Cadena de descomposición

En ciencia nuclear, una cadena de desintegración se refiere a la serie predecible de desintegraciones radiactivas que sufren los núcleos de ciertos elementos químicos inestables.

Los isótopos radiactivos no suelen desintegrarse directamente en isótopos estables , sino en otro radioisótopo. El isótopo resultante de esta emisión radiactiva se desintegra a su vez en otro isótopo, a menudo radiactivo. Esta cadena de desintegraciones siempre culmina en un isótopo estable , cuyo núcleo ya no posee el excedente de energía necesario para producir otra emisión de radiación. Se dice entonces que estos isótopos estables han alcanzado su estado fundamental .

Las etapas o pasos en una cadena de desintegración se denominan según su relación con las etapas anteriores o posteriores. Por lo tanto, un isótopo padre es aquel que se desintegra para formar un isótopo hijo . Por ejemplo , el elemento 92, uranio , tiene un isótopo con 144 neutrones ( ^236U ) que se desintegra en un isótopo del elemento 90, torio , con 142 neutrones ( 232Th ⁾ . El isótopo hijo puede ser estable o desintegrarse a su vez para formar otro isótopo hijo. El ^232Th hace esto cuando se desintegra en radio-228 . El hijo de un isótopo hijo, como el ^228Ra , a veces se denomina isótopo nieto . ^{El 228Ra} , a su vez, sufre ocho desintegraciones y transmutaciones más hasta que se produce un isótopo estable, el ^208Pb , finalizando así la cadena de desintegración del ^236U .

El tiempo necesario para que un átomo de un isótopo padre se desintegre en su hijo es fundamentalmente impredecible y varía ampliamente. Para los núcleos individuales, no se conocen causas determinables para este proceso y, por lo tanto, el momento en que ocurre es completamente aleatorio . La única predicción que se puede hacer es estadística y expresa una tasa de desintegración promedio. Esta tasa se puede representar ajustando la curva de una distribución exponencial decreciente con una constante de desintegración ( λ ) particular para el isótopo. Según este entendimiento, la desintegración radiactiva de una población inicial de átomos inestables a lo largo del tiempo t sigue la curva dada por e ^{− λt} .

Una de las propiedades más importantes de cualquier material radiactivo se deriva de este análisis: su vida media . Esta se refiere al tiempo necesario para que la mitad de un número determinado de átomos radiactivos se desintegre y está inversamente relacionada con la constante de desintegración del isótopo, λ . Se han determinado vidas medias en laboratorios para muchos radionúclidos, y pueden variar desde casi instantáneas ( el hidrógeno-5 se desintegra en menos tiempo del que tarda un fotón en ir de un extremo de su núcleo al otro) hasta catorce órdenes de magnitud mayores que la edad del universo : el telurio-128 tiene una vida media de2,2 × 10 ²⁴  años .

La ecuación de Bateman predice las cantidades relativas de todos los isótopos que componen una cadena de desintegración determinada una vez que dicha cadena ha transcurrido el tiempo suficiente para que algunos de sus productos hijos hayan alcanzado el extremo estable (es decir, no radiactivo) de la cadena. Se dice que una cadena de desintegración que ha alcanzado este estado, lo que puede requerir miles de millones de años, está en equilibrio . Una muestra de material radiactivo en equilibrio produce una cantidad constante y decreciente de radiactividad a medida que los isótopos que la componen recorren la cadena de desintegración. Por otro lado, si una muestra de material radiactivo ha sido enriquecida isotópicamente, lo que significa que un radioisótopo está presente en cantidades mayores de las que existirían si una cadena de desintegración fuera la única causa de su presencia, se dice que esa muestra está fuera de equilibrio . Una consecuencia poco intuitiva de este desequilibrio es que una muestra de material enriquecido puede aumentar ocasionalmente su radiactividad a medida que se acumulan productos hijos que son más radiactivos que sus progenitores. Tanto el uranio enriquecido como el empobrecido son ejemplos de este fenómeno.

Los elementos químicos surgieron en dos fases. La primera comenzó poco después del Big Bang . Entre los diez segundos y los veinte minutos posteriores al inicio del universo, la condensación primigenia de átomos ligeros fue responsable de la formación de los cuatro elementos más ligeros. La gran mayoría de esta producción primordial consistió en los tres isótopos más ligeros del hidrógeno —protio , deuterio y tritio— y dos de los nueve isótopos conocidos del helio —helio -3 y helio-4— . Es probable que también se produjeran cantidades ínfimas de litio-7 y berilio-7 .

Hasta donde se sabe, todos los elementos más pesados ​​surgieron aproximadamente 100 millones de años después, en una segunda fase de nucleosíntesis que comenzó con el nacimiento de las primeras estrellas . ^{[ 1 ]} Los hornos nucleares que impulsan la evolución estelar fueron necesarios para crear grandes cantidades de todos los elementos más pesados ​​que el helio, y el proceso r y sSe cree que las capturas de neutrones que ocurren en los núcleos estelares crearon todos los elementos hasta el hierro y el níquel (números atómicos 26 y 28). Las condiciones extremas que acompañan a las explosiones de supernovas son capaces de crear los elementos entre el oxígeno y el rubidio (es decir, números atómicos del 8 al 37). La creación de elementos más pesados, incluidos aquellos sin isótopos estables (todos los elementos con números atómicos mayores que el del plomo, 82), parece depender de la nucleosíntesis del proceso r que opera en medio de las inmensas concentraciones de neutrones libres liberados durante las fusiones de estrellas de neutrones .

La mayoría de los isótopos de cada elemento químico presente en la Tierra hoy se formaron mediante tales procesos no más tarde del momento de la condensación de nuestro planeta a partir del disco protoplanetario solar , hace unos 4.500 millones de años. Las excepciones a estos llamados elementos primordiales son aquellos que han resultado de la desintegración radiactiva de núcleos padres inestables a medida que progresan a través de una de varias cadenas de desintegración, cada una de las cuales termina con la producción de uno de los 251 isótopos estables conocidos. Aparte de la nucleosíntesis cósmica o estelar y las cadenas de desintegración, las únicas otras formas de producir un elemento químico dependen de armas atómicas , reactores nucleares ( naturales o artificiales ) o el laborioso ensamblaje átomo por átomo de núcleos con aceleradores de partículas .

Los isótopos inestables se desintegran en sus productos hijos (que a veces pueden ser incluso más inestables) a una velocidad determinada; finalmente, a menudo después de una serie de desintegraciones, se alcanza un isótopo estable: hay 251 isótopos estables en el universo. En los isótopos estables, los elementos ligeros suelen tener una menor proporción de neutrones a protones en su núcleo que los elementos más pesados. Los elementos ligeros como el helio-4 tienen una proporción neutrón:protón cercana a 1:1. Los elementos más pesados ​​como el uranio tienen cerca de 1,5 neutrones por protón (por ejemplo, 1,587 en el uranio-238 ). Ningún nucleido más pesado que el plomo-208 es estable; estos elementos más pesados ​​tienen que perder masa para alcanzar la estabilidad, principalmente por desintegración alfa . La otra forma común de desintegración de los isótopos con una alta relación neutrón/protón (n/p) es la desintegración beta , en la que el nucleido cambia de identidad elemental manteniendo el mismo número másico y disminuyendo su relación n/p. Para algunos isótopos con una relación n/p relativamente baja, existe una desintegración beta inversa , por la cual un protón se transforma en un neutrón, acercándose así a un isótopo estable; sin embargo, dado que la fisión casi siempre produce productos con exceso de neutrones, la emisión de positrones o la captura de electrones son raras en comparación con la emisión de electrones. Existen muchas cadenas de desintegración beta relativamente cortas, al menos dos (una pesada, desintegración beta y una ligera, desintegración de positrones ) para cada masa discreta hasta aproximadamente 207 y algunas más allá, pero para los elementos de mayor masa (isótopos más pesados ​​que el plomo) solo hay cuatro vías que abarcan todas las cadenas de desintegración. Esto se debe a que solo hay dos métodos principales de desintegración: la radiación alfa , que reduce el número másico en 4, y la beta, que lo deja sin cambios. Las cuatro rutas se denominan 4n, 4n + 1, 4n + 2 y 4n + 3; el resto de dividir la masa atómica por cuatro da la cadena que seguirá el isótopo en su desintegración. Hay otros modos de desintegración, pero invariablemente ocurren con una probabilidad menor que la desintegración alfa o beta. (No debe suponerse que estas cadenas no tienen ramificaciones: el diagrama a continuación muestra algunas ramificaciones de cadenas, y en realidad hay muchas más, porque hay muchos más isótopos posibles de los que se muestran en el diagrama). Por ejemplo, el tercer átomo de nihonio-278 sintetizado sufrió seis desintegraciones alfa hasta mendelevio-254 , seguidas de una captura electrónica (una forma de desintegración beta) a fermio-254 , y luego una séptima alfa a californio-250 , ^{[ 2 ]} sobre la cual habría seguido la 4n +        2 cadena (serie del radio) como se indica en este artículo. Sin embargo, los nucleidos superpesados ​​más pesados ​​sintetizados no alcanzan las cuatro cadenas de desintegración, porque alcanzan un nucleido de fisión espontánea después de unas pocas desintegraciones alfa que termina la cadena: esto es lo que sucedió con los dos primeros átomos de nihonio-278 sintetizados, ^{[ 3 ] [ 4 ]} así como con todos los nucleidos más pesados ​​producidos.

Tres de esas cadenas tienen un isótopo (o nucleido) de larga vida cerca de la cima; este nucleido de larga vida es un cuello de botella en el proceso a través del cual la cadena fluye muy lentamente, y mantiene la cadena por debajo de ellos "viva" con flujo. Los tres nucleidos de larga vida son uranio-238 (vida media 4.463 mil millones de años), uranio-235 (vida media 704 millones de años) y torio-232 (vida media 14.1 mil millones de años). La cuarta cadena no tiene un nucleido de cuello de botella de larga duración cerca de la cima, por lo que esa cadena hace mucho tiempo que se desintegró hasta el último antes del final: bismuto-209. Durante mucho tiempo se pensó que este nucleido era estable, pero en 2003 se descubrió que era inestable, con una vida media muy larga de 20.1 mil billones de años; ^{[ 5 ]} es el último paso en la cadena antes del talio-205 estable. Debido a que este cuello de botella es tan prolongado, se han producido cantidades muy pequeñas del producto de desintegración final, y para la mayoría de los fines prácticos, el bismuto-209 es el producto de desintegración final.

En el pasado, durante los primeros millones de años de la historia del Sistema Solar, existían más nucleidos de alta masa inestables, y las cuatro cadenas eran más largas, ya que incluían nucleidos que desde entonces se han desintegrado. En particular, ^{el 244} Pu, ^{el 237} Np y ^{el 247} Cm tienen vidas medias superiores a un millón de años y habrían sido cuellos de botella más altos en las cadenas 4n, 4n+1 y 4n+3 respectivamente ^{[ 6 ]} - se ha identificado la presencia de ²⁴⁴ Pu y ^{247 Cm. (No hay ningún nucleido con una vida media superior a un millón de años por encima del 238} U en la cadena 4n+2). Hoy en día, algunos de estos isótopos anteriormente extintos existen de nuevo, ya que se han fabricado. Así, retoman sus lugares en la cadena: el plutonio-239, utilizado en armas nucleares, es el ejemplo principal, que se desintegra en uranio-235 mediante emisión alfa con una vida media de 24 500 años. También se ha producido a gran escala neptunio-237, resucitando la cuarta cadena extinta. ^{[ 7 ]} Por lo tanto, las tablas a continuación comienzan las cuatro cadenas de desintegración con isótopos de californio con números másicos del 249 al 252.

Estas cuatro cadenas se resumen en el cuadro de la siguiente sección.

Los cuatro modos más comunes de desintegración radiactiva son: desintegración alfa, desintegración beta, desintegración beta inversa (considerada como emisión de positrones y captura de electrones) y transición isomérica . De estos procesos de desintegración, solo la desintegración alfa (fisión de un núcleo de helio-4 ) cambia el número de masa atómica ( A ) del núcleo, y siempre lo disminuye en cuatro. Debido a esto, casi cualquier desintegración dará como resultado un núcleo cuyo número de masa atómica tiene el mismo residuo módulo 4. Esto divide la lista de nucleidos en cuatro clases, cada una de las cuales forma una cadena de desintegración principal.

Tres de estas series se observan fácilmente en la naturaleza, conocidas comúnmente como la serie del torio, la serie del radio o uranio y la serie del actinio , que representan tres de estas cuatro clases y culminan en tres isótopos estables diferentes del plomo . El número másico de cada isótopo en la cadena se puede representar como A  =  4n , A = 4n + 2 o A = 4n + 3 , respectivamente. Los isótopos iniciales de larga vida de estas tres series, respectivamente torio-232 , uranio-238 y uranio-235 , han existido desde la formación de la Tierra, sin contar los isótopos artificiales y sus desintegraciones creados desde la década de 1940.        

Debido a la vida media relativamente corta de su isótopo inicial neptunio-237 (2,144 millones de años), la cuarta cadena, la serie del neptunio con A  =  4 n  +  1, ya está extinta en la naturaleza, excepto por el paso final limitante de la velocidad, la desintegración del bismuto-209 . Sin embargo, se encuentran trazas de ²³⁷ Np y sus productos de desintegración en la naturaleza, como resultado de reacciones de neutrones en el mineral de uranio; también es posible la captura de neutrones por torio natural para dar ²³³ U. ^{[ 8 ]} Ahora se sabe que el isótopo final de esta cadena es el talio-205 . Algunas fuentes antiguas dan el isótopo final como bismuto-209, pero en 2003 se descubrió que es muy poco radiactivo, con una vida media de2,01 × 10 ¹⁹  años . ^{[ 9 ]}

También existen cadenas de desintegración no transuránicas de isótopos inestables de elementos ligeros, como el magnesio-28 y el cloro-39 . En la Tierra, la mayoría de los isótopos iniciales de estas cadenas, antes de 1945, se generaron por radiación cósmica . Desde 1945, las pruebas y el uso de armas nucleares también han liberado numerosos productos de fisión radiactivos . Casi todos estos isótopos se desintegran mediante los modos de desintegración β⁻ ^o β⁺ ^, transformándose de un elemento a otro con la misma masa atómica. Los productos hijos posteriores en dicha cadena, al estar más cerca de la estabilidad beta, generalmente tienen vidas medias más largas.

En las cuatro tablas siguientes, se omiten las ramas de desintegración muy menores (con una probabilidad de ramificación inferior a una entre un millón). También se omite la fisión espontánea , aunque es mayor para los núcleos pares más pesados ​​y detectable hasta el torio. Todos los datos nucleares se han tomado de ^{[ 9 ],} salvo que se indique lo contrario. Los nombres históricos de los isótopos se encuentran en ^{[ 15 ] .}

La liberación de energía incluye la energía cinética total de todas las partículas emitidas ( electrones , partículas alfa , cuantos gamma , neutrinos , electrones Auger y rayos X ) y el núcleo del producto de desintegración que retrocede; esto corresponde a lo calculado a partir de las masas atómicas. La letra 'a' representa un año (del latín annus ).

En las tablas (excepto en la serie del neptunio), también se incluyen los nombres históricos de los nucleidos naturales. Dichos nombres se utilizaban cuando se descubrieron e investigaron las cadenas de desintegración; el sistema que se muestra no se finalizó hasta la década de 1920, pero sería demasiado confuso incluir también los nombres anteriores. A partir de estos nombres históricos, se puede deducir la designación isotópica moderna.

Las tres cadenas primordiales que se muestran a continuación —torio, uranio/radio (proveniente del uranio-238) y actinio (proveniente del uranio-235)— terminan cada una con su propio isótopo de plomo específico (plomo-208, plomo-206 y plomo-207, respectivamente). Todos los isótopos de plomo son estables y también están presentes en la naturaleza como nucleidos primordiales , por lo que su exceso en comparación con el plomo-204 (que solo tiene un origen primordial) es necesario para una datación precisa de rocas mediante el método uranio-plomo . La correlación de más de un isótopo da como resultado la datación plomo-plomo , capaz de ofrecer una precisión aún mayor.

Serie de torio

La cadena 4n del torio-232 se conoce comúnmente como la "serie del torio" o "cascada del torio". Esta serie finaliza con el plomo-208, 6 desintegraciones alfa y 4 desintegraciones beta del torio.

El plutonio-244 (que aparece varios pasos por encima del torio-232) estuvo presente en el Sistema Solar primitivo, ^{[ 6 ]} y es lo suficientemente longevo (vida media de 81,1 Myr) como para que aún sobreviva en cantidades ínfimas hoy en día, ^{[ 16 ]} aunque probablemente no se haya detectado. ^{[ 17 ]}

La energía total liberada del torio-232 al plomo-208, incluyendo la energía perdida por los neutrinos, es de 42,65  MeV; del californio-252, de 71,11  MeV. Esta última es la cadena más grande de las cuatro.

Serie Neptuno

La cadena 4n+1 del neptunio-237 se conoce comúnmente como la "serie del neptunio" o "cascada del neptunio". En esta serie, solo dos de los isótopos involucrados se encuentran naturalmente en cantidades significativas, concretamente los dos últimos: bismuto-209 y talio-205. Algunos de los otros isótopos se han detectado en la naturaleza, originados a partir de cantidades traza de ^{237Np producido por la reacción} de eliminación (n,2n) en el 238U ^{primordial . [ 8 ]}

Esta serie finaliza con el isótopo estable talio-205, 8 desintegraciones alfa y 4 desintegraciones beta del neptunio.

La serie del neptunio es bastante singular entre las cuatro, por varias razones:

• Dado que esta serie fue descubierta y estudiada recién en 1947-1948, ^{[ 20 ]} sus nucleidos nunca recibieron nombres históricos. Cada una de las otras series tiene muchos de sus nucleidos con nombres históricos.
• Esta serie contiene un isótopo de radón que se produce únicamente en una rama poco frecuente (no mostrada en la ilustración), pero no en la secuencia principal de desintegración. Otras series producen radón en la secuencia principal de desintegración, el cual, si se encuentra en un mineral, tendería a migrar a través de él y liberarse como gas radiactivo.
• Esta serie termina en talio (o, en la práctica, en bismuto) en lugar de plomo.
• Sus nucleidos progenitores están prácticamente extintos , lo que explica por qué la serie se descubrió mucho más tarde, después del desarrollo de la nucleosíntesis artificial. Cada una de las demás series tiene nucleidos progenitores primordiales.

La energía total liberada del neptunio-237 al talio-205, incluyendo la energía perdida por los neutrinos , es de 49,29  MeV; del californio-249, de 66,87  MeV. Dado que la energía del paso final del bismuto al talio, aunque conocida, no estará disponible hasta un futuro inimaginable, quizás sea mejor citar las cifras de 46,16  MeV y 63,73  MeV para el bismuto-209.

1. ↑ El valor 0,026%, que aparece en otros lugares, es un error tipográfico. Aquí se citan los datos originales.

Serie de uranio

La cadena 4n+2 del uranio-238 se denomina "serie del uranio" o "serie del radio", esta última por el primer miembro conocido cuando se le dio nombre, el radio-226. La serie termina con el plomo-206, 8 desintegraciones alfa y 6 desintegraciones beta del uranio.

La energía total liberada del uranio-238 al plomo-206, incluyendo la energía perdida por los neutrinos, es de 51,69  MeV; del californio-250, de 68,28  MeV.

Serie Actinio

La cadena 4n+3 del uranio-235 se conoce comúnmente como la "serie del actinio" o "cascada del actinio", por el primer miembro conocido cuando se le dio nombre, el actinio-227. Esta serie termina con el plomo-207, 7 desintegraciones alfa y 4 desintegraciones beta del uranio.

En los inicios del Sistema Solar, esta cadena se remontaba al ²⁴⁷ Cm. Esto se manifiesta hoy en día como variaciones en las proporciones de ²³⁵ U/ ²³⁸ U, ya que el curio y el uranio tienen químicas notablemente diferentes y, por lo tanto, se distribuyen de manera diferente. ^{[ 6 ] [ 22 ]}

La energía total liberada del uranio-235 al plomo-207, incluyendo la energía perdida por los neutrinos, es de 46,40  MeV; del californio-251, de 69,91  MeV.

• Física nuclear
• Desintegración radiactiva
• Valle de la estabilidad
• Producto de descomposición
• Radioisótopos ( radionúclidos )
• Datación radiométrica

• CM Lederer; JM Hollander; I. ​​Perlman (1968). Tabla de isótopos (6.ª  ed.). Nueva York: John Wiley & Sons .

• Portal de ciencia nuclear Nucleonica
• El motor de cálculo de desintegraciones de Nucleonica permite realizar cálculos de desintegración profesionales en línea.
• EPA – Desintegración radiactiva
• El sitio web del gobierno enumera los isótopos y las energías de desintegración.
• Centro Nacional de Datos Nucleares : bases de datos de libre acceso que pueden utilizarse para comprobar o construir cadenas de desintegración.
• OIEA – Tabla en tiempo real de nucleidos (con cadenas de desintegración)
• Buscador de cadenas de desintegración