaestables pueden decaer muy rápidamente, en cuestión de días u horas. Esta emisión de radiación característica de corta duración permite utilizar estos átomos como rastreadores; usando detectores de radiación gamma y reconstruyendo la trayectoria medida, podemos rastrear con precisión ciertos movimientos.