La radiactividad libera energía, pero no ha llegado a ser una fuente importante. En pequeña escala, la radiactividad se usa para alimentar pequeñas fuentes de energía en los vehículos espaciales y hace que se caliente una muestra de radio. A gran escala funde rocas y es la fuente de energía geotérmica que proviene del interior de la Tierra.
Las reglas de la radiactividad están regidas por la equivalencia entre la masa y la energía. Las partículas se desintegran sólo si los productos combinados tienen menos masa después de la desintegración que antes. La masa de un neutrón es ligeramente mayor que la masa total de un protón más un electrón (y el antineutrino). Cuando un neutrón se desintegra la masa final es menor que la masa inicial.
 | Uno de los factores que limitan el número de núcleos atómicos estables diferentes que pueden existir es la inestabilidad del neutrón. El neutrón sólo es radiactivo, por lo que se desintegra espontáneamente en un protón más un electrón (y un antineutrino). No se produce una desintegración espontánea en las reacciones químicas nucleares en las que la masa final es mayor que la masa inicial. La reacción química nuclear opuesta, es decir, la desintegración de un protón para formar un neutrón sólo puede ocurrir si hay una aportación externa de energía. Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos diferentes de los que cerca de 300 son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del tiempo. La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los elementos químicos ligeros, por ejemplo, los isótopos 612C, 714N y 816O son estables. A medida que aumenta el número atómico la relación neutrones/protones aumenta hasta cerca de 1.5 en los elementos químicos pesados, por ejemplo, 82206Pb. Para un determinado elemento químico, son sólo unos pocos isótopos los que tienen una relación neutrones/protones requerida para ser estables. |
Al graficar el número de neutrones “contra” el número de protones de los isótopos se obtiene la zona conocida como “el cinturón de estabilidad”. Los isótopos estables tienen una relación neutrones/protones que cae dentro del “cinturón de estabilidad”. Para isótopos ligeros de peso atómico pequeño, la relación estable es de 1.0 y para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1.5. No existen isótopos estables para elementos químicos de número atómico mayor a 83 (el bismuto). Los isótopos que tienen una relación neutrones/protones mayor o menor al “cinturón de estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear que se llama radiactividad.
Un núcleo inestable produce una reacción química llamada descomposición radiactiva o desintegración. En la naturaleza existen sólo unos pocos núcleos inestables y su descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad natural. En el laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial.
Radiactividad natural
| Este proceso fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908) que demostró que la velocidad de emisión de la radiación de una sal de uranio era directamente proporcional a la cantidad de uranio presente en la sal. La pechblenda, un mineral de uranio producía una radiación cuya velocidad era cuatro veces mayor que la calculada sobre la base de su contenido de uranio. En 1898, Becquerel y el matrimonio Marie (1867-1934) y Pierre (1859-1906) Curie investigaron el componente activo de la pechblenda y obtuvieron un nuevo elemento químico que tenía una radiactividad más intensa que el uranio y lo llamaron polonio. Seis meses más tarde los Curie aislaron otro nuevo elemento químico muy radiactivo al que llamaron radio. |  |
La radiactividad natural emite tres radiaciones que se conocen como radiaciones alfa (a), beta (b) y gamma (g), y nunca se emiten positrones.
La radiación alfa (a) consiste en la emisión de partículas con carga positiva de +2 y con una masa de 4 uma. Estas partículas son idénticas a los núcleos de los átomos de helio ordinario 24He+2.
Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico disminuye en 2 unidades y su masa atómica disminuye en 4 unidades. Por ejemplo, si un átomo de uranio de número atómico 92 y número de masa 238, emite una partícula alfa se produce un isótopo de torio de número atómico 90 y número de masa 234. El proceso nuclear se representa mediante la ecuación química nuclear:
92 238U ---> 90 234Th + radiación alfa + radiación gamma.
Como partículas alfa son núcleos de helio, 24He2+, contienen 2 protones y 2 neutrones, y una carga de +2, pero por convención la ecuación anterior se representa como:
92 238U ---> 90 234Th + 24He
Esta ecuación química es una ecuación química nuclear típica en la que se conservan tanto los números de masa como los números atómicos, es decir, el número de masa del “reactivo” (238) es igual a la suma de los números de masa de los “productos” (234 + 4) y el número atómico (92) es igual a la suma de los números atómicos de los “productos” (90 + 2)
La radiación beta (b) consiste de una emisión de partículas cargadas negativamente, de propiedades idénticas a las de los electrones. La emisión de partícula b (masa » 0, carga = -1) transforma a un neutrón (masa = 1, carga = 0) del núcleo en un protón (masa = 1, carga = +1). Por lo tanto, la emisión de radiación b no cambia el número de masa, pero el número atómico aumenta en una unidad. Un ejemplo de emisión de radiación b es la desintegración radiactiva del torio-234 (90 protones y 144 neutrones) a protactinio-234 (91 protones y 143 neutrones) más radiación b, que se representa mediante la ecuación química nuclear:
90234Th ---> 91234Pa + -10e
La radiación gamma (g) consiste en una emisión de fotones de alta energía y de longitud de onda muy corta (l = 0.0005 a 0.1 nm). La emisión de radiación gamma acompaña a casi todas las reacciones nucleares. Se produce debido a un cambio de energía en el núcleo. Un núcleo excitado, procedente de la emisión de partículas a o b, emite a su vez un fotón, descendiendo a un estado energético más bajo y más estable. La radiación g no produce ningún cambio en el número atómico ni en el número de masa. Esta es la razón por la que suele no escribirse en las ecuaciones de las reacciones nucleares.
El torio-232 se desintegra radiactivamente en un proceso de tres etapas, en la primera etapa emite radiación a por lo que el torio disminuye su número de masa en 4 unidades y su número atómico en 2 unidades, por lo que se transforma en radio 228. La ecuación química nuclear que representa este proceso es:
90232Th ---> 24He + 88228Ra
En la segunda etapa el radio228 emite un electrón (radiación b) por lo que el número de masa no cambia y su número atómico aumenta en una unidad, por lo que se transforma en el isótopo actino 228. La ecuación química nuclear que representa este proceso es
88228Ra ---> -10e + 89228Ac
En la tercera etapa el actino 228 emite un electrón, por lo que no cambia su número de masa y su número atómico aumenta en una unidad, por lo que se transforma en el isótopo torio 228. La ecuación química nuclear que representa esta etapa es:
89228Ac ---> -10e + 90228Th
Radiactividad artificial o inducida. Reacciones de bombardeo.
En los últimos 50 años se han obtenido en el laboratorio más de 1200 isótopos radiactivos. El número de isótopos por elemento químico varía desde uno (hidrógeno y boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se obtienen por reacciones de bombardeo, en las que un núcleo estable se transforma en radiactivo. Una reacción típica de bombardeo se produce, por ejemplo, cuando se bombardea el isótopo estable del aluminio 1327Al con neutrones, al absorber un neutrón se transforma en el isótopo 1328Al que es inestable y se desintegra con emisión de un electrón formando un isótopo estable de silicio, 1428Si. Este proceso se representa mediante las ecuaciones nucleares:
1327Al + 01n ---> 1328Al , para la reacción de bombardeo con neutrones.
1328Al ---> 1428Si + -10e , para reacción de desintegración.
 | Los primeros isótopos radiactivos artificiales fueron elaborados, en 1934 por Irene Curie (1897-1956) y Frédéric Joliot (1900-1958), bombardeando isótopos estables con partículas a de alta energía. Por ejemplo, el aluminio se transforma en fósforo-30 radiactivo y se libera un neutrón, se representa mediante la ecuación nuclear: 1327Al + 24He ---> 1530P + 01n El fósforo-30, que es radiactivo, se desintegra emitiendo una partícula llamada positrón, que tiene la misma masa que un electrón pero con carga +1 (10e, e+), este proceso se representa mediante la ecuación nuclear: 1530P ---> 1430Si + 11e |
En la radiactividad natural nunca se emiten positrones pero es frecuente en la desintegración en la radiactividad inducida. Se puede observar en la ecuación de desintegración del fósforo-30, que el resultado de la emisión de un positrón es la transformación de un protón del núcleo en un neutrón (el 1530P tiene 15 protones y 15 neutrones y el 1430Si tiene 14 protones y 16 neutrones).
La emisión de positrones se produce en los isótopos “ligeros” con núcleos poco estables, debido al bajo contenido de neutrones. Por ejemplo, el isótopo del carbono-11, 611C, (tiene 6 protones y 5 neutrones) se desintegra formando el boro (511B) y con la emisión de un positrón, dicho proceso de desintegración se representa mediante la ecuación nuclear siguiente:
611C ---> 511B + 10e
El isótopo pesado del mismo elemento químico, el carbono-14, 614C, (tiene 6 protones y 8 neutrones) se desintegra con la emisión de un electrón (-10e) transformándose en nitrógeno-14, 714N, (tiene 7 protones y 7 neutrones), lo que se representa mediante la ecuación nuclear siguiente:
614C ---> 714N + -10e
  | Una aplicación de las reacciones de bombardeo es la obtención de elementos químicos muy pesados. Quienes más han contribuido en este campo son los norteamericanos Glenn Theodore Seaborg (1912- ), Albert Ghiorso y sus colaboradores y el grupo ruso dirigido por G. N. Flerov. Seaborg propuso el uso de núcleos muy pesados como partículas de bombardeo para sintetizar elementos químicos de número atómico mucho más grande que cualquier otro conocido. Para utilizar este procedimiento se requiere de grandes aceleradores y por este método se sintetizaron elementos químicos con números atómicos más grandes que el del uranio (del 93 al 106). El bombardeo con neutrones es efectivo para sintetizar los siguientes elementos químicos al uranio, pero el rendimiento decrece rápidamente al aumentar el número atómico. Por lo que, para sintetizar elementos químicos muy pesados es necesario bombardear blancos apropiados con iones positivos de alta energía, acelerados a velocidades muy altas. Es posible conseguir un aumento grande del número atómico, utilizando como partícula de bombardeo el carbono-12. |
Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con neutrones.
Uranio-238 ---> Neptunio-239: 92238U + 01n ---> 92239U ---> 93239Np + -10
Neptunio-239 ---> Plutonio-239: 93239Np ---> 94239Pu + -10e
Plutonio-239 ---> Americio-241: 94239Pu + 2 01n ---> 94241Pu ---> 95241Am + -10e
Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con iones positivos.
Plutonio-239 ---> Curio-242: 94239Pu + 24He ---> 96242Cm + 01n
Curio-242 ---> Californio-245: 96242Cm + 24He ---> 98245Cf + 01n
Uranio-238 ---> Californio-246: 92238U + 612C ---> 98246Cf + 4 01n
Californio-249 ---> Elemento 104: 98249Cf + 612C ---> 104257Unq + 4 01n
Californio-240 ---> Elemento 105: 98249Cf + 715N ---> 105260Unp + 4 01n
Californio-249 ---> Elemento 106: 98249Cf + 818O ---> 106263Unh + 4 01n
Nota. Los investigadores Estadounidenses propusieron los nombres de “Rutherfordium” y “Hahnium” para los elementos químicos 104 respectivamente y los investigadores rusos propusieron “Bohrium” y “Kurchatovium”. La Unión Internacional de Química Aplicada propuso los nombres de “Unnilquadium”, Unq; “Unnilpentium”, Unp; y Unnilhexium”, Unh, para los elementos químicos 104, 105 y 106 respectivamente.
Los isótopos de los elementos muy pesados tienen un periodo de vida media muy cortos. La mayor parte de ellos han sido sintetizados en cantidades muy pequeñas, en algunos casos sólo unos pocos átomos. Uno de los grandes logros de los investigadores de estos elementos químicos es su habilidad para estudiar sus propiedades con muestras inferiores a los microgramos. Las evidencias químicas y físicas de los elementos químicos del 89 (Actino, Ac) al 102 (Nobelio, No) forman una serie de tierras raras, al ir completando el subnivel 5f. El elemento químico 103 forma una nueva serie de elementos químicos de transición.
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