La química nuclear estudia las reacciones que involucran cambios en el núcleo atómico. Esta especialización científica se inicia con el descubrimiento de la reactividad natural, por Antonie Becqueral y se desarrolló con las posteriores investigaciones de Pierre y Marie Curie.
Reacciones nucleares
El término radioactividad fue propuesto por primera vez por Marie Curie, con el fin de describir la emisión de radiación ionizante de algunos elementos, esto considerando, que a diferencia del hidrógeno todos los núcleos de los elementos químicos contienen dos tipos de partículas fundamentales, los protones y neutrones que juegan un papel muy importante en las reacciones nucleares; la radiación ionizante interacciona con la materia para producir iones por lo que esta radiación tiene la suficiente energía para romper enlaces químicos, dicha radiación puede estar formada por partículas alfa (α) y partículas beta (β).
La emisión de partículas α se considera como un proceso en que un conjunto de dos protones y dos neutrones es emitido por un núcleo radioactivo dando lugar a un núcleo más ligero, estas partículas son los núcleos de átomo de helio-4, que han sido acelerado artificialmente o creado por expulsión a partir de un núcleo de un átomo mayor. La producción de partículas alfa puede representarse mediante la reacción nuclear:
Por otro lado, las partículas β representan a los electrones que se originan en el núcleo de los átomos en el proceso de desintegración nuclear, estas partículas poseen menos masa que las partículas α y pueden desviarse con más facilidad por campos eléctricos y magnéticos, se desviaban en sentido opuesto a las partículas α. Los procesos de emisión de partículas β pueden representarse en la siguiente reacción nuclear:
En algunos casos ocurren procesos de desintegración radiactivo que producen partículas α o β y dejan el núcleo en estado excitado permitiendo que el núcleo pierda energía en forma de radiación electromagnética denominado rayos gamma γ, la cual es una radiación muy penetrante que no se desvían por campos electrónicos ni magnéticos.
Al observar las reacciones nucleares anteriores se puede decir que su escritura es un poco distinta a las ecuaciones de las reacciones químicas, estas además de incluir los símbolos de los diferentes elementos químicos también deben mostrar los protones y neutrones que contiene cada especie, el exponente representa el número de masa, es decir, el número total de neutrones y protones, y el subíndice representa el número atómico, es decir, el número de protones.
Diferencia entre la descomposición basada en emisiones α y β
La razón por la cual algunos núcleos radiactivos se descomponen por emisiones α y otras por emisiones β, es por la estabilidad nuclear la cual depende de la diferencia entre las fuerzas de repulsión culombicas y las fuerzas de atracción de corto alcance, por lo tanto si la repulsión es mayor que la fuerza de atracción entonces el núcleo se desintegra, pero si la fuerza de atracción predomina entonces el núcleo es estable, se ha encontrado que los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50 82 ó 126 protones o neutrones por lo general son más estables que los núcleos que no poseen estos números.
Por ejemplo, existen 10 isótopos estables de estaño que contiene el número atómico de 50, mientras que antimonio solo posee dos isótopos estables con número atómico de 51, esta numeración de protones o neutrones mencionados, que genera la estabilidad especial al núcleo atómico se conoce como números mágicos.
Otra observación importante, es que los núcleos que contienen números pares de protones y neutrones tienden hacer más estables que aquellos que contienen números impares de estas partículas.
Radiactividad por medios artificiales
La química nuclear por muchos años estudió solo los elementos radiactivos naturales, sin embargo, para 1919 Rutherford demostró que era posible producir radiactividad por medios artificiales, bombardeando una muestra de nitrógeno con partículas α llevándose a cabo la siguiente reacción:
Dicha reacción demostró que era posible transformar un elemento en otro a través de la transmutación nuclear. Mucho de los isótopos preparados, se obtienen empleando neutrones como proyectiles, este método es recomendado, ya que los neutrones no llevan cargas y, por lo tanto, no lo repelan los núcleos, por lo contrario, si los proyectiles son partículas con carga positivas como protones o partículas α deben tener una energía cinética elevada con el fin de que puedan vencer la repulsión electrostática entre ellas mismas y el átomo.
El bombardeo de los núcleos se puede obtener mediante un acelerador de partículas un ejemplo de este es el ciclotrón, el cual consiste en dos cajas semicirculares planas y huecas que se mantienen con cargas eléctricas opuestas y toda esta estructura se encuentra dentro de un campo magnético.
Referencias bibliográficas
1. Brown T.L; LeMay H.E; Bursten B.E; Burdge J.R. Química General, 12va Edición. Editorial Pearson, (2014).2. Chang, Raymond Química, 6ª Edición. Editorial McGraw-Hill, (1999).
Autora
Escrito por Mahiceth Quintero Valero para la Edición #106 de Enciclopedia Asigna, en 12/2021. Mahiceth es Doctora en Química Aplicada