Cuando escuche el término "radioactivo" probablemente piense "malas noticias, "tal vez en la línea de las consecuencias de una bomba atómica.

Pero los materiales radiactivos se utilizan en realidad en una amplia gama de aplicaciones beneficiosas. En medicina, ayudan de forma rutinaria a diagnosticar y tratar enfermedades. La irradiación ayuda a mantener varios alimentos libres de insectos y plagas invasoras. Los arqueólogos los utilizan para averiguar la antigüedad de un artefacto. Y la lista continúa. Entonces, ¿qué es la radiactividad?

Es la emisión espontánea de radiación cuando el centro denso de un átomo, llamado núcleo, se transforma en otro diferente. Ya sea en forma de partículas u ondas electromagnéticas llamadas rayos gamma, la radiación transfiere energía lejos del núcleo atómico.

A través de experimentos los físicos nucleares han visto alrededor de 3, 000 tipos diferentes de núcleos hasta la fecha. Teorías actuales, aunque, predecir la existencia de alrededor de 4, 000 más que nunca se han observado. Alrededor del mundo, miles de científicos, incluyéndome a mí, Continuar estudiando estos pequeños componentes de la materia, mientras que los gobiernos gastan miles de millones de dólares en la construcción de nuevas y poderosas máquinas que producirán núcleos cada vez más exóticos, y tal vez eventualmente más tecnologías que mejoren aún más la vida moderna.

El nacimiento de la física nuclear

El físico francés Henri Becquerel descubrió la radiactividad natural en 1896. Estaba tratando de estudiar cómo fosforescen las sales de uranio, es decir, emiten luz - cuando están expuestos a la luz solar. Becquerel colocó una muestra de uranio en una placa fotográfica cubierta con papel opaco y la dejó a la luz solar directa. El plato se empañó que concluyó que se debía a la exposición al sol.

Gracias a unos días de tiempo nublado, aunque, Becquerel dejó toda su configuración en un cajón oscuro. Asombrosamente, la placa fotográfica todavía empañada, incluso en ausencia de luz. La luz del sol no tuvo nada que ver con su observación anterior. Fue la radiactividad natural de las muestras de uranio lo que tuvo este efecto. A medida que decaían los núcleos de uranio, es decir, transformados en diferentes núcleos - emitieron espontáneamente ondas de luz que se registraron en las placas fotográficas.

El descubrimiento de Becquerel marcó el comienzo de una nueva era de la física y lanzó el campo de la ciencia nuclear. Por este trabajo, ganó el Premio Nobel en 1903.

Desde entonces, Los científicos nucleares han desentrañado gran parte del funcionamiento interno del núcleo atómico, y han aprovechado su asombrosa energía para usos buenos y desafortunadamente no tan buenos. Los descubrimientos de la física nuclear nos han brindado formas de mirar dentro de nuestros cuerpos de manera no invasiva, formas de crear energía sin contaminación del aire, y formas de estudiar nuestra historia y nuestro entorno.

A nivel atómico

Los núcleos atómicos conocidos pertenecen a 118 elementos diferentes, algunos de ellos de origen natural y algunos de origen humano. Para cada elemento de la tabla periódica hay muchos "isótopos, "de la palabra griega" ισότοπο, "que significa" mismo lugar, "lo que implica el mismo lugar en la tabla periódica de los elementos.

Para ser el mismo elemento, dos isótopos deben tener el mismo número de protones:la partícula subatómica cargada positivamente. Es su número de neutrones, partículas subatómicas sin carga alguna, lo que puede variar significativamente.

Por ejemplo, el oro es el elemento 79 en la tabla periódica, y todos los isótopos de oro tendrán el mismo metal, aspecto amarillento. Sin embargo, hay 40 isótopos de oro conocidos que se han descubierto, y se teoriza la existencia de otros aproximadamente 20. Solo uno de estos isótopos es el "estable, "o de origen natural, forma de oro que podría estar usando en su dedo anular en este momento. El resto son isótopos radiactivos, también conocido como "isótopos raros".

Cada uno de los isótopos raros tiene propiedades únicas:viven durante diferentes períodos de tiempo, desde una fracción de segundo hasta unos miles de millones de años, y liberan diferentes tipos de radiación y diferentes cantidades de energía.

Por ejemplo, Los detectores de humo modernos utilizan el isótopo Americio-241, que emite un tipo de radiación llamada partículas alfa que tienen un alcance muy corto. La radiactividad no puede viajar más de un par de pulgadas en el aire. El americio-241 vive unos cientos de años.

Por otra parte, el isótopo flúor-18, que se usa comúnmente en tomografías PET médicas, vive solo unos 100 minutos, el tiempo suficiente para completar el escaneo, pero lo suficientemente corto para evitar irradiar innecesariamente el cuerpo sano durante un período prolongado. La radiación electromagnética secundaria que proviene del flúor-18 se encuentra en forma de rayos gamma de largo alcance, lo que le permite salir del cuerpo y entrar en las cámaras PET.

Estas diferentes propiedades nucleares hacen que cada isótopo raro sea único, y los físicos nucleares tienen que diseñar experimentos especializados para estudiar cada uno de ellos por separado.

Buscando más

La investigación actual de la ciencia nuclear se esfuerza por desarrollar nuevas técnicas para descubrir nuevos isótopos, comprender sus propiedades, y eventualmente producirlos y cosecharlos de manera eficiente.

Producir isótopos raros no es una tarea fácil; requiere grandes máquinas que harán que los núcleos viajen, y chocan unos con otros, a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Durante estas colisiones, los núcleos pueden fusionarse, o pueden separarse el uno al otro, produciendo nuevos núcleos, potencialmente con combinaciones nunca antes vistas de protones y neutrones.

Los físicos nucleares tienen equipos dedicados, detectores, que pueden observar estos núcleos recién formados y la radiación que emiten. y estudiar sus propiedades. Por ejemplo, en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores donde trabajo, mi grupo ha desarrollado un detector de rayos gamma extremadamente eficiente que llamamos SuN.

La mayoría de los isótopos conocidos emiten radiación gamma cuando decaen. Queremos saber cuánta energía se libera en este proceso, cuántos rayos gamma diferentes se emiten y cómo se comparte la energía entre ellos, y cuánto tarda en producirse la descomposición. SuN puede responder estas preguntas sobre cualquier isótopo que estemos investigando.

En un experimento típico, implantamos un haz de isótopos raros en el centro de SuN. Los isótopos raros se descompondrán por sí mismos después de un corto período de tiempo, aproximadamente un segundo o menos, y emiten su radiación característica. SuN detecta estos rayos gamma emitidos. Es nuestro trabajo como experimentadores nucleares armar el rompecabezas de cómo se emitieron esos rayos gamma y qué nos dicen sobre las propiedades del nuevo isótopo.

Este tipo de técnicas de producción y detección son complejas y costosas, y, por lo tanto, solo hay un puñado de laboratorios de isótopos raros en el mundo que pueden producir y estudiar las especies nucleares más exóticas.

Es imposible predecir qué nuevos descubrimientos en la investigación básica tendrán un impacto en la vida de las personas. ¿Quién podría haberlo sabido hace 100 años? cuando se descubrió el electrón, ¿Que durante algunas décadas casi todas las casas del mundo desarrollado tendrían una máquina de electrones, también conocida como tubo de rayos catódicos, para ver la televisión? ¿Y quién podría haber adivinado que el descubrimiento de la radiactividad eventualmente conduciría a la exploración espacial impulsada por desintegraciones radiactivas?

Del mismo modo, no podemos predecir qué descubrimientos de isótopos raros serán los que cambiarán el juego, pero con más de la mitad de los isótopos predichos aún sin explorar, para mí las posibilidades se sienten infinitas.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.