Radiactividad

Tres tipos de radiación ionizante

Un núcleo inestable puede deshacerse de energía y carga de tres maneras fundamentalmente distintas. La radiación alfa y beta ya fueron diferenciadas en 1899 por Ernest Rutherford según su distinto poder de penetración; la radiación gamma, aún más penetrante, descubierta en 1900 por Paul Villard, fue incorporada por Rutherford a este esquema en 1903 — mucho antes de conocerse la naturaleza exacta de los tres tipos de radiación.

Comparación del poder de penetración: la radiación alfa ya queda detenida por la piel o el papel, la beta necesita aluminio, y la gamma solo un grueso blindaje de plomo.

Semivida

La desintegración radiactiva es un proceso puramente aleatorio a nivel de cada núcleo individual — nadie puede predecir cuándo se desintegrará exactamente un átomo determinado. Sin embargo, para un gran número de núcleos se obtiene de ello una ley estadística exacta: en cada intervalo de tiempo igual, la semivida t_½, se desintegra siempre exactamente la mitad de los núcleos aún presentes — independientemente de cuántos hubiera al principio.

Las semividas varían enormemente: el polonio-214 se desintegra en una décima de milisegundo, el uranio-238 necesita 4,5 mil millones de años — casi la edad de la Tierra. Esta constancia convierte a los isótopos radiactivos en "relojes" precisos, como en el método de datación por radiocarbono.

Series de desintegración y equilibrio radiactivo

Muchos núcleos pesados no alcanzan la estabilidad en un único paso. El uranio-238, por ejemplo, atraviesa toda una serie de desintegración de catorce desintegraciones alfa y beta sucesivas, antes de llegar finalmente al plomo-206 estable. Cada producto intermedio de esta cadena es a su vez radiactivo, con su propia semivida, a menudo muy distinta.

El valor de 1,17 minutos corresponde al isómero de vida corta protactinio-234m, que se forma en más del 99,8 % de los casos; el resto, el protactinio-234 más longevo (estado fundamental, semivida ≈ 6,7 horas), también termina en uranio-234, pero por una vía secundaria más rara.

El primer paso de esta cadena — la desintegración alfa del uranio-238 — muestra cuán sensibles son las semividas a la física subyacente. Para que una partícula alfa (un núcleo de helio) se desprenda del núcleo de uranio, tendría que superar, desde un punto de vista clásico, la barrera de Coulomb — la repulsión eléctrica entre ella y el resto del núcleo cargado positivamente, para la cual en realidad no tiene suficiente energía. Aun así logra escapar, pero solo mediante el efecto túnel cuántico: una probabilidad pequeña, pero no nula, de atravesar esa barrera en cada intento, en lugar de superarla. Lo pequeña que es esa probabilidad depende de forma extremadamente sensible de la energía liberada en la desintegración — y el uranio-238 libera en ello una cantidad inusualmente baja (unos 4,3 frente a hasta 9 megaelectronvoltios (MeV) de otros emisores alfa). Eso hace que la barrera sea comparativamente gruesa y que el intento de túnel tenga éxito extremadamente rara vez: un solo núcleo de uranio "lo intenta" un número inimaginable de veces por segundo, pero fracasa casi siempre — en promedio estadístico, lo logra recién después de 4,47 mil millones de años.

La misma serie de desintegración, pero en la carta de nucleidos (N frente a Z) en lugar de como cadena: cada desintegración alfa salta dos casillas hacia la izquierda y dos hacia abajo (Z−2, N−2), cada desintegración beta se desplaza una casilla hacia la derecha y una hacia abajo (Z+1, N−1). Mismo color = mismo elemento, independientemente del defecto de masa — U, Po y Pb aparecen varias veces como isótopos distintos.