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Desintegración radiactiva

La desintegración radiactiva (también conocida como desintegración nuclear , radiactividad , desintegración radiactiva o desintegración nuclear ) es el proceso por el cual un nú...

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La desintegración radiactiva (también conocida como desintegración nuclear , radiactividad , desintegración radiactiva o desintegración nuclear ) es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía por radiación . Un material que contiene núcleos inestables se considera radiactivo . Tres de los tipos más comunes de desintegración son la desintegración alfa , beta y gamma . La fuerza débil es el mecanismo responsable de la desintegración beta, mientras que las otras dos están regidas por las fuerzas electromagnética y nuclear . [ 1 ]

La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales. Según la teoría cuántica , es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular, independientemente de cuánto tiempo haya existido. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Sin embargo, para un número significativo de átomos idénticos, la tasa de desintegración global puede expresarse como una constante de desintegración o como una vida media . Las vidas medias de los átomos radiactivos tienen un rango enorme: desde casi instantáneas hasta mucho más largas que la edad del universo .

El núcleo que se desintegra se denomina radionúclido padre (o radioisótopo padre ), y el proceso produce al menos un nucleido hijo . Excepto en el caso de la desintegración gamma o la conversión interna desde un estado excitado nuclear , la desintegración es una transmutación nuclear que da como resultado un núcleo hijo con un número diferente de protones o neutrones (o ambos). Cuando cambia el número de protones, se crea un átomo de un elemento químico diferente.

En la Tierra existen 28 elementos químicos radiactivos de origen natural, que comprenden 35 radionúclidos (siete elementos tienen dos radionúclidos diferentes cada uno) anteriores a la formación del Sistema Solar . Estos 35 se conocen como radionúclidos primordiales . Ejemplos bien conocidos son el uranio y el torio , pero también se incluyen radioisótopos naturales de larga vida, como el potasio-40 . Cada uno de los radionúclidos primordiales pesados ​​participa en una de las cuatro cadenas de desintegración .

Historia del descubrimiento

Pierre y Marie Curie en su laboratorio de París, antes de 1907.

Henri Poincaré sentó las bases para el descubrimiento de la radiactividad a través de su interés y estudios de los rayos X , que influyeron significativamente en el físico Henri Becquerel . [ 5 ] La radiactividad fue descubierta en 1896 por Becquerel e independientemente por Marie Curie , mientras trabajaban con materiales fosforescentes . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Estos materiales brillan en la oscuridad después de la exposición a la luz, y Becquerel sospechó que el brillo producido en los tubos de rayos catódicos por los rayos X podría estar asociado con la fosforescencia. Envolvió una placa fotográfica en papel negro y colocó varias sales fosforescentes sobre ella. Todos los resultados fueron negativos hasta que usó sales de uranio . Las sales de uranio causaron un ennegrecimiento de la placa a pesar de que la placa estaba envuelta en papel negro. [ 11 ] : 48 Curie denominó a la radiación rayos de Becquerel , "rayos de Becquerel", y demostró que estos rayos eran una propiedad de los átomos. [ 11 ] : 54

Si bien los rayos X se producían mediante energía eléctrica, la fuente de energía para la radiación era un misterio. En 1899, Julius Elster y Hans Geitel realizaron experimentos clave para encontrar la fuente de energía de la radiactividad, descartando la extracción de energía del aire mediante mediciones en el vacío y la extracción de energía del espacio exterior mediante mediciones a 300 m de profundidad en una mina en las montañas Harz . [ 11 ] : 100 Si los propios átomos fueran la fuente de energía, esto significaría que los átomos, aparentemente inmutables, debían alterarse al emitir los rayos. En 1900, Curie resumió el enigma de la radiactividad como una elección entre dos posibilidades igualmente improbables: o la energía no se conservaba o los elementos químicos podían transmutarse. [ 11 ] : 112

Rutherford fue el primero en darse cuenta de que todos estos elementos se desintegran según la misma fórmula exponencial matemática. Rutherford y su alumno Frederick Soddy fueron los primeros en comprender que muchos procesos de desintegración resultaban en la transmutación de un elemento en otro. Posteriormente, se formuló la ley de desplazamiento radiactivo de Fajans y Soddy para describir los productos de la desintegración alfa y beta . [ 12 ] [ 13 ]

Los primeros investigadores también descubrieron que muchos otros elementos químicos , además del uranio, poseen isótopos radiactivos. Una búsqueda sistemática de la radiactividad total en los minerales de uranio guió a Pierre y Marie Curie a aislar dos nuevos elementos: el polonio y el radio . Excepto por la radiactividad del radio, la similitud química entre este elemento y el bario dificultó su distinción.

Marie y Pierre Curie también acuñaron el término «radiactividad» [ 14 ] para definir la emisión de radiación ionizante por algunos elementos pesados. [ 15 ] (Posteriormente, el término se generalizó a todos los elementos). Su investigación sobre los rayos penetrantes en el uranio y el descubrimiento del radio dieron inicio a una era de uso del radio para el tratamiento del cáncer. Su exploración del radio puede considerarse el primer uso pacífico de la energía nuclear y el comienzo de la medicina nuclear moderna . [ 14 ]

Peligros para la salud desde temprana edad

Radiografía tomada con un aparato de tubo de Crookes primitivo en 1896. El tubo de Crookes es visible en el centro. El hombre, de pie, observa su mano con una pantalla de fluoroscopio ; esta era una forma común de colocar el tubo. No se toman precauciones contra la exposición a la radiación, ya que sus peligros eran desconocidos en aquel entonces.

Los peligros de la radiación ionizante debida a la radiactividad y a los rayos X no se reconocieron de inmediato.

rayos X

El descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Röntgen en 1895 dio lugar a una experimentación generalizada por parte de científicos, médicos e inventores. Ya en 1896, muchas personas comenzaron a relatar historias de quemaduras, pérdida de cabello y consecuencias aún peores en revistas técnicas. En febrero de ese año, el profesor Daniel y el Dr. Dudley de la Universidad de Vanderbilt realizaron un experimento que consistió en irradiar la cabeza de Dudley con rayos X, lo que le provocó la pérdida de cabello. Un informe del Dr. HD Hawks, sobre las graves quemaduras que sufrió en las manos y el pecho durante una demostración con rayos X, fue el primero de muchos otros informes publicados en Electrical Review . [ 16 ]

Otros experimentadores, como Elihu Thomson y Nikola Tesla , también reportaron quemaduras. Thomson expuso deliberadamente un dedo a un tubo de rayos X durante un tiempo y sufrió dolor, hinchazón y ampollas. [ 17 ] Otros efectos, como los rayos ultravioleta y el ozono, a veces fueron atribuidos al daño, [ 18 ] y muchos médicos aún afirmaban que la exposición a los rayos X no tenía ningún efecto. [ 17 ]

A pesar de ello, se realizaron algunas investigaciones sistemáticas sobre los riesgos desde sus inicios, y ya en 1902 William Herbert Rollins escribió, casi con desesperación, que sus advertencias sobre los peligros del uso negligente de los rayos X no estaban siendo tenidas en cuenta, ni por la industria ni por sus colegas. Para entonces, Rollins había demostrado que los rayos X podían matar animales de experimentación, provocar abortos en cobayas preñadas e incluso la muerte de fetos. También recalcó que «los animales varían en su susceptibilidad a la acción externa de la luz X» y advirtió que estas diferencias debían tenerse en cuenta al tratar a pacientes con rayos X.

sustancias radiactivas

La radiactividad es característica de los elementos con números atómicos elevados. Los elementos con al menos un isótopo estable se muestran en azul claro. El verde indica los elementos cuyo isótopo más estable tiene una vida media de millones de años. El amarillo y el naranja representan elementos progresivamente menos estables, con vidas medias de miles o cientos de años, hasta llegar a un día. El rojo y el morado muestran elementos altamente y extremadamente radiactivos, donde los isótopos más estables presentan vidas medias del orden de un día o mucho menores.

Sin embargo, los efectos biológicos de la radiación debida a sustancias radiactivas eran más difíciles de medir. Esto brindó la oportunidad a muchos médicos y corporaciones de comercializar sustancias radiactivas como medicamentos patentados . Ejemplos de ello fueron los tratamientos con enemas de radio y las aguas que contenían radio para ser bebidas como tónicos. Marie Curie protestó contra este tipo de tratamiento, advirtiendo que "el radio es peligroso en manos inexpertas". [ 19 ] Curie murió posteriormente de anemia aplásica , probablemente causada por la exposición a la radiación ionizante. Para la década de 1930, después de varios casos de necrosis ósea y muerte de entusiastas de los tratamientos con radio, los productos medicinales que contenían radio habían sido retirados en gran medida del mercado ( curandería radiactiva ).

Protección radiológica

Tan solo un año después del descubrimiento de los rayos X por Röntgen , el ingeniero estadounidense Wolfram Fuchs (1896) ofreció lo que probablemente sea el primer consejo sobre protección, pero no fue hasta 1925 que se celebró el primer Congreso Internacional de Radiología (ICR), donde se consideró establecer normas internacionales de protección. Los efectos de la radiación en los genes, incluido el riesgo de cáncer, se reconocieron mucho más tarde. En 1927, Hermann Joseph Muller publicó una investigación que demostraba los efectos genéticos y, en 1946, recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus hallazgos.

La segunda Conferencia Internacional sobre Radiología (CIR) se celebró en Estocolmo en 1928 y propuso la adopción de la unidad röntgen . Se formó el Comité Internacional de Protección contra Rayos X y Radio (IXRPC). Rolf Sievert fue nombrado presidente, pero una figura clave fue George Kaye, del Laboratorio Nacional de Física británico . El comité se reunió en 1931, 1934 y 1937.

Tras la Segunda Guerra Mundial , el aumento en la variedad y cantidad de sustancias radiactivas manipuladas como resultado de los programas nucleares militares y civiles provocó que grandes grupos de trabajadores y el público en general estuvieran potencialmente expuestos a niveles nocivos de radiación ionizante. Esto se consideró en la primera reunión del ICR de la posguerra, celebrada en Londres en 1950, cuando nació la actual Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP). [ 20 ] Desde entonces, la ICRP ha desarrollado el actual sistema internacional de protección radiológica, que abarca todos los aspectos de los riesgos de la radiación.

Unidades

Gráfico que muestra las relaciones entre la radiactividad y la radiación ionizante detectada.

La unidad de actividad radiactiva del Sistema Internacional de Unidades (SI) es el becquerel (Bq), llamado así en honor al científico Henri Becquerel . Un Bq se define como una transformación (o desintegración) por segundo.

Una unidad más antigua de radiactividad es el curie , Ci, que originalmente se definió como "la cantidad o masa de emanación de radio en equilibrio con un gramo de radio (elemento)". [ 21 ] Hoy en día, el curie se define como3,7 × 10 10 desintegraciones por segundo, de modo que 1 curie (Ci) = 3,7 × 10 10  Bq . Para fines de protección radiológica, aunque la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos permite el uso de la unidad curie junto con las unidades del SI, [ 22 ] las directivas de unidades de medida europeas de la Unión Europea exigieron que su uso para "fines de salud pública..." se eliminara gradualmente antes del 31 de diciembre de 1985. [ 23 ]

Los efectos de la radiación ionizante se suelen medir en unidades de gray para los daños mecánicos o en sievert para los daños a los tejidos.

Tipos

La desintegración radiactiva produce una reducción de la masa en reposo total , una vez que la energía liberada (la energía de desintegración ) se ha disipado de alguna manera. Aunque a veces se define la energía de desintegración como la diferencia entre la masa del nucleido padre y la masa de los productos de desintegración, esto solo es cierto para las mediciones de masa en reposo, donde se ha eliminado parte de la energía del sistema de productos. Esto se debe a que la energía de desintegración siempre debe llevar consigo masa, dondequiera que aparezca (véase masa en la relatividad especial ), según la fórmula E  = mc² . La energía de desintegración se libera inicialmente como la energía de los fotones emitidos más la energía cinética de las  partículas masivas emitidas (es decir, partículas que tienen masa en reposo). Si estas partículas alcanzan el equilibrio térmico con su entorno y se absorben fotones, entonces la energía de desintegración se transforma en energía térmica, que conserva su masa.

Por lo tanto, la energía de desintegración permanece asociada a una cierta medida de la masa del sistema de desintegración, denominada masa invariante , que no cambia durante la desintegración, aunque la energía de desintegración se distribuya entre las partículas de desintegración. La energía de los fotones, la energía cinética de las partículas emitidas y, posteriormente, la energía térmica de la materia circundante, contribuyen a la masa invariante del sistema. Así, mientras que la suma de las masas en reposo de las partículas no se conserva en la desintegración radiactiva, la masa del sistema y la masa invariante del sistema (así como la energía total del sistema) se conservan a lo largo de cualquier proceso de desintegración. Esto es una reformulación de las leyes equivalentes de conservación de la energía y conservación de la masa .

Desintegración alfa, beta y gamma

Las partículas alfa pueden ser detenidas por completo por una hoja de papel, las partículas beta por un blindaje de aluminio. Los rayos gamma solo pueden ser reducidos por una masa mucho mayor, como una capa muy gruesa de plomo .

Los primeros investigadores descubrieron que un campo eléctrico o magnético podía dividir las emisiones radiactivas en tres tipos de haces. Ernest Rutherford denominó a los tres tipos alfa , beta y gamma , en orden creciente de su capacidad para penetrar la materia. [ 24 ] : 632 La desintegración alfa se observa solo en elementos más pesados ​​de número atómico 52 ( telurio ) y mayores, con la excepción del berilio-8 (que se desintegra en dos partículas alfa). Los rayos gamma se emiten desde estados excitados de los núcleos como un efecto secundario de la desintegración alfa o beta. [ 25 ] La desintegración beta es el único tipo que se observa en todos los elementos. El plomo, número atómico 82, es el elemento más pesado que tiene algún isótopo estable (hasta el límite de medición) a la desintegración radiactiva. La desintegración radiactiva se observa en todos los isótopos de todos los elementos de número atómico 83 ( bismuto ) o mayores. Sin embargo, el bismuto-209 es solo ligeramente radiactivo, con una vida media diez órdenes de magnitud mayor que la edad del universo; los radioisótopos con vidas medias extremadamente largas se consideran prácticamente estables a efectos prácticos.

Diagrama de transición para los modos de desintegración de un radionúclido, con número de neutrones N y número atómico Z (se muestran las emisiones α , β ± , p + y n 0 , EC denota captura electrónica ).

Al analizar la naturaleza de los productos de desintegración, era obvio, por la dirección de las fuerzas electromagnéticas aplicadas a las radiaciones por campos magnéticos y eléctricos externos, que las partículas alfa tenían carga positiva, las partículas beta tenían carga negativa y los rayos gamma eran neutros. Por la magnitud de la desviación, era claro que las partículas alfa eran mucho más masivas que las partículas beta . Al hacer pasar partículas alfa a través de una ventana de vidrio muy delgada y atraparlas en un tubo de descarga , los investigadores pudieron estudiar el espectro de emisión de las partículas capturadas y, finalmente, demostraron que las partículas alfa son núcleos de helio . Otros experimentos mostraron que la radiación beta, resultante de la desintegración y los rayos catódicos , eran electrones de alta velocidad . De igual manera, se descubrió que la radiación gamma y los rayos X eran radiación electromagnética de alta energía .

También se empezó a examinar la relación entre los tipos de desintegración: por ejemplo, la desintegración gamma casi siempre se encontraba asociada con otros tipos de desintegración y ocurría aproximadamente al mismo tiempo o después. La desintegración gamma como fenómeno independiente, con su propia vida media (ahora denominada transición isomérica ), se descubrió en la radiactividad natural como resultado de la desintegración gamma de isómeros nucleares metaestables excitados , que a su vez se creaban a partir de otros tipos de desintegración. Aunque las radiaciones alfa, beta y gamma eran las más comunes, con el tiempo se descubrieron otros tipos de emisión. Poco después del descubrimiento del positrón en los productos de los rayos cósmicos, se comprendió que el mismo proceso que opera en la desintegración beta clásica también puede producir positrones ( emisión de positrones ), junto con neutrinos (la desintegración beta clásica produce antineutrinos).

Captura de electrones

En la captura electrónica, se ha observado que algunos nucleidos ricos en protones capturan sus propios electrones atómicos en lugar de emitir positrones. Posteriormente, estos nucleidos emiten únicamente un neutrino y un rayo gamma desde el núcleo excitado (y a menudo también electrones Auger y rayos X característicos , como resultado de la reorganización de los electrones para ocupar el lugar del electrón capturado). Este tipo de desintegración implica la captura nuclear de electrones o la emisión de electrones o positrones, lo que conduce a que el núcleo alcance la proporción de neutrones a protones que minimiza la energía para un número total de nucleones dado . Esto, en consecuencia, produce un núcleo más estable (de menor energía).

Un proceso hipotético de captura de positrones, análogo a la captura de electrones, es teóricamente posible en átomos de antimateria, pero no se ha observado, ya que no se dispone experimentalmente de átomos de antimateria complejos más allá del antihelio . [ 26 ] Tal desintegración requeriría átomos de antimateria al menos tan complejos como el berilio-7 , que es el isótopo más ligero conocido de la materia normal que experimenta desintegración por captura de electrones. [ 27 ]

emisión de nucleones

Poco después del descubrimiento del neutrón en 1932, Enrico Fermi se percató de que ciertas reacciones de desintegración beta, poco frecuentes, producían neutrones inmediatamente como partícula de desintegración adicional, fenómeno conocido como emisión de neutrones retardada beta . La emisión de neutrones suele producirse en núcleos en estado excitado, como el 17O * excitado, resultante de la desintegración beta del 17N . El proceso de emisión de neutrones está controlado por la fuerza nuclear y, por lo tanto, es extremadamente rápido, a veces denominado "casi instantáneo". Posteriormente, se observó la emisión aislada de protones en algunos elementos. También se descubrió que algunos elementos pesados ​​pueden sufrir fisión espontánea en productos de composición variable. En un fenómeno denominado desintegración en cúmulos , se observó la emisión espontánea de átomos de combinaciones específicas de neutrones y protones, distintas de las partículas alfa (núcleos de helio).

Tipos de descomposición más exóticos

Se descubrió que otros tipos de desintegración radiactiva emiten partículas previamente observadas, pero a través de mecanismos diferentes. Un ejemplo es la conversión interna , que produce una emisión inicial de electrones y, posteriormente, a menudo, emisiones adicionales de rayos X característicos y electrones Auger , aunque el proceso de conversión interna no implica ni desintegración beta ni gamma. No se emite ningún neutrino, y ninguno de los electrones y fotones emitidos se origina en el núcleo, a pesar de que la energía para emitirlos todos sí se origina allí. La desintegración por conversión interna, al igual que la desintegración gamma por transición isomérica y la emisión de neutrones, implica la liberación de energía por un nucleido excitado, sin la transmutación de un elemento en otro.

Se conocen eventos raros que implican una combinación de dos eventos de desintegración beta que ocurren simultáneamente (véase más abajo). Cualquier proceso de desintegración que no viole las leyes de conservación de la energía o el momento (y quizás otras leyes de conservación de partículas) está permitido, aunque no todos han sido detectados. Un ejemplo interesante que se analiza en una sección final es la desintegración beta del estado ligado del renio-187 . En este proceso, la desintegración electrónica beta del nucleido padre no va acompañada de la emisión de electrones beta, porque la partícula beta ha sido capturada en la capa K del átomo emisor. Se emite un antineutrino, como en todas las desintegraciones beta negativas.

Si las circunstancias energéticas son favorables, un radionúclido dado puede experimentar muchos tipos de desintegración competitivos, con algunos átomos desintegrándose por una ruta y otros por otra. Un ejemplo es el cobre-64 , que tiene 29 protones y 35 neutrones, que se desintegra con una vida media de12,7004(13) horas. [ 28 ] Este isótopo tiene un protón desapareado y un neutrón desapareado, por lo que el protón o el neutrón pueden desintegrarse en la otra partícula, que tiene isospín opuesto . Este nucleido en particular (aunque no todos los nucleidos en esta situación) tiene más probabilidades de desintegrarse a través de la desintegración beta más (61,52(26) % [ 28 ] ) que a través de la captura de electrones (38,48(26) % [ 28 ] ). Los estados de energía excitados resultantes de estas desintegraciones que no terminan en un estado de energía fundamental, también producen conversión interna posterior y desintegración gamma en casi el 0,5% del tiempo.

Lista de modos de desintegración

Cadenas de desintegración y múltiples modos

La cadena de desintegración del neptunio -237

El nucleido hijo de una desintegración alfa también puede ser inestable (radiactivo). En ese caso, también se desintegrará, produciendo radiación. El segundo nucleido hijo resultante también puede ser radiactivo. Esto puede dar lugar a una secuencia de varias desintegraciones denominada cadena de desintegración (véase este artículo para obtener detalles específicos sobre importantes cadenas de desintegración naturales). Finalmente, se produce un nucleido estable. Cualquier nucleido hijo resultante de una desintegración alfa también dará lugar a la creación de átomos de helio.

Algunos radionúclidos pueden tener varias vías de desintegración diferentes. Por ejemplo,El 35,94(6) % [ 28 ] del bismuto-212 se desintegra, a través de la emisión alfa, en talio-208 mientrasEl 64,06(6) % [ 28 ] del bismuto-212 se desintegra, mediante emisión beta, en polonio-212 . Tanto el talio-208 como el polonio-212 son productos de desintegración radiactivos del bismuto-212, y ambos se desintegran directamente en plomo-208 estable .

Ocurrencia y aplicaciones

Según la teoría del Big Bang , los isótopos estables de los tres elementos más ligeros ( H , He y trazas de Li ) se produjeron muy poco después del surgimiento del universo, en un proceso llamado nucleosíntesis del Big Bang . Estos nucleidos estables más ligeros (incluido el deuterio ) sobreviven hasta hoy, pero cualquier isótopo radiactivo de los elementos ligeros producidos en el Big Bang (como el tritio ) se desintegró hace mucho tiempo. Los isótopos de elementos más pesados ​​que el boro no se produjeron en absoluto en el Big Bang, y estos cinco primeros elementos no tienen radioisótopos de larga vida. Por lo tanto, todos los núcleos radiactivos son, por consiguiente, relativamente jóvenes con respecto al nacimiento del universo, habiéndose formado posteriormente en varios otros tipos de nucleosíntesis en las estrellas (en particular, supernovas ), y también durante las interacciones continuas entre isótopos estables y partículas energéticas. Por ejemplo, el carbono-14 , un nucleido radiactivo con una vida media de solo5700(30) años, [ 28 ] se produce constantemente en la atmósfera superior de la Tierra debido a las interacciones entre los rayos cósmicos y el nitrógeno.

Los nucleidos que se producen por desintegración radiactiva se denominan nucleidos radiogénicos , sean o no estables . Existen nucleidos radiogénicos estables que se formaron a partir de radionucleidos extintos de corta vida en el Sistema Solar primitivo. [ 29 ] [ 30 ] La presencia adicional de estos nucleidos radiogénicos estables (como el xenón-129 proveniente del yodo-129 extinto ) en comparación con los nucleidos estables primordiales puede inferirse por diversos medios.

La desintegración radiactiva se utiliza en la técnica de marcaje radioisotópico , que permite rastrear el paso de una sustancia química a través de un sistema complejo (como un organismo vivo ). Se sintetiza una muestra de la sustancia con una alta concentración de átomos inestables. La presencia de la sustancia en una u otra parte del sistema se determina detectando la ubicación de los eventos de desintegración.

Partiendo de la premisa de que la desintegración radiactiva es verdaderamente aleatoria (en lugar de meramente caótica ), se ha utilizado en generadores de números aleatorios de hardware . Dado que no se cree que el proceso varíe significativamente en su mecanismo a lo largo del tiempo, también es una herramienta valiosa para estimar las edades absolutas de ciertos materiales. En el caso de los materiales geológicos, los radioisótopos y algunos de sus productos de desintegración quedan atrapados cuando una roca se solidifica, y posteriormente pueden utilizarse (con ciertas salvedades) para estimar la fecha de solidificación. Estas salvedades incluyen la comparación de los resultados de varios procesos simultáneos y sus productos entre sí, dentro de la misma muestra. De manera similar, y también con salvedades, a partir de la tasa de formación de carbono-14 en diversas épocas, se puede estimar la fecha de formación de materia orgánica dentro de un período determinado relacionado con la vida media del isótopo, ya que el carbono-14 queda atrapado cuando la materia orgánica crece e incorpora el nuevo carbono-14 del aire. Posteriormente, la cantidad de carbono-14 en la materia orgánica disminuye según los procesos de descomposición, que también pueden verificarse de forma independiente mediante otros medios (como, por ejemplo, comprobar el carbono-14 en los anillos de los árboles individuales).

Efecto Szilard-Chalmers

El efecto Szilard-Chalmers es la ruptura de un enlace químico como resultado de la energía cinética generada por la desintegración radiactiva. Se produce por la absorción de neutrones por un átomo y la posterior emisión de rayos gamma, a menudo con cantidades significativas de energía cinética. Esta energía cinética, según la tercera ley de Newton , ejerce una fuerza de retroceso sobre el átomo en desintegración, lo que provoca que se mueva con la velocidad suficiente para romper un enlace químico. [ 31 ] Este efecto puede utilizarse para separar isótopos por medios químicos.

El efecto Szilard-Chalmers fue descubierto en 1934 por Leó Szilárd y Thomas A. Chalmers. [ 32 ] Observaron que, tras el bombardeo con neutrones, la ruptura de un enlace en el yoduro de etilo líquido permitía la eliminación del yodo radiactivo. [ 33 ]

Orígenes de los nucleidos radiactivos

Los nucleidos primordiales radiactivos que se encuentran en la Tierra son residuos de antiguas explosiones de supernovas que ocurrieron antes de la formación del Sistema Solar . Son la fracción de radionucleidos que sobrevivieron desde entonces, pasando por la formación de la nebulosa solar primordial , la acreción planetaria y hasta la actualidad. Los radionucleidos radiogénicos de corta vida que se encuentran de forma natural en las rocas actuales son los descendientes de esos nucleidos primordiales radiactivos. Otra fuente menor de nucleidos radiactivos naturales son los nucleidos cosmogénicos , que se forman por el bombardeo de rayos cósmicos sobre la materia de la atmósfera o la corteza terrestre . La desintegración de los radionucleidos en las rocas del manto y la corteza terrestres contribuye significativamente al balance térmico interno de la Tierra .

Procesos agregados

Si bien el proceso subyacente de desintegración radiactiva es subatómico, históricamente y en la mayoría de los casos prácticos se observa en materiales masivos con un número muy elevado de átomos. Esta sección analiza modelos que relacionan los eventos a nivel atómico con las observaciones en el conjunto de los materiales.

Terminología

La tasa de desintegración , o actividad , de una sustancia radiactiva se caracteriza por los siguientes parámetros independientes del tiempo:

  • La vida media , t 1/2 , es el tiempo que tarda la actividad de una cantidad determinada de una sustancia radiactiva en desintegrarse hasta la mitad de su valor inicial.
  • La constante de desintegración , λ " lambda ", el recíproco de la vida media (en s −1 ), a veces denominada simplemente tasa de desintegración .
  • La vida media , τ " tau ", la vida media (1/ e vida) de una partícula radiactiva antes de su desintegración.

Si bien se trata de constantes, están asociadas al comportamiento estadístico de las poblaciones de átomos. Por consiguiente, las predicciones que utilizan estas constantes son menos precisas para muestras minúsculas de átomos.

En principio, una vida media, una tercera vida o incluso una vida (1/√2) podrían usarse exactamente de la misma manera que la vida media; pero la vida media y la vida media t 1/2 se han adoptado como tiempos estándar asociados con la desintegración exponencial.

Estos parámetros pueden relacionarse con los siguientes parámetros dependientes del tiempo:

  • La actividad total (o simplemente actividad ), A , es el número de desintegraciones por unidad de tiempo de una muestra radiactiva.
  • Número de partículas , N , en la muestra.
  • La actividad específica , a , es el número de desintegraciones por unidad de tiempo por cantidad de sustancia de la muestra en el tiempo cero ( t = 0 ). La "cantidad de sustancia" puede ser la masa, el volumen o los moles de la muestra inicial.

Estos se relacionan de la siguiente manera:

t1/2=ln⁡(2)λ=τln⁡(2)A=−dnortedt=λnorte=ln⁡(2)t1/2norteSAa0=−dnortedt|t=0=λnorte0{\displaystyle {\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt]A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N={\frac {\ln(2)}{t_{1/2}}}N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}}

donde N 0 es la cantidad inicial de sustancia activa  , sustancia que tiene el mismo porcentaje de partículas inestables que cuando se formó.

Supuestos

Las matemáticas de la desintegración radiactiva se basan en una suposición fundamental: que el núcleo de un radionúclido no tiene "memoria" ni capacidad de traducir su historia en su comportamiento actual. Un núcleo no "envejece" con el paso del tiempo. Por lo tanto, la probabilidad de su desintegración no aumenta con el tiempo, sino que permanece constante, independientemente de su antigüedad. Esta probabilidad constante puede variar considerablemente entre los distintos tipos de núcleos, lo que da lugar a las diversas tasas de desintegración observadas. Sin embargo, sea cual sea la probabilidad, esta no cambia con el tiempo. Esto contrasta notablemente con los objetos complejos que sí envejecen, como los automóviles y los seres humanos. Estos sistemas envejecidos sí presentan una probabilidad de desintegración por unidad de tiempo que aumenta desde el momento en que comienzan su existencia.

Los procesos agregados, como la desintegración radiactiva de un conjunto de átomos, para los cuales la probabilidad de realización de un solo evento es muy pequeña, pero en los que el número de intervalos de tiempo es tan grande que, no obstante, existe una tasa razonable de eventos, se modelan mediante la distribución de Poisson , que es discreta. La desintegración radiactiva y las reacciones de partículas nucleares son dos ejemplos de tales procesos agregados. [ 34 ] Las matemáticas de los procesos de Poisson se reducen a la ley de desintegración exponencial , que describe el comportamiento estadístico de un gran número de núcleos, en lugar de un núcleo individual. En el siguiente formalismo, el número de núcleos o la población de núcleos N es, por supuesto, una variable discreta (un número natural ), pero para cualquier muestra física N es tan grande que puede tratarse como una variable continua. El cálculo diferencial se utiliza para modelar el comportamiento de la desintegración nuclear.

Proceso de una sola desintegración

Consideremos el caso de un nucleido A que se desintegra en otro B mediante algún proceso A → B (emisión de otras partículas, como neutrinos electrónicos νe yelectronese−como enla desintegración beta, son irrelevantes en lo que sigue). La desintegración de un núcleo inestable es completamente aleatoria en el tiempo, por lo que es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. Sin embargo, es igualmente probable que se desintegre en cualquier instante de tiempo. Por lo tanto, dada una muestra de un radioisótopo en particular, el número de eventos de desintegración−dNque se espera que ocurran en un pequeño intervalo de tiempodtes proporcional al número de átomos presentesN, es decir [ 35 ]

−dnortedt∝norte{\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N}

Los radionúclidos particulares se desintegran a diferentes velocidades, por lo que cada uno tiene su propia constante de desintegración λ . La desintegración esperada −d N / N es proporcional a un incremento de tiempo, d t :

−dnortenorte=λdt{\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} N}{N}}=\lambda \mathrm {d} t}

El signo negativo indica que N disminuye a medida que aumenta el tiempo, ya que los eventos de decaimiento se suceden uno tras otro. La solución a esta ecuación diferencial de primer orden es la función :

norte(t)=norte0mi−λt{\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}}

donde N 0 es el valor de N en el tiempo t = 0, con la constante de decaimiento expresada como λ [ 35 ]

Tenemos para siempre t :

norteA+norteB=nortetotal=norteA0,{\displaystyle N_{A}+N_{B}=N_{\text{total}}=N_{A0},}

donde N total es el número constante de partículas a lo largo del proceso de desintegración, que es igual al número inicial de nucleidos A ya que esta es la sustancia inicial.

Si el número de núcleos A no desintegrados es:

norteA=norteA0mi−λt{\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}}

entonces el número de núcleos de B (es decir, el número de núcleos de A desintegrados ) es

norteB=norteA0−norteA=norteA0−norteA0mi−λt=norteA0(1−mi−λt).{\displaystyle N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}

El número de desintegraciones observadas en un intervalo dado obedece a la estadística de Poisson . Si el número promedio de desintegraciones es ⟨ N ⟩ , la probabilidad de un número dado de desintegraciones N es [ 35 ]

PAG(norte)=⟨norte⟩norteexp⁡(−⟨norte⟩)norte¡.{\displaystyle P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.}

procesos de desintegración en cadena

Cadena de dos desintegraciones

Ahora consideremos el caso de una cadena de dos desintegraciones: un nucleido A se desintegra en otro B mediante un proceso, y luego B se desintegra en otro C mediante un segundo proceso, es decir , A → B → C. La ecuación anterior no se puede aplicar a la cadena de desintegración, pero se puede generalizar de la siguiente manera. Dado que A se desintegra en B , y luego B se desintegra en C , la actividad de A se suma al número total de nucleidos B en la muestra actual, antes de que esos nucleidos B se desintegren y reduzcan el número de nucleidos que conducen a la muestra posterior. En otras palabras, el número de núcleos B de segunda generación aumenta como resultado de la desintegración de los núcleos de primera generación de A , y disminuye como resultado de su propia desintegración en los núcleos C de tercera generación . [ 36 ] La suma de estos dos términos da la ley para una cadena de desintegración de dos nucleidos:

dnorteBdt=−λBnorteB+λAnorteA.{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.}

La tasa de cambio de N B , es decir d N B /d t , está relacionada con los cambios en las cantidades de A y B , N B puede aumentar a medida que B se produce a partir de A y disminuir a medida que B produce C .

Reescritura utilizando los resultados anteriores:

dnorteBdt=−λBnorteB+λAnorteA0mi−λAt{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A0}e^{-\lambda _{A}t}}

Los subíndices simplemente se refieren a los nucleidos respectivos, es decir, N A es el número de nucleidos de tipo A ; N A 0 es el número inicial de nucleidos de tipo A ; λ A es la constante de desintegración para A – y de forma similar para el nucleido B . Resolviendo esta ecuación para N B se obtiene:

norteB=norteA0λAλB−λA(mi−λAt−mi−λBt).{\displaystyle N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).}

En el caso en que B sea un nucleido estable ( λB = 0), esta ecuación se reduce a la solución anterior :

límiteλB→0[norteA0λAλB−λA(mi−λAt−mi−λBt)]=norteA0λA0−λA(mi−λAt−1)=norteA0(1−mi−λAt),{\displaystyle \lim _{\lambda _{B}\rightarrow 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1-e^{-\lambda _{A}t}\right),}

Como se muestra arriba para una sola desintegración, la solución se puede encontrar mediante el método del factor de integración , donde el factor integrante es e λ B t . Este caso es quizás el más útil, ya que permite derivar de forma más directa tanto la ecuación de una sola desintegración (arriba) como la ecuación para cadenas de múltiples desintegraciones (abajo).

Cadena de cualquier número de desintegraciones

Para el caso general de cualquier número de desintegraciones consecutivas en una cadena de desintegración, es decir, A 1 → A 2 ··· → A i ··· → A D , donde D es el número de desintegraciones e i es un índice ficticio ( i = 1, 2, 3, ..., D ), cada población de nucleidos se puede encontrar en términos de la población anterior. En este caso N 2 = 0 , N 3 = 0 , ..., N D = 0 . Usando el resultado anterior de forma recursiva:

dnortejdt=−λjnortej+λj−1norte(j−1)0mi−λj−1t.{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{(j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.}

La solución general al problema recursivo viene dada por las ecuaciones de Bateman : [ 37 ]

'Las ecuaciones de Bateman'

norteD=norte1(0)λD∑i=1Dλidoimi−λitdoi=∏j=1,i≠jDλjλj−λi{\displaystyle {\begin{aligned}N_{D}&={\frac {N_{1}(0)}{\lambda _{D}}}\sum _{i=1}^{D}\lambda _{i}c_{i}e^{-\lambda _{i}t}\\[3pt]c_{i}&=\prod _{j=1,i\neq j}^{D}{\frac {\lambda _{j}}{\lambda _{j}-\lambda _{i}}}\end{aligned}}}

Múltiples productos

En todos los ejemplos anteriores, el nucleido inicial se desintegra en un solo producto. [ 38 ] Consideremos el caso de un nucleido inicial que puede desintegrarse en cualquiera de dos productos, es decir, A → B y A → C en paralelo. Por ejemplo, en una muestra de potasio-40 , el 89,3% de los núcleos se desintegran en calcio-40 y el 10,7% en argón-40 . Tenemos para todo tiempo t :

norte=norteA+norteB+nortedo{\displaystyle N=N_{A}+N_{B}+N_{C}}

lo cual es constante, ya que el número total de nucleidos permanece constante. Derivando con respecto al tiempo:

dnorteAdt=−(dnorteBdt+dnortedodt)−λnorteA=−norteA(λB+λdo){\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}}

definiendo la constante de desintegración total λ en términos de la suma de las constantes de desintegración parciales λ B y λ C :

λ=λB+λdo.{\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.}

Resolviendo esta ecuación para N A :

norteA=norteA0mi−λt.{\displaystyle N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.}

donde N A 0 es el número inicial de nucleidos A. Al medir la producción de un nucleido, solo se puede observar la constante de desintegración total λ . Las constantes de desintegración λ B y λ C determinan la probabilidad de que la desintegración dé como resultado los productos B o C de la siguiente manera:

norteB=λBλnorteA0(1−mi−λt),{\displaystyle N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right),}
nortedo=λdoλnorteA0(1−mi−λt).{\displaystyle N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).}

porque la fracción λ B / λ de los núcleos se desintegra en B mientras que la fracción λ C / λ de los núcleos se desintegra en C.

Corolarios de las leyes

Las ecuaciones anteriores también se pueden escribir utilizando cantidades relacionadas con el número de partículas de nucleidos N en una muestra;

donde N A =6,022 140 76 × 10 23  mol −1 ‍ [39 ] es la constante de Avogadro , M es la masa molar de la sustancia en kg/mol y la cantidad de la sustancia n está en moles .

Momento de decaimiento: definiciones y relaciones

Constante de tiempo y vida media

Para la solución de una sola desintegración A → B :

norte=norte0mi−λt=norte0mi−t/τ,{\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}

La ecuación indica que la constante de desintegración λ tiene unidades de t −1 y, por lo tanto, también puede representarse como 1/ τ , donde τ es un tiempo característico del proceso llamado constante de tiempo .

En un proceso de desintegración radiactiva, esta constante de tiempo es también la vida media de los átomos que se desintegran. Cada átomo "vive" durante un tiempo finito antes de desintegrarse, y se puede demostrar que esta vida media es la media aritmética de las vidas medias de todos los átomos, y que es τ , que a su vez está relacionada con la constante de desintegración de la siguiente manera:

τ=1λ.{\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}.}

Esta forma también es válida para procesos de dos desintegraciones simultáneas A → B + C , insertando los valores equivalentes de las constantes de desintegración (como se indica arriba).

λ=λB+λdo{\displaystyle \lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,}

La solución de descomposición conduce a:

1τ=λ=λB+λdo=1τB+1τdo{\displaystyle {\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}={\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,}
Simulación de muchos átomos idénticos que experimentan desintegración radiactiva, comenzando con 4 átomos (izquierda) o 400 (derecha). El número en la parte superior indica cuántos periodos de semidesintegración han transcurrido.

Vida media

Un parámetro más comúnmente utilizado es la vida media T 1/2 . Dada una muestra de un radionúclido en particular, la vida media es el tiempo que tarda la mitad de los átomos del radionúclido en desintegrarse. Para el caso de reacciones nucleares de una sola desintegración:

norte=norte0mi−λt=norte0mi−t/τ,{\displaystyle N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\tau },\,\!}

La vida media está relacionada con la constante de desintegración de la siguiente manera: establezca N = N 0 /2 y t = T 1/2 para obtener

t1/2=ln⁡2λ=τln⁡2.{\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.}

Esta relación entre la vida media y la constante de desintegración muestra que las sustancias altamente radiactivas se agotan rápidamente, mientras que las que irradian débilmente perduran más tiempo. Las vidas medias de los radionúclidos conocidos varían en casi 54 órdenes de magnitud, desde más de2,25(9) × 10 24 años (6,9 × 10 31 seg) para el nucleido casi estable 128 Te , a8,6(6) × 10 −23 segundos para el nucleido altamente inestable 5 H . [ 28 ]

El factor ln(2) en las relaciones anteriores resulta del hecho de que el concepto de "vida media" es simplemente una forma de seleccionar una base distinta a la base natural e para la expresión de la vida media. La constante de tiempo τ es la vida media e⁻¹   , el tiempo hasta que solo queda 1/ e , aproximadamente el 36,8%, en lugar del 50% en la vida media de un radionúclido. Por lo tanto, τ es mayor que t¹ /² . Se puede demostrar que la siguiente ecuación es válida:

norte(t)=norte0mi−t/τ=norte02−t/t1/2.{\displaystyle N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!}

Dado que la desintegración radiactiva es exponencial con una probabilidad constante, cada proceso podría describirse fácilmente con un período de tiempo constante diferente que, por ejemplo, indicara su "vida de (1/3)" (el tiempo que falta para que solo quede 1/3) o su "vida de (1/10)" (el tiempo que falta para que solo quede el 10%), y así sucesivamente. Por lo tanto, la elección de τ y t 1/2 como tiempos de referencia es solo por conveniencia y convención. Reflejan un principio fundamental únicamente en la medida en que muestran que la misma proporción de una sustancia radiactiva dada se desintegrará durante cualquier período de tiempo que se elija.

Matemáticamente, la n -ésima vida para la situación anterior se encontraría de la misma manera que arriba : estableciendo N = N 0 /n , t = T 1/ n y sustituyendo en la solución de decaimiento para obtener

t1/norte=ln⁡norteλ=τln⁡norte.{\displaystyle t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.}

Ejemplo para el carbono-14

El carbono-14 tiene una vida media de5700(30) años [ 28 ] y una tasa de desintegración de 14 desintegraciones por minuto (dpm) por gramo de carbono natural.

Si se encuentra que un artefacto tiene una radiactividad de 4 dpm por gramo de su C presente, podemos encontrar la edad aproximada del objeto usando la ecuación anterior:

norte=norte0mi−t/τ,{\displaystyle N=N_{0}\,e^{-t/\tau },}

dónde:

nortenorte0=4/14≈0,286,τ=T1/2ln⁡2≈8267 años,t=−τln⁡nortenorte0≈10356 años.{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ln 2}}\approx 8267{\text{ years}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ years}}.\end{aligned}}}

Cambio de tasas

Se sabe que los modos de desintegración radiactiva de captura electrónica y conversión interna son ligeramente sensibles a los efectos químicos y ambientales que cambian la estructura electrónica del átomo, lo que a su vez afecta la presencia de electrones 1s y 2s que participan en el proceso de desintegración. Un pequeño número de nucleidos se ven afectados. [ 40 ] Por ejemplo, los enlaces químicos pueden afectar la tasa de captura electrónica en un grado pequeño (en general, menos del 1%) dependiendo de la proximidad de los electrones al núcleo. En 7 Be, se ha observado una diferencia del 0,9% entre las vidas medias en entornos metálicos y aislantes. [ 41 ] Este efecto relativamente grande se debe a que el berilio es un átomo pequeño cuyos electrones de valencia están en orbitales atómicos 2s , que están sujetos a captura electrónica en 7 Be porque (como todos los orbitales atómicos s en todos los átomos) penetran naturalmente en el núcleo.

En 1992, Jung et al. del grupo de investigación de iones pesados ​​de Darmstadt observaron una desintegración β⁻ acelerada del 163Dy⁶⁶⁺ . Aunque el 163Dy neutro es un isótopo estable, el 163Dy⁶⁶⁺ completamente ionizado experimenta una desintegración β⁻ en las capas K y L para formar 163Ho⁶⁶⁺ con una vida media de 47 días. [ 42 ]   

El renio-187 es otro ejemplo espectacular. El 187 Re normalmente experimenta una desintegración beta a 187 Os con una vida media de 41.600 millones  de años, [ 43 ] pero estudios que utilizan átomos de 187 Re completamente ionizados (núcleos desnudos) han encontrado que esto puede disminuir a solo 32,9  años. [ 44 ] Esto se atribuye a la " desintegración β− de estado ligado " del átomo completamente ionizado: el electrón se emite a la "capa K" (orbital atómico 1s), lo que no puede ocurrir para átomos neutros en los que todos los estados ligados de baja energía están ocupados. [ 45 ]

Ejemplo de variaciones diurnas y estacionales en la respuesta de un detector de rayos gamma.

Varios experimentos han encontrado que las tasas de desintegración de otros modos de radioisótopos artificiales y naturales no se ven afectadas, con un alto grado de precisión, por condiciones externas como la temperatura, la presión, el entorno químico y los campos eléctricos, magnéticos o gravitacionales. [ 46 ] La comparación de experimentos de laboratorio a lo largo del último siglo, estudios del reactor nuclear natural de Oklo (que ejemplificó los efectos de los neutrones térmicos en la desintegración nuclear) y observaciones astrofísicas de las desintegraciones de luminosidad de supernovas distantes (que ocurrieron muy lejos, por lo que la luz ha tardado mucho tiempo en llegar hasta nosotros), por ejemplo, indican fuertemente que las tasas de desintegración no perturbadas han sido constantes (al menos dentro de las limitaciones de pequeños errores experimentales) también en función del tiempo.

Resultados recientes sugieren la posibilidad de que las tasas de desintegración tengan una débil dependencia de factores ambientales. Se ha sugerido que las mediciones de las tasas de desintegración del silicio-32 , manganeso-54 y radio-226 muestran pequeñas variaciones estacionales (del orden del 0,1%). [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] Sin embargo, dichas mediciones son altamente susceptibles a errores sistemáticos, y un artículo posterior [ 50 ] no ha encontrado evidencia de tales correlaciones en otros siete isótopos ( 22 Na, 44 Ti, 108 Ag, 121 Sn, 133 Ba, 241 Am, 238 Pu), y establece límites superiores en la magnitud de tales efectos. En una ocasión se informó que la desintegración del radón-222 presentaba grandes variaciones estacionales de pico a pico del 4 % (véase el gráfico), [ 51 ] que se propusieron que estaban relacionadas con la actividad de las erupciones solares o la distancia al Sol, pero un análisis detallado de las fallas de diseño del experimento, junto con comparaciones con otros experimentos mucho más rigurosos y controlados sistemáticamente, refutan esta afirmación. [ 52 ]

anomalía GSI

Una serie inesperada de resultados experimentales sobre la tasa de desintegración de iones radiactivos pesados ​​altamente cargados que circulan en un anillo de almacenamiento ha provocado actividad teórica en un esfuerzo por encontrar una explicación convincente. Se ha descubierto que las tasas de desintegración débil de dos especies radiactivas con vidas medias de aproximadamente 40 s y 200 s tienen una modulación oscilatoria significativa , con un período de aproximadamente 7 s. [ 53 ] El fenómeno observado se conoce como la anomalía GSI , ya que el anillo de almacenamiento es una instalación en el Centro Helmholtz GSI para la Investigación de Iones Pesados ​​en Darmstadt , Alemania . Como el proceso de desintegración produce un neutrino electrónico , algunas de las explicaciones propuestas para la oscilación de la tasa observada invocan propiedades de los neutrinos. Las ideas iniciales relacionadas con la oscilación de sabor fueron recibidas con escepticismo. [ 54 ] Una propuesta más reciente involucra diferencias de masa entre los autoestados de masa de los neutrinos . [ 55 ]

procesos nucleares

Se considera que un nucleido "existe" si tiene una vida media mayor que 2 × 10⁻¹⁴ s. Este es un límite arbitrario; las vidas medias más cortas se consideran resonancias, como un sistema que experimenta una reacción nuclear. Esta escala de tiempo es característica de la interacción fuerte que crea la fuerza nuclear . Solo se considera que los nucleidos se desintegran y producen radiactividad. [ 56 ] : 568

Los nucleidos pueden ser estables o inestables. Los nucleidos inestables se desintegran, posiblemente en varias etapas, hasta alcanzar la estabilidad. Se conocen 251 nucleidos estables . El número de nucleidos inestables descubiertos ha aumentado, llegando a unos 3000 en 2006. [ 56 ]

Las formas más comunes y, por consiguiente, históricamente más importantes de desintegración radiactiva natural implican la emisión de partículas alfa, partículas beta y rayos gamma. Cada una de ellas corresponde a una interacción fundamental predominantemente responsable de la radiactividad: [ 57 ] : 142

En la desintegración alfa, una partícula que contiene dos protones y dos neutrones, equivalente a un núcleo de He, se desprende del núcleo padre. El proceso representa una competencia entre la repulsión electromagnética entre los protones del núcleo y la fuerza nuclear atractiva , un remanente de la interacción fuerte. La partícula alfa es un núcleo especialmente fuertemente ligado, lo que le ayuda a ganar la competencia con mayor frecuencia. [ 58 ] : 872 Sin embargo, algunos núcleos se fragmentan o fisionan en partículas más grandes y los núcleos artificiales se desintegran con la emisión de protones simples, protones dobles y otras combinaciones. [ 56 ]

La desintegración beta transforma un neutrón en un protón o viceversa. Cuando un neutrón dentro de un nucleido padre se desintegra en un protón, se produce un electrón, un antineutrino y un nucleido con un número atómico mayor. Cuando un protón en un nucleido padre se transforma en un neutrón, se produce un positrón , un neutrino y un nucleido con un número atómico menor. Estos cambios son una manifestación directa de la interacción débil. [ 58 ] : 874

La desintegración gamma se asemeja a otros tipos de emisión electromagnética: corresponde a transiciones entre un estado cuántico excitado y un estado de menor energía. Cualquiera de los mecanismos de desintegración de partículas suele dejar al núcleo hijo en un estado excitado, que luego se desintegra mediante emisión gamma. [ 58 ] : 876

Otras formas de desintegración incluyen la emisión de neutrones , la captura de electrones , la conversión interna y la desintegración de cúmulos . [ 59 ]

señales de advertencia de peligro

Véase también

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Notas

Referencias

  1. ↑ "Radiactividad: Fuerzas débiles" . Radiactividad . EDP Sciences. Archivado del original el 12 de agosto de 2021. Consultado el 4 de marzo de 2020 .
  2. ↑ Stabin, Michael G. (2007). "3" . En Stabin, Michael G. (ed.). Protección radiológica y dosimetría: una introducción a la física de la salud . Springer . doi : 10.1007/978-0-387-49983-3 . ISBN 978-0-387-49982-6.
  3. ↑ Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram (2013). "1.3". Introducción y revisión de la radioterapia oncológica . Demos Medical Publishing . ISBN 978-1-62070-004-4.
  4. ↑ Loveland, W.; Morrissey, D.; Seaborg, GT (2006). Química nuclear moderna . Wiley-Interscience. pág. 57. Bibcode : 2005mnc..book.....L . ISBN  978-0-471-11532-8.
  5. ^ Radvanyi, Pierre; Villano, Jacques (noviembre de 2017). "El descubrimiento de la radiactividad". Cuentas Rendus. Físico . 18 ( 9– 10): 544– 550. Bibcode : 2017CRPhy..18..544R . doi : 10.1016/j.crhy.2017.10.008 .
  6. ↑ Mould, Richard F. (1995). Un siglo de rayos X y radiactividad en medicina : con énfasis en los registros fotográficos de los primeros años (Reimpresión con correcciones menores ). Bristol: Inst. of Physics Publ. p. 12. ISBN    978-0-7503-0224-1.
  7. ↑ Henri Becquerel (1896). "Sur les radiaciones emitidas por fosforescencia" . Cuentas Rendus . 122 : 420–421 .
  8. ↑ Comptes Rendus 122 : 420 (1896), traducido por Carmen Giunta . Consultado el 12 de abril de 2021.
  9. ↑ Henri Becquerel (1896). "Sobre las radiaciones invisibles emitidas por los cuerpos fosforescentes" . Cuentas Rendus . 122 : 501– 503.
  10. ↑ Comptes Rendus 122 : 501–503 (1896), traducido por Carmen Giunta . Consultado el 12 de abril de 2021.
  11. 1 2 3 4 Pais, Abraham (2002). Inward bound: of matter and forces in the physical world (Edición reimpresa ). Oxford: Clarendon Press [ua] ISBN  978-0-19-851997-3.
  12. ↑ Kasimir Fajans, "Transformaciones radiactivas y sistema periódico de los elementos". Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft , nr. 46, 1913, págs. 422–439
  13. ↑ Frederick Soddy, "Los radioelementos y la ley periódica", Chem. News, n.º 107, 1913, págs. 97-99
  14. 1 2 L'Annunziata, Michael F. (2007). Radiactividad: Introducción e historia . Ámsterdam, Países Bajos: Elsevier Science. pág. 2. ISBN  9780080548883.
  15. ↑ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). Química general (8.ª ed.). Prentice Hall. pág. 1025. ISBN   0-13-014329-4.
  16. ↑ Sansare, K.; Khanna, V.; Karjodkar, F. (2011). "Primeras víctimas de los rayos X: un homenaje y percepción actual" . Radiología Dentomaxilofacial . 40 (2): 123– 125. doi : 10.1259/dmfr/73488299 . ISSN 0250-832X . PMC 3520298. PMID 21239576 .   
  17. 1 2 "Ronald L. Kathern y Paul L. Ziemer, Los primeros cincuenta años de protección radiológica, physics.isu.edu" . Archivado del original el 12 de septiembre de 2017. Recuperado el 25 de noviembre de 2013 .
  18. ↑ Hrabak, M.; Padovan, RS; Kralik, M.; Ozretic, D.; Potocki, K. (julio de 2008). "Nikola Tesla y el descubrimiento de los rayos X" . RadioGraphics . 28 (4): 1189– 92. doi : 10.1148/rg.284075206 . PMID 18635636 . 
  19. ↑ Rentetzi, Maria (7 de noviembre de 2017). "Marie Curie y los peligros del radio". Physics Today (11) 30676. Bibcode : 2017PhT..2017k0676R . doi : 10.1063/PT.6.4.20171107a .
  20. ↑ Clarke, RH; J. Valentin (2009). "La historia de la ICRP y la evolución de sus políticas" (PDF) . Anales de la ICRP . Publicación 109 de la ICRP. 39 (1): 75– 110. doi : 10.1016/j.icrp.2009.07.009 . S2CID 71278114. Consultado el 12 de mayo de 2012 . 
  21. ↑ Rutherford, Ernest (6 de octubre de 1910). "Estándares y nomenclatura del radio" . Nature . 84 (2136): 430– 431. Bibcode : 1910Natur..84..430R . doi : 10.1038/084430a0 .
  22. ↑ 10 CFR 20.1005 . Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. 2009.
  23. ↑ El Consejo de las Comunidades Europeas (21 de diciembre de 1979). «Directiva 80/181/CEE del Consejo, de 20 de diciembre de 1979, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros en materia de unidades de medida y por la que se deroga la Directiva 71/354/CEE» . Consultado el 19 de mayo de 2012 .
  24. ↑ Cassidy, David; Holton, Gerald; Rutherford, James (2002). Comprensión de la física . doi : 10.1007/978-1-4757-7698-0 . ISBN 978-1-4757-7700-0.
  25. ↑ Stinnett, J.; Karpius, PJ; Mercer, DJ; Reilly, TD; Vo, DT (2024), "El origen de los rayos gamma", en Geist, William H.; Santi, Peter A.; Swinhoe, Martyn T. (eds.), Ensayo no destructivo de materiales nucleares para salvaguardias y seguridad , Cham: Springer Nature Switzerland, pp. 7–25 , doi : 10.1007/978-3-031-58277-6_2 , ISBN  978-3-031-58276-9
  26. ↑ "Desintegración radiactiva" . chemed.chem.purdue.edu . Consultado el 5 de mayo de 2022 .
  27. ↑ "CH103 – Capítulo 3: Radiactividad y química nuclear – Química" . Consultado el 5 de julio de 2022 .
  28. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación NUBASE2020 de las propiedades nucleares" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  29. ↑ Clayton, Donald D. (1983). Principios de la evolución estelar y la nucleosíntesis ( 2.ª ed.). University of Chicago Press. p. 75. ISBN   978-0-226-10953-4.
  30. ↑ Bolt, BA; Packard, RE; Price, PB (2007). "John H. Reynolds, Física: Berkeley" . Universidad de California, Berkeley . Consultado el 1 de octubre de 2007 .
  31. ↑ "Efecto Szilard-Chalmers" . Oxford Reference . Consultado el 27 de diciembre de 2019 .
  32. ↑ Szilard, Leó; Chalmers, Thomas A. (1934). "Separación química del elemento radiactivo de su isótopo bombardeado en el efecto Fermi" . Nature . 134 (3386): 462. Bibcode : 1934Natur.134..462S . doi : 10.1038/134462b0 . S2CID 4129460 . 
  33. ↑ Harbottle, Garman; Sutin, Norman (1959). "La reacción de Szilard-Chalmers en sólidos". Avances en química inorgánica y radioquímica. 1 : 267–314 . doi : 10.1016/S0065-2792(08)60256-3 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  34. ↑ Leo, William R. (1992). "Cap. 4". Estadística y tratamiento de datos experimentales (Técnicas para experimentos de física nuclear y de partículas, ed.). Springer-Verlag. 
  35. 1 2 3 Patel, SB (2000). Física nuclear: una introducción . Nueva Delhi: New Age International. págs. 62–72 . ISBN  978-81-224-0125-7.
  36. ↑ Física nuclear introductoria, KS Krane, 1988, John Wiley & Sons Inc., ISBN 978-0-471-80553-3.
  37. ↑ Cetnar, Jerzy (mayo de 2006). "Solución general de las ecuaciones de Bateman para transmutaciones nucleares". Annals of Nuclear Energy . 33 (7): 640– 645. Bibcode : 2006AnNuE..33..640C . doi : 10.1016/j.anucene.2006.02.004 .
  38. ↑ KS Krane (1988). Física nuclear introductoria . John Wiley & Sons Inc. pág. 164. ISBN  978-0-471-80553-3.
  39. ↑ "Valor CODATA 2022: Constante de Avogadro" . Referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . Mayo de 2024. Consultado el 18 de mayo de 2024 .
  40. ↑ Emery, GT (diciembre de 1972). "Perturbación de las tasas de desintegración nuclear". Annual Review of Nuclear Science . 22 (1): 165– 202. Bibcode : 1972ARNPS..22..165E . doi : 10.1146/annurev.ns.22.120172.001121 .
  41. ↑ Wang, B.; et al. (2006). "Cambio de la vida media de captura electrónica del 7Be en entornos metálicos". The European Physical Journal A . 28 (3): 375– 377. Bibcode : 2006EPJA...28..375W . doi : 10.1140/epja/i2006-10068-x . ISSN 1434-6001 . S2CID 121883028 .   
  42. ↑ Jung, M.; et al. (1992). "Primera observación de la desintegración β − en estado ligado ". Physical Review Letters . 69 (15): 2164– 2167. Bibcode : 1992PhRvL..69.2164J . doi : 10.1103/PhysRevLett.69.2164 . ISSN 0031-9007 . PMID 10046415 .   
  43. ↑ Smoliar, MI; Walker, RJ; Morgan, JW (1996). "Edades Re-Os de meteoritos de hierro de los grupos IIA, IIIA, IVA y IVB". Science . 271 (5252): 1099– 1102. Bibcode : 1996Sci...271.1099S . doi : 10.1126/science.271.5252.1099 . S2CID 96376008 . 
  44. ↑ Bosch, F.; et al. (1996). "Observación de la desintegración beta menos del estado ligado del 187 Re totalmente ionizado: Cosmocronometría 187 Re– 187 Os". Physical Review Letters . 77 (26): 5190– 5193. Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 .  
  45. ↑ Bosch, F.; et al. (1996). "Observación de la desintegración β– del estado ligado del 187 Re totalmente ionizado: 187 Re- 187 Os Cosmochronometry". Physical Review Letters . 77 (26): 5190– 5193. Bibcode : 1996PhRvL..77.5190B . doi : 10.1103/PhysRevLett.77.5190 . PMID 10062738 .  
  46. ↑ Emery, GT (1972). "Perturbación de las tasas de desintegración nuclear" . Annual Review of Nuclear Science . 22 (1): 165– 202. Bibcode : 1972ARNPS..22..165E . doi : 10.1146/annurev.ns.22.120172.001121 .
  47. ↑ "El misterio de la desintegración nuclear variable" . Physics World . 2 de octubre de 2008.
  48. ↑ Jenkins, Jere H.; Fischbach, Ephraim (2009). "Perturbación de las tasas de desintegración nuclear durante la erupción solar del 13 de diciembre de 2006". Astroparticle Physics . 31 (6): 407– 411. arXiv : 0808.3156 . Bibcode : 2009APh....31..407J . doi : 10.1016/j.astropartphys.2009.04.005 . S2CID 118863334 . 
  49. ↑ Jenkins, JH; Fischbach, Ephraim; Buncher, John B.; Gruenwald, John T.; Krause, Dennis E.; Mattes, Joshua J. (2009). "Evidencia de correlaciones entre las tasas de desintegración nuclear y la distancia Tierra-Sol". Astroparticle Physics . 32 (1): 42– 46. arXiv : 0808.3283 . Bibcode : 2009APh....32...42J . doi : 10.1016/j.astropartphys.2009.05.004 . S2CID 119113836 . 
  50. ↑ Norman, EB; Browne, Edgardo; Shugart, Howard A.; Joshi, Tenzing H.; Firestone, Richard B. (2009). "Evidencia en contra de correlaciones entre tasas de desintegración nuclear y distancia Tierra-Sol" (PDF) . Astroparticle Physics . 31 (2): 135– 137. arXiv : 0810.3265 . Bibcode : 2009APh....31..135N . doi : 10.1016/j.astropartphys.2008.12.004 . OSTI 947764. S2CID 7051382. Archivado del original (PDF) el 29 de junio de 2010. Recuperado el 23 de septiembre de 2009 .  
  51. ↑ Sturrock, PA; Steinitz, G.; Fischbach, E.; Javorsek, D.; Jenkins, JH (2012). "Análisis de la radiación gamma de una fuente de radón: Indicaciones de una influencia solar". Astroparticle Physics . 36 (1): 18– 25. arXiv : 1205.0205 . Bibcode : 2012APh....36...18S . doi : 10.1016/j.astropartphys.2012.04.009 . ISSN 0927-6505 . S2CID 119163371 .  
  52. ↑ Pommé, S.; Lutter, G.; Marouli, M.; Kossert, K.; Nähle, O. (1 de enero de 2018). "Sobre la afirmación de modulaciones en la desintegración del radón y su asociación con la rotación solar" . Astroparticle Physics . 97 : 38–45 . Bibcode : 2018APh....97...38P . doi : 10.1016/j.astropartphys.2017.10.011 . ISSN 0927-6505 . 
  53. ↑ Kienle P, Bosch F, Bühler P, Faestermanna T, Litvinov Yu.A., Winckler N, et al. (2013). "Medición de alta resolución de la captura electrónica orbital modulada en el tiempo y de la desintegración β + de iones 142 Pm 60 + similares al hidrógeno ". Physics Letters B . 726 ( 4– 5): 638– 645. arXiv : 1309.7294 . Bibcode : 2013PhLB..726..638K . doi : 10.1016/j.physletb.2013.09.033 . ISSN 0370-2693 . S2CID 55085840 .   
  54. ↑ Giunti, Carlo (2009). "La anomalía temporal del GSI: hechos y ficción". Física nuclear B: suplementos de actas . 188 : 43–45 . arXiv : 0812.1887 . Bibcode : 2009NuPhS.188...43G . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2009.02.009 . ISSN 0920-5632 . S2CID 10196271 .  
  55. ↑ Gal, Avraham (2016). "Señales de neutrinos en experimentos de anillos de almacenamiento por captura de electrones" . Symmetry . 8 (6): 49. arXiv : 1407.1789 . Bibcode : 2016Symm....8...49G . doi : 10.3390/sym8060049 . ISSN 2073-8994 . S2CID 14287612 .  
  56. 1 2 3 Pfützner, M.; Karny, M.; Grigorenko, LV; Riisager, K. (30 de abril de 2012). "Desintegraciones radiactivas en los límites de la estabilidad nuclear". Reviews of Modern Physics . 84 (2): 567– 619. arXiv : 1111.0482 . Bibcode : 2012RvMP...84..567P . doi : 10.1103/RevModPhys.84.567 .
  57. ↑ Pais, Abraham (2002). Inward bound: of matter and forces in the physical world ( Edición reimpresa). Oxford: Clarendon Press [ua] ISBN  978-0-19-851997-3.
  58. 1 2 3 Ohanian, Hans C. (1994). Principios de física (1.ª ed.). Nueva York: WW Norton. ISBN  978-0-393-95773-0OCLC 1311044116​​ 
  59. ↑ "Otros tipos de desintegración radiactiva" . Agencia Australiana de Protección Radiológica y Seguridad Nuclear .
  60. ↑ Comunicado de prensa del OIEA, febrero de 2007
  • El buscador de datos nucleares de Lund/LBNL contiene información tabulada sobre los tipos y energías de desintegración radiactiva.
  • Nomenclatura de la química nuclear. Archivado el 12 de febrero de 2015 en Wayback Machine.
  • Actividad específica y temas relacionados .
  • Gráfico en tiempo real de nucleidos – OIEA
  • Tabla interactiva de nucleidos archivada el 10 de octubre de 2018 en Wayback Machine.
  • Sitio web de divulgación pública de la Sociedad de Física de la Salud
  • Beach, Chandler B., ed. (1914). "Rayos de Becquerel"  . Obra de referencia para nuevos estudiantes  . Chicago: FE Compton and Co.
  • Bibliografía anotada sobre radiactividad de la Biblioteca Digital Alsos para Asuntos Nucleares. Archivada el 7 de octubre de 2010 en Wayback Machine.
  • "Henri Becquerel: El descubrimiento de la radiactividad", artículos de Becquerel de 1896 disponibles en línea y analizados en BibNum [haga clic en 'à télécharger' para la versión en inglés] .
  • "Cambio radiactivo", artículo de Rutherford & Soddy (1903), disponible en línea y analizado en Bibnum [haga clic en 'à télécharger' para la versión en inglés]