Los átomos son los "bloques de construcción de la materia". Cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio (por tener volumen) está formada por estas diminutas unidades. Esto se aplica al aire que respiras, al agua que bebes y a tu propio cuerpo.
Los isótopos son un concepto vital en el estudio de los átomos. Los químicos, físicos y geólogos los utilizan para darle sentido a nuestro mundo. Pero antes de que podamos explicar qué son los isótopos (o por qué son tan importantes), tendremos que dar un paso atrás y observar los átomos en su conjunto.
Ahora eso es divertido
Los deportes y la ciencia se cruzan con más frecuencia de lo que parece. La ciudad más grande de Nuevo México consiguió un nuevo equipo de béisbol de ligas menores en 2003. ¿Su nombre? Los isótopos de Albuquerque. En referencia a un episodio de la temporada 12 de "Los Simpson", el nombre inusual del equipo ha tenido un agradable efecto secundario:por necesidad, los empleados del estadio regularmente imparten lecciones de química a los fanáticos curiosos.
ContenidoComo probablemente sepas, los átomos tienen tres componentes principales, dos de los cuales residen en el núcleo. Situado en el centro del átomo, el núcleo es un grupo de partículas muy compacto. Algunas de esas partículas son protones , que tienen cargas eléctricas positivas.
Está bien documentado que las cargas opuestas se atraen. Mientras tanto, los cuerpos con cargas similares tienden a repelerse entre sí. Entonces aquí surge una pregunta:¿Cómo pueden coexistir dos o más protones (con sus cargas positivas) en el mismo núcleo? ¿No deberían alejarse unos de otros?
Ahí es donde entran los neutrones. Neutrones Son partículas subatómicas que comparten núcleo con los protones. Pero los neutrones no poseen carga eléctrica. Fieles a su nombre, los neutrones son neutros y no tienen carga positiva ni negativa. Es un atributo importante. En virtud de su neutralidad, los neutrones pueden impedir que los protones se expulsen unos a otros del núcleo.
Orbitando el núcleo están los electrones , partículas ultraligeras con cargas negativas. Los electrones facilitan los enlaces químicos y sus movimientos pueden producir una pequeña cosa llamada electricidad. Los protones no son menos importantes. Por un lado, ayudan a los científicos a distinguir los elementos.
Es posible que hayas notado que en la mayoría de las versiones de la tabla periódica, cada cuadrado tiene un pequeño número impreso en la esquina superior derecha, encima del símbolo del elemento. Esa cifra se conoce como número atómico . Le dice al lector cuántos protones hay en el núcleo atómico de un elemento en particular. Por ejemplo, el número atómico del oxígeno es ocho. Cada átomo de oxígeno del universo tiene un núcleo con exactamente ocho protones; ni más ni menos.
Sin esta disposición tan específica de partículas, el oxígeno no sería oxígeno. El número atómico de cada elemento (incluido el del oxígeno) es totalmente único. No pueden haber dos elementos con el mismo número atómico. Ningún otro elemento tiene ocho protones por núcleo. Contando el número de protones, puedes identificar un átomo. Así como los átomos de oxígeno siempre tendrán ocho protones, los átomos de nitrógeno siempre tendrán siete. Es así de simple.
Los neutrones no hacen lo mismo. Se garantiza que el núcleo de un átomo de oxígeno alberga ocho protones (como hemos establecido). Sin embargo, también podría contener entre cuatro y 20 neutrones. Isótopos son variantes del mismo elemento que tienen diferentes números de neutrones (y, por lo tanto, propiedades físicas potencialmente diferentes). Sin embargo, tienden a tener las mismas propiedades químicas.
Ahora, cada isótopo se nombra en función de su número de masa. , que es el número total combinado de neutrones y protones en un átomo. Por ejemplo, uno de los isótopos de oxígeno más conocidos se llama oxígeno-18 (O-18). Tiene los ocho protones estándar más 10 neutrones.
Ergo, el número de masa del O-18 es (lo has adivinado) 18. Un isótopo relacionado, el oxígeno-17 (O-17), tiene un neutrón menos en el núcleo. O-16, entonces, tiene el mismo número de protones y neutrones:ocho. Entre este trío, el O-16 y el O-17 son los isótopos más ligeros, y el O-16 es también el isótopo más abundante de los tres.
Algunas combinaciones son más fuertes que otras. Los científicos clasifican el O-16, el O-17 y el O-18 como isótopos estables. En un isótopo estable, las fuerzas ejercidas por los protones y los neutrones se mantienen unidos entre sí, manteniendo permanentemente intacto el núcleo.
Por otro lado, el núcleo de un isótopo radiactivo, también llamado "radioisótopo", es inestable y se desintegrará con el tiempo. Un isótopo radiactivo tiene una proporción de protones a neutrones que es fundamentalmente insostenible a largo plazo. Nadie quiere permanecer en esa situación. Por lo tanto, los isótopos radiactivos desprenderán ciertas partículas subatómicas (y liberarán energía) hasta que se conviertan en isótopos agradables y estables.
El O-18 es estable, pero el oxígeno-19 (O-19) no lo es. Este último inevitablemente se estropeará... ¡rápido! A los 26,88 segundos de su creación, se garantiza que una muestra de O-19 perderá la mitad de sus átomos debido a los estragos de la desintegración radiactiva.
Eso significa que el O-19 tiene una vida media de 26,88 segundos. La vida media es la cantidad de tiempo que tarda el 50 por ciento de una muestra de isótopo en desintegrarse. Recuerda este concepto; lo conectaremos con la paleontología en la siguiente sección.
Pero antes de hablar de ciencia fósil, es necesario señalar una cuestión importante. A diferencia del oxígeno, algunos elementos no tienen ningún isótopo estable. Consideremos el uranio, uno de los elementos radiactivos más conocidos. En el mundo natural existen tres isótopos de este metal pesado, y todos son radiactivos, con los núcleos atómicos en constante estado de descomposición. Con el tiempo, un trozo de uranio se convertirá en un elemento completamente diferente en la tabla periódica.
No te molestes en intentar ver la transición en tiempo real. El proceso se desarrolla muy, muy lentamente.
El uranio-238 (U-238), el isótopo más común del elemento, tiene una vida media de unos 4.500 millones de años. Poco a poco, esto se convertirá en plomo-206 (Pb-206), que es estable. Asimismo, el uranio-235 (U-235), con su vida media de 704 millones de años, se transforma en plomo-207 (Pb-207), otro isótopo estable. (Tanto el U-238 como el U-235 son ejemplos de isótopos naturales).
Para los geólogos, esta es una información realmente útil. Digamos que alguien encuentra una losa de roca cuyos cristales de circón contienen una mezcla de U-235 y Pb-207. La proporción de estos dos átomos puede ayudar a los científicos a determinar la edad de la roca.
He aquí cómo:digamos que los átomos de plomo superan ampliamente a sus homólogos de uranio. En ese caso, sabrás que estás mirando una roca bastante antigua. Después de todo, el uranio tuvo mucho tiempo para empezar a transformarse en plomo. Por otro lado, si ocurre lo contrario (y los átomos de uranio son más comunes), entonces la roca debe estar en el lado más joven.
La técnica que acabamos de describir se llama datación radiométrica. Se trata del acto de utilizar tasas de desintegración bien documentadas de isótopos inestables para estimar la edad de muestras de rocas y formaciones geológicas. Los paleontólogos aprovechan esta estrategia para determinar cuánto tiempo ha transcurrido desde que se depositó un fósil en particular. (Aunque no siempre es posible fechar el espécimen directamente).
No es necesario ser un aficionado a la prehistoria para apreciar los isótopos. Los médicos utilizan algunas de las variedades radiactivas para controlar el flujo sanguíneo, estudiar el crecimiento óseo e incluso combatir el cáncer. También se han utilizado radioisótopos para brindar a los agricultores información sobre la calidad del suelo.
Ahí lo tienes. Algo tan aparentemente abstracto como la variabilidad de los neutrones afecta a todo, desde el tratamiento del cáncer hasta los misterios del tiempo profundo. La ciencia es asombrosa.
