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NÚCLEO ATÓMICO Introducción. A partir del descubrimiento de los rayos X por Röntgen, en 1895 la búsqueda de rayos con similares características, propició el de la radiac-tividad natural, por Becquerel y el matrimonio Curie, en 1889. De los átomos salían tres tipos de radiaciones, con diferentes características: La α con carga positiva, masa similar al He y velocidad media de 2.106ms-1 La β con carga negativa, masa similar al electrón y velocidad media de 2,9.108ms-1, muy próxima a la velocidad de la luz. La γ sin carga ni masa, con las propiedades de una radiación electromagnética de frecuencia elevada y por lo tanto de gran energía. Los campos eléctricos y magnéticos modificaban las trayectorias de las α y β, experimentado los efectos que se aprecian en la figura 1.22. Estas radiaciones fueron estudiadas por Rutherford, Soddy y Fajans, a principios de siglo XX dando lugar a las primeras reglas de desintegración radiactiva: 1ª Cuando un átomo X emite una partícula α su número másico A

disminuye en 4 unidades y su número átomo Z en dos unidades. 2ª Cuando un átomo X emite una partícula β su número másico A no

varía y su número atómico Z aumenta en una unidad. 3ª Cuando un átomo X emite sucesivamente una partícula α y 2β, su

número másico A disminuye en 4 unidades y su número atómico no varía (fig.1.23)

Cuando 7 años más tarde Rutherford, descubre el núcleo de los

átomos, donde se concentraba la masa y la carga positiva, ya se supo el lugar de donde procedían las radiaciones; el núcleo atómico, e incluso se llegó a la conclusión de la existencia de la partícula neutra, formada por un protón y un electrón fuertemente unidos, que justificaría la emisión β.

El descubrimiento del protón en 1914 y del neutrón 18 años después permitieron averiguar la composición nuclear e interpretar el origen de las radiactividad. Estabilidad nuclear y fuerzas nucleares.

La reunión de cargas positivas (protones) en un espacio tan pequeño como era el núcleo, llevó a la interpretación de la existencia de fuerzas superiores que evitaran la repulsión culombiana. Estas fuerzas se producían a través de emisiones de pequeñas partículas llamadas posteriormente piones que conseguían que protones y neutrones, intercambiasen sus papeles, lo que exigía una relación determinada entre su número.

Hasta un valor de Z=20, los núcleos o núclidos estables (no emisores espontáneos de radiactividad), tenían aproximadamente igual número de protones que neutrones. Sin embargo al aumentar Z, para estabilizar la carga se necesitaba un mayor número de neutrones, hasta una relación aproximada n/p de 1,5.

El lugar geométrico de los núcleos estables en función de sus neutrones y protones se denominó franja de estabilidad, que se recoge en la figura. Los últimos núcleos naturales estables son el plomo y el bismuto que corresponden al final de la franja, (fig.1.24) para Z=82 y 83.

AMPLIACIÓN TEMÁTICA

XX

YX

YX

AZ

Az

AZ

Az

AZ

Az

401

42

101

42

42

2 −−

+−

−−

=−−

=−

=−

βα

β

α

Franja de estabilidad

0

15

30

45

60

75

90

105

120

0 15 30 45 60 75p

n

En 1913 Soddy llamará isótopos a los núcleos de átomos del mismo elemento con diferente número másico, como ocurre en la tercera regla.

Fig 1.23. Reglas radiactivas

Fig 1.24. Franja de estabilidad

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Orígenes de la radiactividad natural A partir de la posición de los núcleos estables, se puede predecir lo que le ocurrirá a un núcleo que se encuentre fuera de la franja de estabilidad y que pretenda alcanzarla (fig.1.25) Caso 1. Núcleo A, situado encima de la franja de estabilidad. Tiene excesivo número de neutrones y protones, y se aproximará a ella emitiendo la agrupación de los mismos en forma de partículas α (2 protones + 2 neutrones), hasta alcanzarla. Sería un α emisor. En ese tipo de núcleos como los de uranio, y polonio se descubrió la radiactividad natural Caso 2. Núcleo B, situado a la izquierda de la franja de estabilidad. Por sus coordenadas tiene más neutrones que protones. Para alcanzar lo mas rápidamente posible la franja, deberá emitir neutrones, que se descomponen en protones (captados por el núcleo), radiación β y una partícula que tardó mucho tiempo en descubrirse llamada antineutrino (ν ). Sería un βemisor. Los núcleos situados por encima de la franja de estabilidad también serán βemisores, porque el desprendimiento de partículas α les lleva a atravesar la franja y pasarse muchas veces a su izquierda. Caso 3. Núcleo C, situado a la derecha de la franja de estabilidad. Al tener mas protones que neutrones, y no poderse desprender de aquellos, necesita neutralizarlos, para lo cual captura electrones de la capa K ( los más próximos al núcleo), produciéndose una caída de electrones en cadena de otros niveles para cubrir los sucesivos huecos, con emisión de rayos X de gran energía. Este proceso se denomina captura K. La emisión de radiación γ que acompaña a todos los procesos anteriores, se debe a la reorganización de protones y neutrones dentro del núcleo , que en un modelo nuclear en capas (similar al electrónico) promoverían saltos entre niveles con emisión de energía en forma de rayos γ. Radiactividad artificial. El matrimonio Federico Joliot, e Irene Curie, hija de la descubridora de la radiactividad natural, descubrió en 1934, la radiactividad artificial que será fundamental para la creación de núcleos radiactivos “a la carta” o radioisótopos, con innumerables aplicaciones médicas e tecnológicas. Ver tabla Parece evidente que un núcleo estable si se le bombardea en un reacción nuclear con protones a gran velocidad, núcleos de deuterio 2H1, partículas alfa o incluso neutrones, se le puede sacar de la franja de estabilidad y por lo tanto, artificialmente convertirlo en un emisor de radiación. Eso fue lo que hicieron los Jolito-Curie con el aluminio como blanco de partículas α, hasta convertirlo en un silicio inestable, que a su vez se convirtió en fósforo. Las radiaciones emitidas debido a la gran sensibilidad de los detectores de radiactividad (contadores de Geiger, cámaras de niebla etc), se pueden localizar fácilmente lo que aumenta su aplicabilidad.

Isótopo Aplicaciones 226Ra Pararrayos 192Ir Industria, gammagrafia

133Ba Medida de espesores 85Kr Ionizadores

137Cs Medida de densidades 60Co Medida de niveles 82Br Transporte de fluidos 60Co Obstrucciones en tuberías 137Cs Irradiación de alimentos

14C Datación orgánica 18O Fugas en embalses 131I Medicina, tiroides

198Au Medicina, hígado 197Hg Medicina, riñón 51Cr Medicina, intestino 75Se Medicina, páncreas 32P Medicina, sangre, betaterapia

64Cu Medicina, cerebro 47Ca Medicina, huesos 99Tc Medicina, corazón 60Co Bomba de cobalto, cáncer

Características de los radioisótopos: Ley de desintegración N=N0 e-λt , siendo N el estado de la muestra respecto al inicial N0 al cabo de un tiempo t Constante radiactiva λ (T-1), específico para cada radioisótopo. Vida media = 1/λ (T) Periodo de semidesintegración o semivida = ln2/λ (T) o tiempo que una muestra tarda en convertirse en la mitad Actividad de un radioisótopo A=λN, se mide en curies (Ci); 1Ci= 3,7.1010 desintegraciones/s

Fig 1.25. Origen de la radiactividad

Tabla