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La desintegración nuclear ha proporcionado una sorprendente ventana al reino de lo muy pequeño. La desintegración nuclear proporcionó la primera indicación de la conexión entre masa y energía, y reveló la existencia de dos de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza. En esta sección exploraremos los principales modos de desintegración nuclear y, al igual que aquellos que los exploraron por primera vez, descubriremos pruebas de partículas y leyes de conservación previamente desconocidas.

Algunos núclidos son estables y aparentemente viven para siempre. Los núclidos inestables decaen (es decir, son radiactivos), produciendo finalmente un núclido estable después de muchas desintegraciones. Llamamos al nucleido original «padre» y a sus productos de desintegración «hijas». Algunos núclidos radiactivos se desintegran en un solo paso hasta llegar a un núcleo estable. Por ejemplo, el 60Co es inestable y decae directamente a 60Ni, que es estable. Otros, como el 238U, se desintegran en otro nucleo inestable, dando lugar a una serie de desintegración en la que cada nucleo subsiguiente se desintegra hasta que finalmente se produce un nucleo estable.

La serie de desintegración que comienza a partir del 238U es de especial interés, ya que produce los isótopos radiactivos 226Ra y 210Po, que los Curies descubrieron por primera vez (ver Figura 1). También se produce gas radón (222Rn en la serie), un peligro natural cada vez más reconocido. Como el radón es un gas noble, emana de materiales, como el suelo, que contienen incluso trazas de 238U y puede ser inhalado. La desintegración del radón y de sus descendientes produce daños internos. La serie de desintegración del 238U termina con el 206Pb, un isótopo estable del plomo.

Nótese que las hijas de la desintegración α mostrada en la Figura 1 siempre tienen dos protones y dos neutrones menos que el padre. Esto parece razonable, ya que sabemos que la desintegración α es la emisión de un núcleo de 4He, que tiene dos protones y dos neutrones. Las hijas de la desintegración β tienen un neutrón menos y un protón más que su progenitor. La desintegración beta es un poco más sutil, como veremos. En la figura no se muestran las desintegraciones γ, porque no producen una hija que difiera de la madre.

Desintegración alfa

En la desintegración alfa, un núcleo de 4He simplemente se desprende del núcleo padre, dejando una hija con dos protones y dos neutrones menos que la madre (ver Figura 2). En la Figura 1 se muestra un ejemplo de desintegración α para el 238U. Otro nucleido que sufre desintegración α es el 239Pu. Las ecuaciones de desintegración para estos dos nucleidos son

^{238}text{U}rightarrow{^{234}}text{Th}_{92}^{234}+{^4}text{He}{9194>

y

^{238}texto{Pu}{flecha derecha{^{235}{texto{U}+{^4}{texto{He}{

Si examina la tabla periódica de los elementos, encontrará que el Th tiene Z = 90, dos menos que el U, que tiene Z=92. Del mismo modo, en la segunda ecuación de desintegración, vemos que el U tiene dos protones menos que el Pu, que tiene Z = 94. La regla general para la desintegración α se escribe mejor en el formato _Z^A\texto{X}_N\\\N. Si se sabe que un determinado nucleido decae α (generalmente esta información debe buscarse en una tabla de isótopos, como la del Apéndice B), su ecuación de desintegración α es

_Z^A{texto{X}_N\\rightarrow{{{Z-2}^{A-4}}{texto{Y}_{N-2}+{2^4}{texto{He}_2\left(\texto{desintegración}{right)\\}

donde Y es el nucleido que tiene dos protones menos que X, como el Th que tiene dos menos que el U. Así que si te dijeran que el 239Pu α decae y te pidieran que escribieras la ecuación completa de la desintegración, primero buscarías qué elemento tiene dos protones menos (un número atómico dos más bajo) y encontrarías que es el uranio. Entonces, como cuatro nucleones se han desprendido del 239 original, su masa atómica sería 235.

Es instructivo examinar las leyes de conservación relacionadas con la desintegración α. Se puede ver en la ecuación _Z^A\texto{X}_N\rightarrow{{Z-2}^{A-4}\texto{Y}_{N-2}+{_2^4}\texto{He}_2\ que la carga total se conserva. El momento lineal y angular también se conservan. Aunque el momento angular conservado no es de gran importancia en este tipo de desintegración, la conservación del momento lineal tiene consecuencias interesantes. Si el núcleo está en reposo cuando decae, su momento es cero. En ese caso, los fragmentos deben volar en direcciones opuestas con momentos de igual magnitud para que el momento total siga siendo cero. Esto hace que la partícula α se lleve la mayor parte de la energía, como una bala de un rifle pesado se lleva la mayor parte de la energía de la pólvora quemada para dispararla. La masa-energía total también se conserva: la energía producida en la desintegración proviene de la conversión de una fracción de la masa original. Como se discute en Física Atómica, la relación general es E = (∆m)c2.

Aquí, E es la energía de la reacción nuclear (la reacción puede ser la desintegración nuclear o cualquier otra reacción), y Δm es la diferencia de masa entre los productos inicial y final. Cuando los productos finales tienen menos masa total, Δm es positivo, y la reacción libera energía (es exotérmica). Cuando los productos tienen mayor masa total, la reacción es endotérmica (Δm es negativo) y debe ser inducida con un aporte de energía. Para que la desintegración α sea espontánea, los productos de la desintegración deben tener una masa menor que la del progenitor.

Desintegración beta

En realidad hay tres tipos de desintegración beta. La primera descubierta fue la desintegración beta «ordinaria» y se llama desintegración β- o emisión de electrones. El símbolo β- representa un electrón emitido en la desintegración beta nuclear. El cobalto-60 es un núclido que β- decae de la siguiente manera: 60Co → 60Ni + β-+ neutrino.

El neutrino es una partícula emitida en la desintegración beta que no estaba prevista y que tiene una importancia fundamental. El neutrino ni siquiera se propuso en teoría hasta más de 20 años después de que se supiera que la desintegración beta implicaba emisiones de electrones. Los neutrinos son tan difíciles de detectar que la primera evidencia directa de ellos no se obtuvo hasta 1953. Los neutrinos carecen prácticamente de masa, no tienen carga y no interactúan con los nucleones a través de la fuerza nuclear fuerte. Al viajar aproximadamente a la velocidad de la luz, tienen poco tiempo para afectar a cualquier núcleo que encuentren. Es decir, debido a que no tienen carga (y no son ondas EM), no interactúan a través de la fuerza EM. Sí interactúan a través de la fuerza nuclear débil, relativamente débil y de muy corto alcance. En consecuencia, los neutrinos escapan a casi cualquier detector y penetran casi cualquier blindaje. Sin embargo, los neutrinos transportan energía, momento angular (son fermiones con espín semi-integral), y momento lineal fuera de una desintegración beta. Cuando se hicieron mediciones precisas de la desintegración beta, se hizo evidente que la energía, el momento angular y el momento lineal no se explicaban sólo por el núcleo hijo y el electrón. O bien una partícula previamente insospechada se los llevaba, o bien se violaban tres leyes de conservación. Wolfgang Pauli hizo una propuesta formal sobre la existencia de los neutrinos en 1930. El físico estadounidense de origen italiano Enrico Fermi (1901-1954) dio a los neutrinos su nombre, que significa pequeños neutros, cuando desarrolló una sofisticada teoría de la desintegración beta (véase la figura 3). Parte de la teoría de Fermi fue la identificación de la fuerza nuclear débil como distinta de la fuerza nuclear fuerte y, de hecho, responsable de la desintegración beta.

El neutrino también revela una nueva ley de conservación. Existen varias familias de partículas, una de las cuales es la del electrón. Proponemos que el número de miembros de la familia de los electrones es constante en cualquier proceso o sistema cerrado. En nuestro ejemplo de la desintegración beta, no hay miembros de la familia de los electrones presentes antes de la desintegración, pero después, hay un electrón y un neutrino. Así que a los electrones se les da un número de familia de electrones de +1. El neutrino en la desintegración β- es un antineutrino del electrón, con el símbolo \bar{\nu}_e\\, donde ν es la letra griega nu, y el subíndice e significa que este neutrino está relacionado con el electrón. La barra indica que se trata de una partícula de antimateria. (Todas las partículas tienen contrapartes de antimateria que son casi idénticas, excepto que tienen la carga opuesta. La antimateria está casi totalmente ausente en la Tierra, pero se encuentra en la desintegración nuclear y en otras reacciones nucleares y de partículas, así como en el espacio exterior). El antineutrino del electrón \bar{\nu}_e\\\N, al ser antimateria, tiene un número de familia de electrones de -1. El total es cero, antes y después de la desintegración. La nueva ley de conservación, que se cumple en todas las circunstancias, establece que el número total de la familia de electrones es constante. No se puede crear un electrón sin crear también un miembro de la familia de la antimateria. Esta ley es análoga a la conservación de la carga en una situación en la que la carga total es originalmente cero, y deben crearse cantidades iguales de carga positiva y negativa en una reacción para mantener el total en cero.

Si se sabe que un núclido _Z^A{texto{X}_N\\Nse desintegra en β-, entonces su ecuación de desintegración en β- es

{texto{X}_Nrightarrow{texto{Y}_{N-1}+{beta^-}+{bar{nu}_e\} (desintegración en β-),

donde Y es el nucleido que tiene un protón más que X (ver Figura 4). Así que si sabes que un determinado nucleido β- decae, puedes encontrar el núcleo hijo buscando primero Z para el padre y luego determinando qué elemento tiene el número atómico Z + 1. En el ejemplo de la desintegración β- del 60Co dado anteriormente, vemos que Z = 27 para el Co y Z = 28 es el Ni. Es como si uno de los neutrones del núcleo padre decayera en un protón, un electrón y un neutrino. De hecho, los neutrones que se encuentran fuera de los núcleos hacen precisamente eso: sólo viven una media de unos pocos minutos y la desintegración β- se produce de la siguiente manera:

{text{n}}rightarrowtext{p}+{beta^{-}+{bar{nu}_e\\}

Vemos que la carga se conserva en la desintegración β-, ya que la carga total es Z antes y después de la desintegración. Por ejemplo, en la desintegración del 60Co, la carga total es 27 antes de la desintegración, ya que el cobalto tiene Z = 27. Después de la desintegración, el núcleo hijo es Ni, que tiene Z = 28, y hay un electrón, por lo que la carga total es también 28 + (-1) o 27. El momento angular se conserva, pero no de forma obvia (hay que examinar en detalle los espines y los momentos angulares de los productos finales para comprobarlo). El momento lineal también se conserva, impartiendo de nuevo la mayor parte de la energía de desintegración al electrón y al antineutrino, ya que son de masa baja y nula, respectivamente. Otra nueva ley de conservación se cumple aquí y en otras partes de la naturaleza. El número total de nucleones A se conserva. En la desintegración del 60Co, por ejemplo, hay 60 nucleones antes y después de la desintegración. Nótese que el total de A también se conserva en la desintegración α. También hay que tener en cuenta que el número total de protones cambia, al igual que el número total de neutrones, por lo que el total Z y el total N no se conservan en la desintegración β-, como sí ocurre en la desintegración α. La energía liberada en la desintegración β- puede calcularse dadas las masas del progenitor y de los productos.

El segundo tipo de desintegración beta es menos común que el primero. Se trata de la desintegración β+. Algunos nucleidos decaen por la emisión de un electrón positivo. Se trata de la desintegración antielectrónica o positrónica (véase la figura 5).

El antielectrón se suele representar con el símbolo e+, pero en la desintegración beta se escribe como β+ para indicar que el antielectrón fue emitido en una desintegración nuclear. Los antielectrones son la contraparte antimateria de los electrones, siendo casi idénticos, teniendo la misma masa, espín, etc., pero teniendo una carga positiva y un número de familia de electrones de -1. Cuando un positrón se encuentra con un electrón, se produce una aniquilación mutua en la que toda la masa del par antielectrón-electrón se convierte en energía fotónica pura. (La reacción, e+ + e- → γ + γ, conserva el número de familia de los electrones así como todas las demás cantidades conservadas). Si se sabe que un núclido _Z^A\text{X}_N\\\Ndecae, entonces su ecuación de decaimiento β+ es

_Z^A\text{X}_N\\Nrightarrowtext{Y}_{N+1}+\beta^{+}+v_e\ (decaimiento β+),

donde Y es el nucleido que tiene un protón menos que X (para conservar la carga) y νe es el símbolo del neutrino del electrón, que tiene un número de familia del electrón de +1. Dado que en la desintegración se crea un miembro antimateria de la familia de los electrones (el β+), también debe crearse un miembro materia de la familia (en este caso el νe). Dado, por ejemplo, que el 22Na β+ decae, se puede escribir su ecuación de desintegración completa encontrando primero que Z = 11 para el 22Na, de modo que el nucleido hijo tendrá Z = 10, el número atómico del neón. Por lo tanto, la ecuación de desintegración β+ para el 22Na es

_{22}^{11}{texto{Na}_11}rightarrow{{10}^{22}{texto{Ne}_{12}+{beta^{+}+v_e\\}

En la desintegración β+, es como si uno de los protones del núcleo padre se desintegrara en un neutrón, un positrón y un neutrino. Los protones no hacen esto fuera del núcleo, por lo que la desintegración se debe a las complejidades de la fuerza nuclear. Nótese de nuevo que el número total de nucleones es constante en esta y en cualquier otra reacción. Para encontrar la energía emitida en la desintegración β+, hay que contar de nuevo el número de electrones en los átomos neutros, ya que se utilizan las masas atómicas. La hija tiene un electrón menos que el padre, y en la desintegración se crea una masa electrónica. Así, en la desintegración β+,

Δm = m(padre) – ,

ya que utilizamos las masas de los átomos neutros.

La captura de electrones es el tercer tipo de desintegración beta. Aquí, un núcleo captura un electrón de la capa interna y sufre una reacción nuclear que tiene el mismo efecto que la desintegración β+. La captura de electrones se designa a veces con las letras EC. Sabemos que los electrones no pueden residir en el núcleo, pero se trata de una reacción nuclear que consume el electrón y se produce espontáneamente sólo cuando los productos tienen menos masa que el progenitor más el electrón. Si se sabe que un núclido _Z^A\text{X}_N\\\Nsufre la captura de electrones, entonces su ecuación de captura de electrones es

_Z^A\text{X}_N+e^{-}\Nrightarrowtext{Y}_{N+1}+v_e\\N(captura de electrones, o CE)

Cualquier núclido que pueda β+ decaer también puede sufrir la captura de electrones (y a menudo hace ambas cosas). Las mismas leyes de conservación se obedecen para la CE como para la desintegración β+. Es una buena práctica confirmarlas por uno mismo.

Todas las formas de desintegración beta ocurren porque el nucleido padre es inestable y se encuentra fuera de la región de estabilidad en la tabla de nucleidos. Aquellos nucleidos que tienen relativamente más neutrones que los de la región de estabilidad se β- decaerán para producir una hija con menos neutrones, produciendo una hija más cercana a la región de estabilidad. Del mismo modo, los nucleidos que tienen relativamente más protones que los de la región de estabilidad se β- decaerán o sufrirán la captura de electrones para producir una hija con menos protones, más cerca de la región de estabilidad.

Decrecimiento gamma

El decaimiento gamma es la forma más simple de decaimiento nuclear-es la emisión de fotones energéticos por núcleos dejados en un estado excitado por algún proceso anterior. Los protones y neutrones de un núcleo excitado se encuentran en orbitales superiores y caen a niveles inferiores mediante la emisión de fotones (de forma análoga a los electrones de los átomos excitados). Los estados excitados nucleares tienen vidas típicas de sólo unos 10-14 s, una indicación de la gran fuerza que arrastra a los nucleones a estados inferiores. La ecuación de la desintegración γ es simplemente

_Z^A\text{X}_N^{*}\rightarrow\text{X}_N+\gamma_1+\gamma_2\dots\left(\gamma\text{desintegración}\right)\9194>

donde el asterisco indica que el núcleo está en un estado excitado. Puede haber uno o más γ s emitidos, dependiendo de cómo se desexcite el nucleido. En la desintegración radiactiva, la emisión de γ es común y está precedida por la desintegración γ o β. Por ejemplo, cuando el 60Co β- decae, lo más frecuente es que deje el núcleo hijo en un estado excitado, escrito 60Ni*. Entonces el núcleo de níquel decae rápidamente γ por la emisión de dos γs penetrantes: 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

Estos se llaman rayos γ de cobalto, aunque provienen del níquel; se utilizan para la terapia del cáncer, por ejemplo. De nuevo es constructivo verificar las leyes de conservación de la desintegración gamma. Por último, dado que la desintegración γ no cambia el nucleido a otra especie, no aparece de forma destacada en los gráficos de series de desintegración, como el de la figura 1.

Hay otros tipos de desintegración nuclear, pero ocurren con menos frecuencia que las desintegraciones α, β y γ. La fisión espontánea es la más importante de las otras formas de desintegración nuclear debido a sus aplicaciones en la energía nuclear y las armas. Se trata en el siguiente capítulo.

Resumen de la sección

• Cuando un núcleo padre decae, produce un núcleo hijo siguiendo reglas y leyes de conservación. Hay tres tipos principales de desintegración nuclear, llamados alfa (α), beta (β) y gamma (γ). La ecuación de la desintegración α es _Z^A{texto{X}_N\rightarrow{{Z-2}^{A-4}{texto{Y}_{N-2}+{2^4}{texto{He}_2}.
• La desintegración nuclear libera una cantidad de energía E relacionada con la masa destruida ∆m mediante E = (∆m)c2.
• Hay tres formas de desintegración beta. La ecuación de la desintegración β- es _{Z}^{A}{text{X}_{N}rightarrow{{{Z+1}^{A}{text{Y}_{N – 1}+{beta }^{-}+{bar{\nu}{e}.
• La ecuación de desintegración β+ es _{Z}^{A} {texto{X}_{N}}rightarrow{{Z – 1}^{A} {texto{Y}_{N+1}+{beta }^+}+{nu }_{e}\N}.
• La ecuación de captura de electrones es _{Z}^{A}texto{X}_{N}+{e}^{-}rightarrow{{Z – 1}^{A}texto{Y}_{N+1}+{{nu }_{e}{}.
• β- es un electrón, β+ es un antielectrón o positrón, {{nu }_{e}} representa el neutrino de un electrón, y {{overline{\nu }} {{e}} es el antineutrino de un electrón. Además de todas las leyes de conservación conocidas anteriormente, surgen dos nuevas: la conservación del número de la familia de electrones y la conservación del número total de nucleones. La ecuación de desintegración de γ es
  {Z}^{A}{texto{X}_{N}^{*}rightarrow{{Z}^{A}}{texto{X}{N}+{gamma}{1}+{gamma}{2}+{cdots}{3680>γ es un fotón de alta energía que se origina en un núcleo.

Glosario

padre: el estado original del núcleo antes de la desintegración

hija: el núcleo que se obtiene cuando el núcleo padre decae y produce otro núcleo siguiendo las reglas y las leyes de conservación

positrón: la partícula que resulta de la desintegración beta positiva; también conocida como antielectrón

decadencia: proceso por el que un núcleo atómico de un átomo inestable pierde masa y energía emitiendo partículas ionizantes

decadencia alfa: tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula alfa

desintegración beta: tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula beta

desintegración gamma: tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula gamma

Ecuación de desintegración: ecuación que permite saber qué cantidad de material radiactivo queda después de un periodo de tiempo determinado

energía de reacción nuclear: energía creada en una reacción nuclear

neutrino: una partícula subatómica elemental eléctricamente neutra y de interacción débil

Antineutrino del electrón: antipartícula del neutrino del electrón

decadencia del positrón: tipo de desintegración beta en la que un protón se convierte en un neutrón, liberando un positrón y un neutrino

antielectrón: otro término para positrón

serie de desintegración: proceso por el que los núclidos subsiguientes decaen hasta que se produce un núclido estable

neutrino del electrón: partícula elemental subatómica que no tiene carga eléctrica neta

antimateria: compuesta de antipartículas

captura de electrones: proceso en el que un nucleido rico en protones absorbe un electrón atómico interno y emite simultáneamente un neutrino

ecuación de captura de electrones: ecuación que representa la captura de electrones