radiactivo es una palabra que no se entiende muy bien. Inmerso en el miedo y que parece intrínsecamente extraño y peligroso, la naturaleza de la desintegración radiactiva es algo que vale la pena aprender sobre si eres un estudiante de física o simplemente un laico interesado.

La realidad es que la radiactividad esencialmente describe las reacciones nucleares que conducen a un cambio en el número atómico de un elemento y /o una liberación de radiación gamma. Es peligroso en grandes cantidades porque la radiación liberada es "ionizante" (es decir, tiene suficiente energía para eliminar los electrones de los átomos), pero es un fenómeno físico interesante y, en la práctica, la mayoría de las personas nunca estarán cerca de materiales radiactivos lo suficiente como para estar en riesgo .

Los núcleos pueden alcanzar un estado de energía más bajo por fusión, que es cuando dos núcleos se fusionan para crear un núcleo más pesado, liberando energía en el proceso, o por fisión, que es la división de elementos pesados en elementos más ligeros. . La fisión es la fuente de energía en los reactores nucleares, y también en las armas nucleares, y esto es en particular lo que la mayoría de las personas imaginan cuando piensan en la radiactividad. Pero la mayoría de las veces, cuando los núcleos cambian a un estado de energía más bajo en la naturaleza, se reduce a la desintegración radiactiva.

Hay tres tipos de desintegración radiactiva: desintegración alfa, desintegración beta y desintegración gamma, aunque la desintegración beta en en sí viene en tres tipos diferentes. Aprender acerca de estas formas de desintegración nuclear es una parte crucial de cualquier curso de física nuclear.
Decaimiento alfa

La desintegración alfa ocurre cuando un núcleo emite lo que se llama una "partícula alfa" (partícula α). Una partícula alfa es una combinación de dos protones y dos neutrones que, si conoce su tabla periódica, la reconocerá como núcleo de helio.

El proceso es bastante fácil de entender en términos de masa y propiedades de el átomo resultante: pierde cuatro de su número de masa (dos de los protones y dos de los electrones) y dos de su número atómico (de los dos protones perdidos). Esto significa que el átomo original (es decir, el núcleo "padre") se convierte en un elemento diferente (basado en el núcleo "hijo") después de sufrir la desintegración alfa.

Al calcular la energía liberada en la desintegración alfa, necesita para restar la masa del núcleo de helio y el átomo hijo de la masa del átomo padre, y convertir esto en un valor de energía usando la famosa ecuación de Einstein E
\u003d mc
^{2) Por lo general, es más fácil realizar este cálculo si trabaja en unidades de masa atómica (amu) y multiplica la masa faltante por el factor c
2 \u003d 931.494 MeV /amu. Esto devuelve un valor de energía en MeV (es decir, megavoltios electrónicos), con un electrónvoltio igual a 1.602 × 10 - 9 julios y generalmente una unidad más conveniente para trabajar en energías a escala atómica.
Decaimiento Beta: Decaimiento Beta-Plus (Emisión de Positrones)}

Dado que el decaimiento beta tiene tres variedades diferentes, es útil conocer cada una de ellas, aunque hay muchas similitudes entre ellas. La desintegración beta-plus es cuando un protón se convierte en un neutrón, con la liberación de una partícula beta-plus (es decir, una partícula β +) junto con una partícula sin carga, casi sin masa llamada neutrino. Como resultado de este proceso, el átomo hijo tendrá un protón menos y un neutrón más que el átomo padre, pero el mismo número de masa general.

La partícula beta-plus en realidad se llama positrón, que es la partícula antimateria correspondiente al electrón. Tiene una carga positiva del mismo tamaño que la carga negativa en el electrón y la misma masa que un electrón. El neutrino liberado técnicamente se llama neutrino electrónico. Observe que una partícula de materia regular y una partícula de antimateria se liberan en este proceso.

Calcular la energía liberada en este proceso de descomposición es un poco más complicado que para otras formas de descomposición, porque la masa del progenitor El átomo incluirá la masa de un electrón más que la masa del átomo hijo. Además de esto, también debe restar la masa de la partícula β + que se emite en el proceso. Esencialmente, debe restar la masa de la partícula hija y dos electrones
de la masa de la partícula original, y luego convertirla en energía como antes. El neutrino es tan pequeño que puede descuidarse de forma segura.
Decaimiento Beta: Decaimiento Beta-Menos

La desintegración Beta-menos es esencialmente el proceso opuesto de la desintegración beta-plus, donde un neutrón se convierte en un protón. , liberando una partícula beta menos (una partícula β) y un antineutrino electrónico en el proceso. Debido a este proceso, el átomo hijo tendrá un neutrón menos y un protón más que el átomo padre.

La partícula β es en realidad un electrón, pero tiene un nombre diferente en este contexto porque cuando el beta La primera vez que se descubrió la emisión de la descomposición, nadie sabía qué era realmente la partícula. Además, llamarlas partículas beta es útil porque le recuerda que proviene del proceso de desintegración beta, y puede ser útil cuando intenta recordar lo que sucede en cada una: la partícula beta positiva se libera en desintegración beta-plus y la partícula beta negativa se libera en desintegración beta menos. Sin embargo, en este caso, el neutrino es una partícula antimateria, pero nuevamente, una antimateria y una partícula de materia regular se liberan en el proceso.

Calcular la energía liberada en este tipo de desintegración beta es un poco más simple, porque el electrón extra que posee el átomo hijo se cancela con el electrón perdido en la emisión beta. Esto significa que para calcular ∆ m
, simplemente resta la masa del átomo hijo de la del átomo padre y luego multiplica por la velocidad de la luz al cuadrado ( c
^{2 ), como antes, expresado en megavoltios por unidad de masa atómica.
Decaimiento beta - Captura de electrones}

El último tipo de desintegración beta es bastante diferente de los dos primeros. En la captura de electrones, un protón "absorbe" un electrón y se convierte en un neutrón, con la liberación de un electrón neutrino. Por lo tanto, esto reduce el número atómico (es decir, el número de protones) en uno y aumenta el número de neutrones en uno.

Esto podría parecer que viola el patrón hasta ahora, con una materia y una partícula de antimateria siendo emitido, pero da una pista de la razón real de este equilibrio. El "número de leptones" (que se puede considerar como un número de "familia de electrones") se conserva, y un electrón o neutrino electrónico tiene un número de leptones de 1, mientras que el positrón o antineutrino electrónico tiene un número de leptones de -1.

Debería poder ver que todos los demás procesos cumplen esto fácilmente. Para la captura de electrones, el número de leptones disminuye en 1 cuando se captura el electrón, por lo que para equilibrar esto, se debe emitir una partícula con un número de leptones de 1.

Calcular la energía liberada en la captura de electrones es bastante simple. : Debido a que el electrón proviene del átomo padre, no necesita preocuparse por tener en cuenta la diferencia en la cantidad de electrones entre los átomos padre e hija. Encuentra ∆ m
simplemente restando la masa del átomo hijo de la del átomo padre. La expresión para el proceso generalmente se escribirá con el electrón en el lado izquierdo, pero la regla simple le recuerda que esto es realmente parte del átomo padre en términos de masa.
Decadencia gamma

La desintegración gamma implica la emisión de un fotón de alta energía (radiación electromagnética), pero el número de protones y neutrones en el átomo no cambia como resultado del proceso. Es análogo a la emisión de un fotón cuando un electrón pasa de un estado de energía más alto a un estado de energía más bajo, pero la transición en este caso tiene lugar en el núcleo del átomo.

Al igual que en la situación análoga. , la transición de un estado de mayor energía a un estado de menor energía se equilibra mediante la emisión de un fotón. Estos tienen energías superiores a 10 keV y generalmente se llaman rayos gamma, aunque la definición no es realmente estricta (el rango de energía se superpone con los rayos X, por ejemplo).

La emisión alfa o beta puede dejar un núcleo en un estado excitado de mayor energía y la energía liberada como resultado de estos procesos se realiza en forma de rayos gamma. Sin embargo, el núcleo también puede terminar en un estado de mayor energía después de chocar con otro núcleo o ser golpeado por un neutrón. El resultado en todos los casos es el mismo: el núcleo cae de su estado excitado a un estado de menor energía y libera rayos gamma en el proceso.
Ejemplos de descomposición radiactiva - Uranio

El uranio-238 se descompone en torio -234 con la liberación de una partícula alfa (es decir, un núcleo de helio), y este es uno de los ejemplos más conocidos de desintegración radiactiva. El proceso se puede representar como:
^ {238} \\ text {U} \\ to \\; ^ {234} \\ text {Th} + \\; ^ 4 \\ text {He}

Para calcular cómo se libera mucha energía en este proceso, necesitará las masas atómicas: ^{238U \u003d 238.05079 amu, 234Th \u003d 234.04363 amu y 4He \u003d 4.00260 amu, con todas las masas expresadas en unidades de masa atómica . Ahora para calcular cuánta energía se libera en el proceso, todo lo que necesita hacer es encontrar ∆ m
restando las masas de los productos de la masa del átomo original y luego calcular la cantidad de energía que esto representa.
\\ begin {alineado} ∆m &\u003d \\ text {(masa del padre)} - \\ text {(masa de productos)} \\\\ &\u003d 238.05079 \\ text {amu} - 234.04363 \\ text { amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00456 \\ text {amu} \\\\ E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0.00456 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 4.25 \\ text {MeV} \\ end {alineado} Ejemplo de decaimiento radiactivo de múltiples pasos}

El decaimiento radiactivo a menudo ocurre en cadenas, con múltiples pasos entre el punto inicial y el punto final. Estas cadenas de desintegración son largas y requerirían muchos pasos para calcular cuánta energía se libera en todo el proceso, pero tomar un trozo de una de esas cadenas ilustra el enfoque.

Si observa la cadena de desintegración del torio, 232, cerca del final de la cadena, un núcleo inestable (es decir, un átomo de un isótopo inestable, con una vida media corta) de bismuto-212 sufre una desintegración beta-negativa en el polonio-212, que luego sufre desintegración alfa en plomo-208, un isótopo estable. Puede calcular la energía liberada en este proceso tomándola paso a paso.

Primero, la desintegración beta-menos del bismuto-212 ( m
\u003d 211.99129 amu) en polonio-212 ( m
\u003d 211.98887 amu) da:
\\ begin {alineado} ∆m &\u003d \\ text {(masa del padre)} - \\ text {(masa de la hija)} \\\\ &\u003d 211.99129 \\ text {amu} - 211.98887 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00242 \\ text {amu} \\ end {alineado}

Recordando que el cambio en los números de electrones se cancela en la desintegración beta menos. Eso libera:
\\ begin {alineado} E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0.00242 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 2.25 \\ text {MeV} \\ end { alineado}

La siguiente etapa es la desintegración alfa del polonio-212 al plomo-208 ( m
\u003d 207.97665 amu) y un núcleo de helio.
\\ begin {alineado} ∆m &\u003d \\ text {(masa del padre)} - \\ text {(masa de productos)} \\\\ &\u003d 211.98887 \\ text {amu} - 207.97665 \\ text {amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0.00962 \\ text { amu} \\ end {alineado}

Y la energía es:
\\ begin {alineado} E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0.00962 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\ \\ &\u003d 8.96 \\ text {MeV} \\ end {alineado}

En total, entonces hay 2.25 MeV + 8.96 MeV \u003d 11.21 MeV de energía liberada en el proceso. Por supuesto, si tiene cuidado (incluida la partícula alfa y electrones adicionales si su proceso incluye una desintegración beta-plus) puede calcular la diferencia de masa en un solo paso y luego convertir, pero este enfoque le indica la energía liberada en cada etapa.