Desintegración radioactiva

Para ver la desintegración de partículas en un contexto más general, consulte Desintegración de partículas. Para obtener más información sobre los peligros de varios tipos de radiación por descomposición, consulte Radiación ionizante. "Radiactivo" y "Radiactividad" vuelven a dirigir aquí. Para otros usos, consulte Radiactivo (desambiguación) y Radiactividad (desambiguación).

Física nuclear
Nucleus   nucleones  ( p, n )  la materia nuclear   fuerza nuclear   estructura Nuclear   reacción Nuclear
Modelos del núcleo Gota de líquido   Modelo de capa nuclear   Modelo de bosón interactivo   Ab initio
Clasificación de nucleidos Isótopos - iguales Z Isobaras - iguales A Isótonos - iguales N Isodiaphers - iguales N  -        Isómeros Z - iguales a todos los anteriores Núcleos espejo  - Z ↔ N Estable   Mágico   Par / impar   Halo  ( Borromeo )
Estabilidad nuclear Energía de unión   Relación p – n   Línea de goteo   Isla de estabilidad   Valle de estabilidad   Nuclido estable
Desintegración radioactiva Alfa α   Beta β  ( 2β ( 0v ), β + )  Captura de K / L   Isomérico  ( Gamma γ   Conversión interna )  Fisión espontánea   Desintegración de racimos   Emisión de neutrones   Emisión de protones Energía de desintegración   cadena de desintegración   producto de desintegración   nucleido radiogénica
Fisión nuclear Espontáneo   Productos  ( ruptura de pares )  Photofission
Captura de procesos electrón ( 2 × )  neutrón  ( s   r )  protón  ( p   rp )
Procesos de alta energía Espalación ( por rayos cósmicos )  Fotodisintegración
Nucleosíntesis y astrofísica nuclear Procesos de fusión nuclear : Estelar   Big Bang   Supernova Nuclides: Primordial   Cosmogénico   Artificial
Física nuclear de alta energía Plasma de quark-gluón   RHIC   LHC
Científicos Álvarez   Becquerel   Bethe   A. Bohr   N. Bohr   Chadwick   Cockcroft   Ir. Curie   P. Curie   Pi. Curie   Skłodowska-Curie   Davisson   Fermi   Hahn   Jensen   Lawrence   Mayer   Meitner   Oliphant   Oppenheimer   Proca   Purcell   Rabi   Rutherford   Soddy   Strassmann   Świątecki   Szilárd   Teller   Thomson   Walton   Wigner
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La desintegración alfa es un tipo de desintegración radiactiva, en la que un núcleo atómico emite una partícula alfa y, por lo tanto, se transforma (o "desintegra") en un átomo con un número de masa disminuido en 4 y el número atómico disminuido en 2.

La desintegración radiactiva (también conocida como desintegración nuclear, radiactividad, desintegración radiactiva o desintegración nuclear) es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía por radiación. Un material que contiene núcleos inestables se considera radiactivo. Tres de los tipos más comunes de desintegración son la desintegración alfa ( desintegración 𝛼 ), la desintegración beta ( desintegración 𝛽 ) y la desintegración gamma ( desintegración 𝛾 ), todos los cuales implican la emisión de una o más partículas. La fuerza débil es el mecanismo responsable de la desintegración beta, mientras que las otras dos están gobernadas por las fuerzas electromagnéticas y fuertes habituales.

La desintegración radiactiva es un proceso estocástico (es decir, aleatorio) a nivel de átomos individuales. Según la teoría cuántica, es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular, independientemente de cuánto tiempo haya existido. Sin embargo, para un número significativo de átomos idénticos, la tasa de desintegración general se puede expresar como una constante de desintegración o como una vida media. Las vidas medias de los átomos radiactivos tienen un rango enorme; desde casi instantáneo hasta mucho más largo que la edad del universo.

El núcleo en descomposición se llama radionúclido padre (o radioisótopo padre) y el proceso produce al menos un nucleido hijo. Excepto por la desintegración gamma o la conversión interna de un estado de excitación nuclear, la desintegración es una transmutación nuclear que da como resultado una hija que contiene un número diferente de protones o neutrones (o ambos). Cuando cambia el número de protones, se crea un átomo de un elemento químico diferente.

• La desintegración alfa ocurre cuando el núcleo expulsa una partícula alfa (núcleo de helio).
• La desintegración beta se produce de dos formas;
  • (i) desintegración beta-menos, cuando el núcleo emite un electrón y un antineutrino en un proceso que cambia un neutrón a un protón.
  • (ii) desintegración beta-plus, cuando el núcleo emite un positrón y un neutrino en un proceso que cambia un protón a un neutrón, también conocido como emisión de positrones.
• En la desintegración gamma, un núcleo radiactivo se desintegra primero por la emisión de una partícula alfa o beta. El núcleo hijo resultante generalmente se deja en un estado excitado y puede decaer a un estado de menor energía emitiendo un fotón de rayos gamma.
• En la emisión de neutrones, núcleos extremadamente ricos en neutrones, formados debido a otros tipos de desintegración o después de muchas capturas sucesivas de neutrones, ocasionalmente pierden energía a través de la emisión de neutrones, lo que resulta en un cambio de un isótopo a otro del mismo elemento.
• En la captura de electrones, el núcleo puede capturar un electrón en órbita, haciendo que un protón se convierta en neutrón en un proceso llamado captura de electrones. Posteriormente se emiten un neutrino y un rayo gamma.
• En la desintegración de racimos y la fisión nuclear, se emite un núcleo más pesado que una partícula alfa.

Por el contrario, existen procesos de desintegración radiactiva que no resultan en una transmutación nuclear. La energía de un núcleo excitado puede emitirse como un rayo gamma en un proceso llamado desintegración gamma, o esa energía puede perderse cuando el núcleo interactúa con un electrón orbital provocando su expulsión del átomo, en un proceso llamado conversión interna. Otro tipo de desintegración radiactiva da como resultado productos que varían, que aparecen como dos o más "fragmentos" del núcleo original con un rango de masas posibles. Esta desintegración, llamada fisión espontánea, ocurre cuando un gran núcleo inestable se divide espontáneamente en dos (u ocasionalmente tres) núcleos hijos más pequeños, y generalmente conduce a la emisión de rayos gamma, neutrones u otras partículas de esos productos. Por el contrario, los productos de desintegración de un núcleo con espín pueden distribuirse de forma no isotrópica con respecto a esa dirección de giro. Ya sea debido a una influencia externa, como un campo electromagnético, o porque el núcleo se produjo en un proceso dinámico que restringió la dirección de su giro, la anisotropía puede ser detectable. Tal proceso original podría ser una desintegración previa o una reacción nuclear.

Para obtener una tabla resumida que muestra el número de nucleidos estables y radiactivos en cada categoría, consulte radionúclido. Hay 28 elementos químicos naturales en la Tierra que son radiactivos, que consisten en 34 radionucleidos (6 elementos tienen 2 radionucleidos diferentes) que datan antes de la época de formación del Sistema Solar. Estos 34 se conocen como nucleidos primordiales. Ejemplos bien conocidos son el uranio y el torio, pero también se incluyen radioisótopos de vida larga que se encuentran en la naturaleza, como el potasio-40.

Otros 50 radionucleidos de vida más corta, como el radio-226 y el radón-222, que se encuentran en la Tierra, son el producto de cadenas de desintegración que comenzaron con los nucleidos primordiales, o son el producto de procesos cosmogénicos en curso, como la producción de carbono-14 del nitrógeno-14 en la atmósfera por rayos cósmicos. Los radionúclidos también pueden producirse artificialmente en aceleradores de partículas o reactores nucleares, lo que da como resultado 650 de estos con vidas medias de más de una hora, y varios miles más con vidas medias aún más cortas. (Consulte la Lista de nucleidos para obtener una lista de estos ordenados por vida media).

• 1 Historia del descubrimiento
• 2 Peligros tempranos para la salud
  • 2.1 Rayos X
  • 2.2 Sustancias radiactivas
  • 2.3 Protección radiológica
• 3 Unidades
• 4 tipos
  • 4.1 Modos
• 5 Tarifas
• 6 Matemáticas
  • 6.1 Ley universal
    • 6.1.1 Proceso de una desintegración
    • 6.1.2 Procesos de desintegración de la cadena
    • 6.1.3 Modos alternativos
  • 6.2 Corolarios de leyes
  • 6.3 Tiempo de descomposición: definiciones y relaciones
    • 6.3.1 Constante de tiempo y vida media
    • 6.3.2 Vida media
  • 6.4 Ejemplo de carbono-14
• 7 Cambio de tarifas
  • 7.1 anomalía de GSI
• 8 Base teórica
• 9 Incidencia y aplicaciones
  • 9.1 Efecto Szilard-Chalmers
• 10 Orígenes de los nucleidos radiactivos
• 11 Cadenas de decaimiento y múltiples modos.
• 12 señales de advertencia de peligro
• 13 Véase también
• 14 notas
• 15 referencias
  • 15.1 En línea
  • 15.2 General
• 16 Enlaces externos

Historia del descubrimiento

Pierre y Marie Curie en su laboratorio de París, antes de 1907

La radiactividad fue descubierta en 1896 por los científicos Henri Becquerel y Marie Curie, mientras trabajaban con materiales fosforescentes. Estos materiales brillan en la oscuridad después de la exposición a la luz, y sospechaba que el brillo producido en los tubos de rayos catódicos por los rayos X podría estar asociado con la fosforescencia. Envolvió una placa fotográfica en papel negro y colocó sobre ella varias sales fosforescentes. Todos los resultados fueron negativos hasta que utilizó sales de uranio. Las sales de uranio provocaron un ennegrecimiento de la placa a pesar de que la placa estaba envuelta en papel negro. A estas radiaciones se les dio el nombre de "Rayos Becquerel".

Pronto quedó claro que el ennegrecimiento de la placa no tenía nada que ver con la fosforescencia, ya que el ennegrecimiento también lo producían las sales no fosforescentes de uranio y el uranio metálico. A partir de estos experimentos quedó claro que había una forma de radiación invisible que podía atravesar el papel y provocaba que la placa reaccionara como si estuviera expuesta a la luz.

Al principio, parecía que la nueva radiación era similar a los rayos X recientemente descubiertos. Investigaciones adicionales de Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie y otros mostraron que esta forma de radiactividad era significativamente más complicada. Rutherford fue el primero en darse cuenta de que todos esos elementos decaen de acuerdo con la misma fórmula matemática exponencial. Rutherford y su alumno Frederick Soddy fueron los primeros en darse cuenta de que muchos procesos de descomposición resultaban en la transmutación de un elemento en otro. Posteriormente, se formuló la ley de desplazamiento radiactivo de Fajans y Soddy para describir los productos de la desintegración alfa y beta.

Los primeros investigadores también descubrieron que muchos otros elementos químicos, además del uranio, tienen isótopos radiactivos. Una búsqueda sistemática de la radiactividad total en los minerales de uranio también guió a Pierre y Marie Curie a aislar dos nuevos elementos: polonio y radio. Excepto por la radiactividad del radio, la similitud química del radio con el bario hizo que estos dos elementos fueran difíciles de distinguir.

El estudio de Marie y Pierre Curie sobre la radiactividad es un factor importante en la ciencia y la medicina. Después de que su investigación sobre los rayos de Becquerel los condujera al descubrimiento tanto del radio como del polonio, acuñaron el término "radiactividad" para definir la emisión de radiación ionizante por algunos elementos pesados. (Más tarde, el término se generalizó a todos los elementos.) Su investigación sobre los rayos penetrantes en el uranio y el descubrimiento del radio iniciaron una era en el uso del radio para el tratamiento del cáncer. Su exploración del radio podría verse como el primer uso pacífico de la energía nuclear y el comienzo de la medicina nuclear moderna.

Peligros tempranos para la salud

Artículo principal: Radiación ionizante Tomando una imagen de rayos X con los primeros aparatos de tubo de Crookes en 1896. El tubo de Crookes es visible en el centro. El hombre de pie está viendo su mano con una pantalla fluoroscópica ; esta era una forma común de configurar el tubo. No se toman precauciones contra la exposición a la radiación; sus peligros no se conocían en ese momento.

Los peligros de la radiación ionizante debidos a la radiactividad y los rayos X no se reconocieron de inmediato.

Rayos X

El descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Röntgen en 1895 dio lugar a una amplia experimentación por parte de científicos, médicos e inventores. Muchas personas comenzaron a contar historias de quemaduras, pérdida de cabello y cosas peores en revistas técnicas ya en 1896. En febrero de ese año, el profesor Daniel y el Dr. Dudley de la Universidad de Vanderbilt realizaron un experimento con radiografías de la cabeza de Dudley que resultó en su pérdida de cabello.. Un informe del Dr. HD Hawks, de sus graves quemaduras en la mano y el pecho en una demostración de rayos X, fue el primero de muchos otros informes en Electrical Review.

Otros experimentadores, incluidos Elihu Thomson y Nikola Tesla, también informaron quemaduras. Thomson expuso deliberadamente un dedo a un tubo de rayos X durante un período de tiempo y sufrió dolor, hinchazón y ampollas. A veces se culpaba a otros efectos, incluidos los rayos ultravioleta y el ozono, por el daño, y muchos médicos aún afirmaban que no había ningún efecto de la exposición a los rayos X.

A pesar de esto, hubo algunas primeras investigaciones sistemáticas de peligros, y ya en 1902 William Herbert Rollins escribió casi con desesperación que sus advertencias sobre los peligros involucrados en el uso descuidado de los rayos X no estaban siendo atendidas, ni por la industria ni por sus colegas. Para entonces, Rollins había demostrado que los rayos X podían matar animales de experimentación, podían provocar el aborto de una cobaya preñada y que podían matar a un feto. También destacó que "los animales varían en susceptibilidad a la acción externa de la luz X" y advirtió que estas diferencias deben ser consideradas cuando los pacientes sean tratados mediante rayos X.

Sustancias radioactivas

La radiactividad es característica de elementos con grandes números atómicos. Los elementos con al menos un isótopo estable se muestran en azul claro. El verde muestra elementos cuyo isótopo más estable tiene una vida media medida en millones de años. El amarillo y el naranja son progresivamente menos estables, con vidas medias en miles o cientos de años, hasta un día. El rojo y el violeta muestran elementos altamente y extremadamente radiactivos donde los isótopos más estables exhiben vidas medias del orden de un día y mucho menos.

Sin embargo, los efectos biológicos de la radiación debida a sustancias radiactivas fueron menos fáciles de medir. Esto brindó a muchos médicos y corporaciones la oportunidad de comercializar sustancias radiactivas como medicamentos patentados. Algunos ejemplos fueron los tratamientos con enemas de radio y las aguas que contienen radio para beber como tónicos. Marie Curie protestó contra este tipo de tratamiento, advirtiendo que los efectos de la radiación en el cuerpo humano no se entendían bien. Curie murió más tarde de anemia aplásica, probablemente causada por la exposición a radiación ionizante. En la década de 1930, después de varios casos de necrosis ósea y la muerte de entusiastas del tratamiento con radio, los medicamentos que contienen radio habían desaparecido en gran medida del mercado ( charlatanería radiactiva ).

Protección de radiación

Artículo principal: Protección radiológica Ver también: Sievert y radiación ionizante

Solo un año después del descubrimiento de Röntgen de los rayos X, el ingeniero estadounidense Wolfram Fuchs (1896) dio lo que probablemente sea el primer consejo de protección, pero no fue hasta 1925 que se realizó el primer Congreso Internacional de Radiología (ICR) y se consideró establecer normas de protección internacional. Los efectos de la radiación sobre los genes, incluido el efecto del riesgo de cáncer, se reconocieron mucho más tarde. En 1927, Hermann Joseph Muller publicó una investigación que mostraba efectos genéticos y, en 1946, recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus hallazgos.

El segundo ICR se llevó a cabo en Estocolmo en 1928 y propuso la adopción de la unidad röntgen, y se formó el Comité Internacional de Protección de Radio y Rayos X (IXRPC). Rolf Sievert fue nombrado presidente, pero una fuerza impulsora fue George Kaye, del Laboratorio Nacional de Física Británico. El comité se reunió en 1931, 1934 y 1937.

Después de la Segunda Guerra Mundial, el aumento de la variedad y la cantidad de sustancias radiactivas que se manipulan como resultado de los programas nucleares militares y civiles provocó que grandes grupos de trabajadores ocupacionales y el público estuvieran potencialmente expuestos a niveles nocivos de radiación ionizante. Esto se consideró en la primera ICR de posguerra convocada en Londres en 1950, cuando nació la actual Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP). Desde entonces, la CIPR ha desarrollado el actual sistema internacional de protección radiológica, que abarca todos los aspectos del peligro de las radiaciones.

En 2020, Hauptmann y otros 15 investigadores internacionales de ocho países, entre los que se encuentran: Institutos de Bioestadística, Investigación de Registros, Centros de Epidemiología del Cáncer, Epidemiología Radiológica y luego también el Instituto Nacional del Cáncer de EE. UU. (NCI), la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC).) y la Radiation Effects Research Foundation de Hiroshima estudiaron definitivamente a través de metaanálisis los daños resultantes de las "bajas dosis" que han afectado a las poblaciones de sobrevivientes de las explosiones de las bombas atómicas en Hiroshima y Nagasaki y también en numerosos accidentes de plantas nucleares que han ocurrido en el mundo. Estos científicos informaron, en JNCI Monographs: Epidemiological Studies of Low Dose Ionizing Radiation and Cancer Risk, que los nuevos estudios epidemiológicos apoyan directamente el exceso de riesgo de cáncer de la radiación ionizante de baja dosis. En 2021, el investigador italiano Venturi informó las primeras correlaciones entre el radio-cesio y el cáncer de páncreas con el papel del cesio en la biología y en la pancreatitis y en la diabetes de origen pancreático.

Unidades

Gráfico que muestra las relaciones entre la radiactividad y la radiación ionizante detectada

La unidad de actividad radiactiva del Sistema Internacional de Unidades (SI) es el becquerel (Bq), llamado así en honor al científico Henri Becquerel. Un Bq se define como una transformación (o decadencia o desintegración) por segundo.

Una unidad más antigua de radiactividad es el curie, Ci, que originalmente se definió como "la cantidad o masa de emanación de radio en equilibrio con un gramo de radio (elemento)". Hoy, el curie se define como3,7 × 10 ¹⁰ desintegraciones por segundo, de modo que 1  curie (Ci) =3,7 × 10 ¹⁰  Bq. Para fines de protección radiológica, aunque la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos permite el uso de la unidad curie junto con las unidades SI, las directivas de unidades de medida europeas de la Unión Europea requieren que su uso para "fines de salud pública..." se elimine gradualmente antes del 31 de diciembre. 1985.

Los efectos de la radiación ionizante a menudo se miden en unidades de gris para mecánica o sievert para daño a los tejidos.

Tipos

Las partículas alfa pueden detenerse por completo con una hoja de papel, las partículas beta con un blindaje de aluminio. Los rayos gamma solo pueden reducirse con una masa mucho más sustancial, como una capa muy gruesa de plomo. Esquema de desintegración de ¹³⁷ Cs que muestra vidas medias, nucleidos hijos y tipos y proporción de radiación emitida Artículos principales: la línea de goteo nuclear, decaimiento gamma, la conversión interna, captura de electrones, la desintegración alfa, fisión nuclear, emisión de neutrones, y la emisión de clústeres

Los primeros investigadores encontraron que un campo eléctrico o magnético podría dividir las emisiones radiactivas en tres tipos de haces. A los rayos se les dio los nombres alfa, beta y gamma, en orden creciente de su capacidad para penetrar la materia. La desintegración alfa se observa solo en elementos más pesados ​​de número atómico 52 ( telurio ) y mayores, con la excepción del berilio-8 (que se desintegra en dos partículas alfa). Los otros dos tipos de descomposición se observan en todos los elementos. El plomo, número atómico 82, es el elemento más pesado que tiene isótopos estables (hasta el límite de medición) a la desintegración radiactiva. La desintegración radiactiva se observa en todos los isótopos de todos los elementos de número atómico 83 ( bismuto ) o superior. El bismuto-209, sin embargo, es solo ligeramente radiactivo, con una vida media mayor que la edad del universo; Los radioisótopos con semividas extremadamente largas se consideran efectivamente estables a efectos prácticos.

Diagrama de transición de modos de desintegración de un radionúclido, con el número de neutrones N y número atómico Z (que se muestra son α, ß ^±, p ⁺ y n ⁰ emisiones, denota CE captura de electrones ). Tipos de desintegración radiactiva relacionados con los números de neutrones y protones

Al analizar la naturaleza de los productos de desintegración, era obvio por la dirección de las fuerzas electromagnéticas aplicadas a las radiaciones por campos eléctricos y magnéticos externos que las partículas alfa tenían una carga positiva, las partículas beta tenían una carga negativa y los rayos gamma eran neutrales. Por la magnitud de la desviación, estaba claro que las partículas alfa eran mucho más masivas que las partículas beta. Pasar partículas alfa a través de una ventana de vidrio muy delgada y atraparlas en un tubo de descarga permitió a los investigadores estudiar el espectro de emisión de las partículas capturadas y, finalmente, demostró que las partículas alfa son núcleos de helio. Otros experimentos mostraron que la radiación beta, resultante de la desintegración y los rayos catódicos, eran electrones de alta velocidad. Asimismo, se descubrió que la radiación gamma y los rayos X son radiación electromagnética de alta energía.

La relación entre los tipos de desintegraciones también comenzó a examinarse: por ejemplo, casi siempre se encontró que la desintegración gamma estaba asociada con otros tipos de desintegración y se producía aproximadamente al mismo tiempo o después. La desintegración gamma como fenómeno separado, con su propia vida media (ahora denominada transición isomérica ), se encontró en la radiactividad natural como resultado de la desintegración gamma de isómeros nucleares metaestables excitados, que a su vez se crearon a partir de otros tipos de desintegración.

Aunque las radiaciones alfa, beta y gamma se encontraron con mayor frecuencia, finalmente se descubrieron otros tipos de emisión. Poco después del descubrimiento del positrón en los productos de rayos cósmicos, se descubrió que el mismo proceso que opera en la desintegración beta clásica también puede producir positrones ( emisión de positrones ), junto con neutrinos (la desintegración beta clásica produce antineutrinos). En un proceso análogo más común, llamado captura de electrones, se encontró que algunos nucleidos ricos en protones capturan sus propios electrones atómicos en lugar de emitir positrones y, posteriormente, estos nucleidos emiten solo un neutrino y un rayo gamma del núcleo excitado (y a menudo también Auger los electrones y los rayos X característicos, como resultado del reordenamiento de los electrones para ocupar el lugar del electrón capturado que falta). Estos tipos de desintegración implican la captura nuclear de electrones o la emisión de electrones o positrones y, por lo tanto, actúa para mover un núcleo hacia la proporción de neutrones a protones que tiene la menor energía para un número total dado de nucleones. En consecuencia, esto produce un núcleo más estable (de menor energía).

(Un proceso teórico de captura de positrones, análogo a la captura de electrones, es posible en los átomos de antimateria, pero no se ha observado, ya que los átomos de antimateria complejos más allá del antihelio no están disponibles experimentalmente. Tal desintegración requeriría átomos de antimateria al menos tan complejos como el berilio. 7, que es el isótopo más ligero conocido de materia normal que sufre desintegración por captura de electrones).

Poco después del descubrimiento del neutrón en 1932, Enrico Fermi se dio cuenta de que ciertas reacciones raras de desintegración beta producen inmediatamente neutrones como partículas de desintegración ( emisión de neutrones ). Finalmente, se observó una emisión aislada de protones en algunos elementos. También se encontró que algunos elementos pesados ​​pueden sufrir una fisión espontánea en productos que varían en composición. En un fenómeno llamado desintegración de cúmulos, se descubrió que los átomos emitían espontáneamente combinaciones específicas de neutrones y protones distintos de las partículas alfa (núcleos de helio).

Se encontró que otros tipos de desintegración radiactiva emiten partículas vistas anteriormente, pero a través de diferentes mecanismos. Un ejemplo es la conversión interna, que da como resultado una emisión inicial de electrones y luego, a menudo, más emisiones características de rayos X y electrones Auger, aunque el proceso de conversión interna no implica desintegración beta ni gamma. No se emite un neutrino, y ninguno de los electrones y fotones emitidos se origina en el núcleo, aunque la energía para emitirlos todos se origina allí. La desintegración de conversión interna, como la desintegración gamma de transición isomérica y la emisión de neutrones, implica la liberación de energía por un nucleido excitado, sin la transmutación de un elemento en otro.

Se conocen eventos raros que involucran una combinación de dos eventos de tipo de desintegración beta que ocurren simultáneamente (ver más abajo). Se permite que suceda cualquier proceso de descomposición que no viole las leyes de conservación de la energía o del momento (y quizás otras leyes de conservación de partículas), aunque no todos han sido detectados. Un ejemplo interesante discutido en una sección final es la desintegración beta en estado ligado del renio-187. En este proceso, la desintegración de los electrones beta del nucleido original no se acompaña de la emisión de electrones beta, porque la partícula beta ha sido capturada en la capa K del átomo emisor. Se emite un antineutrino, como en todas las desintegraciones beta negativas.

Los radionúclidos pueden sufrir varias reacciones diferentes. Estos se resumen en la siguiente tabla. Un núcleo con número de masa A y número atómico Z se representa como ( A, Z). La columna "Núcleo hijo" indica la diferencia entre el núcleo nuevo y el núcleo original. Por lo tanto, ( A  - 1, Z) significa que el número másico es uno menos que antes, pero el número atómico es el mismo que antes.

Si las circunstancias energéticas son favorables, un radionúclido dado puede sufrir muchos tipos de desintegración en competencia, con algunos átomos desintegrando por una ruta y otros desintegrando por otra. Un ejemplo es el cobre-64, que tiene 29 protones y 35 neutrones, que se desintegra con una vida media de aproximadamente 12,7 horas. Este isótopo tiene un protón desapareado y un neutrón desapareado, por lo que el protón o el neutrón pueden desintegrarse en la otra partícula, que tiene isospín opuesto. Este nucleido en particular (aunque no todos los nucleidos en esta situación) tiene casi la misma probabilidad de desintegrarse por emisión de positrones (18%) o por captura de electrones (43%), como lo hace por emisión de electrones (39%). Los estados de energía excitados que resultan de estas desintegraciones que no terminan en un estado de energía fundamental, también producen una conversión interna posterior y una desintegración gamma en casi el 0,5% del tiempo.

Más común en los nucleidos pesados ​​es la competencia entre la desintegración alfa y beta. Los nucleidos hijos normalmente se desintegrarán a través de beta o alfa, respectivamente, para terminar en el mismo lugar.

La desintegración radiactiva da como resultado una reducción de la masa en reposo sumada, una vez que la energía liberada (la energía de desintegración) ha escapado de alguna manera. Aunque la energía de desintegración a veces se define como asociada con la diferencia entre la masa de los productos de nucleidos parentales y la masa de los productos de desintegración, esto es cierto solo para las mediciones de masa en reposo, donde se ha eliminado algo de energía del sistema del producto. Esto es cierto porque la energía de desintegración siempre debe llevar masa consigo, dondequiera que aparezca (ver masa en relatividad especial ) de acuerdo con la fórmula E  =  mc ². La energía de desintegración se libera inicialmente como la energía de los fotones emitidos más la energía cinética de las partículas emitidas masivas (es decir, las partículas que tienen masa en reposo). Si estas partículas llegan al equilibrio térmico con su entorno y se absorben los fotones, entonces la energía de desintegración se transforma en energía térmica, que retiene su masa.

La energía de desintegración, por lo tanto, permanece asociada con una cierta medida de la masa del sistema de desintegración, llamada masa invariante, que no cambia durante la desintegración, aunque la energía de desintegración se distribuye entre las partículas de desintegración. La energía de los fotones, la energía cinética de las partículas emitidas y, más tarde, la energía térmica de la materia circundante, contribuyen a la masa invariante del sistema. Por lo tanto, mientras que la suma de las masas en reposo de las partículas no se conserva en la desintegración radiactiva, la masa del sistema y la masa invariante del sistema (y también la energía total del sistema) se conservan a lo largo de cualquier proceso de desintegración. Esta es una reafirmación de las leyes equivalentes de conservación de energía y conservación de masa.

Modos

v t mi Modos de decaimiento
Modo de decadencia		Partículas participantes	Núcleo hijo
Se decae con emisión de nucleones.
α	Decaimiento alfa	Una partícula alfa ( A  = 4, Z  = 2) emitida desde el núcleo	( A  - 4, Z  - 2)
pag	Emisión de protones	Un protón expulsado del núcleo.	( A  - 1, Z  - 1)
2p	Emisión doble de protones	Dos protones expulsados ​​del núcleo simultáneamente	( A  - 2, Z  - 2)
norte	Emisión de neutrones	Un neutrón expulsado del núcleo.	( A  - 1, Z)
2n	Emisión de neutrones dobles	Dos neutrones expulsados ​​del núcleo simultáneamente	( A  - 2, Z)
SF	Fisión espontánea	El núcleo se desintegra en dos o más núcleos más pequeños y otras partículas.	-
CD	Decaimiento del racimo	El núcleo emite un tipo específico de núcleo más pequeño ( A 1, Z 1) que es más grande que una partícula alfa	( A  -  A 1, Z  -  Z 1) + ( A 1, Z 1)
Diferentes modos de desintegración beta.
β -	Decaimiento beta menos	Un núcleo emite un electrón y un electrón antineutrino.	( A, Z  + 1)
β +	Beta plus decaimiento	Un núcleo emite un positrón y un neutrino electrónico.	( A, Z  - 1)
ε (CE)	Captura de electrones	Un núcleo captura un electrón en órbita y emite un neutrino; el núcleo hijo se deja en un estado inestable excitado	( A, Z  - 1)
	Decaimiento beta en estado ligado	Un neutrón libre o núcleo beta se desintegra en electrón y antineutrino, pero el electrón no se emite, ya que es capturado en una capa K vacía; el núcleo hijo queda en un estado excitado e inestable. Este proceso es una minoría de desintegraciones de neutrones libres (0,0004%) debido a la baja energía de la ionización del hidrógeno y se suprime, excepto en los átomos ionizados que tienen vacantes de capa K.	( A, Z  + 1)
β - β -	Decaimiento beta doble	Un núcleo emite dos electrones y dos antineutrinos.	( A, Z  + 2)
εε	Captura de doble electrón	Un núcleo absorbe dos electrones orbitales y emite dos neutrinos: el núcleo hijo se deja en un estado excitado e inestable.	( A, Z  - 2)
	Captura de electrones con emisión de positrones	Un núcleo absorbe un electrón orbital, emite un positrón y dos neutrinos	( A, Z  - 2)
β + β +	Decaimiento de doble positrón	Un núcleo emite dos positrones y dos neutrinos.	( A, Z  - 2)
Transiciones entre estados del mismo núcleo
ESO	Transición isomérica	El núcleo excitado libera un fotón de alta energía ( rayo gamma )	( A, Z)
	Conversión interna	El núcleo excitado transfiere energía a un electrón orbital, que posteriormente es expulsado del átomo.	( A, Z)

Tarifas

La tasa de desintegración, o actividad, de una sustancia radiactiva se caracteriza por:

Cantidades constantes:

• La vida media - t 1/2, es el tiempo necesario para la actividad de una cantidad dada de una sustancia radiactiva a la descomposición a la mitad de su valor inicial; ver Lista de nucleidos.
• La constante de desintegración - λ, " lambda " el recíproco de la vida media (en s ⁻¹), a veces denominada simplemente tasa de desintegración.
• La vida media - τ, " tau " la vida media (1 / e vida) de una partícula radiactiva antes de la desintegración.

Aunque son constantes, están asociadas con el comportamiento estadístico de poblaciones de átomos. En consecuencia, las predicciones que utilizan estas constantes son menos precisas para muestras minúsculas de átomos.

En principio, una vida media, una tercera vida o incluso una vida (1 / √ 2) se puede utilizar exactamente de la misma manera que la vida media; pero la vida media y la vida media t 1/2 se han adoptado como tiempos estándar asociados con la desintegración exponencial.

Cantidades variables en el tiempo:

• Actividad total - A, es el número de desintegraciones por unidad de tiempo de una muestra radiactiva.
• Número de partículas - N, es el número total de partículas en la muestra.
• Actividad específica - S A, número de desintegraciones por unidad de tiempo por cantidad de sustancia de la muestra en el tiempo establecido en cero ( t = 0). La "cantidad de sustancia" puede ser la masa, el volumen o los moles de la muestra inicial.

Estos se relacionan de la siguiente manera:

$$ t 1 / 2= en ⁡ ( 2 ) λ=τen⁡(2) {\ Displaystyle t_ {1/2} = {\ frac {\ ln (2)} {\ lambda}} = \ tau \ ln (2)}

$$A=- D norte D t=λnorte {\ Displaystyle A = - {\ frac {\ mathrm {d} N} {\ mathrm {d} t}} = \ lambda N}

$$ S A a 0=- D norte D t | t = 0=λ norte 0 {\ Displaystyle S_ {A} a_ {0} = - {\ frac {\ mathrm {d} N} {\ mathrm {d} t}} {\ bigg |} _ {t = 0} = \ lambda N_ {0 }}

donde N 0 es la cantidad inicial de sustancia activa, sustancia que tiene el mismo porcentaje de partículas inestables que cuando se formó la sustancia.

Matemáticas

Para conocer los detalles matemáticos del decaimiento exponencial en el contexto general, consulte el decaimiento exponencial. Para las derivaciones relacionadas con algunos detalles adicionales, consulte la vida media. Para las matemáticas análogas en reacciones químicas de primer orden, consulte Reacciones consecutivas.

Ley universal

Las matemáticas de la desintegración radiactiva dependen de una suposición clave de que el núcleo de un radionúclido no tiene "memoria" o forma de traducir su historia a su comportamiento actual. Un núcleo no "envejece" con el paso del tiempo. Por lo tanto, la probabilidad de que se rompa no aumenta con el tiempo, sino que permanece constante, sin importar cuánto tiempo haya existido el núcleo. Esta probabilidad constante puede diferir mucho entre un tipo de núcleo y otro, lo que lleva a las diferentes tasas de desintegración observadas. Sin embargo, cualquiera que sea la probabilidad, no cambia con el tiempo. Esto contrasta notablemente con los objetos complejos que sí muestran envejecimiento, como los automóviles y los seres humanos. Estos sistemas envejecidos tienen una posibilidad de avería por unidad de tiempo que aumenta desde el momento en que comienzan a existir.

Los procesos agregados, como la desintegración radiactiva de un grupo de átomos, para los que la probabilidad de realización de un solo evento es muy pequeña, pero en los que el número de segmentos de tiempo es tan grande que, no obstante, existe una tasa razonable de eventos, se modelan mediante la Distribución de Poisson, que es discreta. La desintegración radiactiva y las reacciones de partículas nucleares son dos ejemplos de tales procesos agregados. Las matemáticas de los procesos de Poisson se reducen a la ley de la desintegración exponencial, que describe el comportamiento estadístico de un gran número de núcleos, en lugar de un núcleo individual. En el siguiente formalismo, el número de núcleos o la población de núcleos N, es por supuesto una variable discreta (un número natural ), pero para cualquier muestra física N es tan grande que puede tratarse como una variable continua. El cálculo diferencial se utiliza para modelar el comportamiento de la desintegración nuclear.

Proceso de una desintegración

Considere el caso de un nucleido A que decae en otro B mediante algún proceso A → B (emisión de otras partículas, como neutrinos electrónicos _{ν miy los electrones e ^- como en la desintegración beta, son irrelevantes en lo que sigue). La desintegración de un núcleo inestable es completamente aleatoria en el tiempo, por lo que es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. Sin embargo, es igualmente probable que decaiga en cualquier momento. Por lo tanto, dada una muestra de un radioisótopo particular, el número de eventos de desintegración -d N que se espera que ocurran en un pequeño intervalo de tiempo d t es proporcional al número de átomos presentes N, es decir}

$$- D norte D t∝norte {\ Displaystyle - {\ frac {\ mathrm {d} N} {\ mathrm {d} t}} \ propto N}

Los radionucleidos particulares se desintegran a diferentes velocidades, por lo que cada uno tiene su propia constante de desintegración λ. La desintegración esperada −d N / N es proporcional a un incremento de tiempo, d t:

$$

- D norte norte=λ Dt {\ Displaystyle - {\ frac {\ mathrm {d} N} {N}} = \ lambda \ mathrm {d} t}

El signo negativo indica que N disminuye a medida que aumenta el tiempo, ya que los eventos de desintegración se suceden uno tras otro. La solución a esta ecuación diferencial de primer orden es la función :

$$norte(t)= norte 0 mi - λ t {\ Displaystyle N (t) = N_ {0} \, e ^ {- {\ lambda} t}}

donde N 0 es el valor de N en el tiempo t = 0, con la constante de desintegración expresada como λ

Tenemos para todos los tiempos t:

$$ norte A+ norte B= norte t o t a l= norte A 0, {\ Displaystyle N_ {A} + N_ {B} = N _ {\ mathrm {total}} = N_ {A0},}

donde N total es el número constante de partículas a lo largo del proceso de desintegración, que es igual al número inicial de nucleidos A ya que esta es la sustancia inicial.

Si el número de núcleos A no decaídos es:

$$ norte A= norte A 0 mi - λ t {\ Displaystyle N_ {A} = N_ {A0} e ^ {- {\ lambda} t}}

entonces el número de núcleos de B, es decir, el número de núcleos A decaídos, es

$$ norte B= norte A 0- norte A= norte A 0- norte A 0 mi - λ t= norte A 0 ( 1 - mi - λ t ). {\ Displaystyle N_ {B} = N_ {A0} -N_ {A} = N_ {A0} -N_ {A0} e ^ {- {\ lambda} t} = N_ {A0} \ left (1-e ^ { - {\ lambda} t} \ derecha).}

El número de desintegraciones observadas durante un intervalo dado obedece a las estadísticas de Poisson. Si el número medio de desintegraciones es ⟨ N ⟩, la probabilidad de un número dado de desintegraciones N es

$$PAG(norte)= ⟨ norte ⟩ norte Exp ⁡ ( - ⟨ norte ⟩ ) norte !. {\ Displaystyle P (N) = {\ frac {\ langle N \ rangle ^ {N} \ exp (- \ langle N \ rangle)} {N!}}.}

Procesos de desintegración de la cadena

Cadena de dos decaimientos

Consideremos ahora el caso de una cadena de dos desintegraciones: un nucleido A en descomposición en otro B por un proceso, entonces B en descomposición en otro C por un segundo proceso, es decir A → B → C. La ecuación anterior no se puede aplicar a la cadena de desintegración, pero se puede generalizar de la siguiente manera. Dado que A se desintegra en B, luego B se desintegra en C, la actividad de A se suma al número total de núclidos B en la muestra actual, antes de que esos núclidos B se desintegran y reducen el número de núclidos que conducen a la muestra posterior. En otras palabras, el número de núcleos B de segunda generación aumenta como resultado de la desintegración de núcleos de primera generación de A, y disminuye como resultado de su propia desintegración en núcleos C de tercera generación. La suma de estos dos términos da la ley de una cadena de desintegración para dos nucleidos:

$$ D norte B D t=- λ B norte B+ λ A norte A. {\ Displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} N_ {B}} {\ mathrm {d} t}} = - \ lambda _ {B} N_ {B} + \ lambda _ {A} N_ {A}. }

La velocidad de cambio de N B, que es d N B / d t, está relacionada con los cambios en las cantidades de A y B, N B puede aumentar a medida que B se produce a partir de A y disminución como B produce C.

Reescribiendo usando los resultados anteriores:

$$

D norte B D t=- λ B norte B+ λ A norte A 0 mi - λ A t {\ Displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} N_ {B}} {\ mathrm {d} t}} = - \ lambda _ {B} N_ {B} + \ lambda _ {A} N_ {A0} e ^ {- \ lambda _ {A} t}}

Los subíndices simplemente se refieren a los nucleidos respectivos, es decir, N A es el número de nucleidos de tipo A ; N A 0 es el número inicial de nucleidos de tipo A ; λ A es la constante de atenuación de A - y lo mismo para nucleido B. Resolviendo esta ecuación para N B da:

$$ norte B= norte A 0 λ A λ B - λ A ( mi - λ A t - mi - λ B t ). {\ Displaystyle N_ {B} = {\ frac {N_ {A0} \ lambda _ {A}} {\ lambda _ {B} - \ lambda _ {A}}} \ left (e ^ {- \ lambda _ { A} t} -e ^ {- \ lambda _ {B} t} \ right).}

En el caso de que B sea ​​un nucleido estable ( λ B = 0), esta ecuación se reduce a la solución anterior:

$$ lim λ B → 0 [ norte A 0 λ A λ B - λ A ( mi - λ A t - mi - λ B t ) ]= norte A 0 λ A 0 - λ A ( mi - λ A t - 1 )= norte A 0 ( 1 - mi - λ A t ), {\ displaystyle \ lim _ {\ lambda _ {B} \ rightarrow 0} \ left [{\ frac {N_ {A0} \ lambda _ {A}} {\ lambda _ {B} - \ lambda _ {A}} " } \ left (e ^ {- \ lambda _ {A} t} -e ^ {- \ lambda _ {B} t} \ right) \ right] = {\ frac {N_ {A0} \ lambda _ {A} } {0- \ lambda _ {A}}} \ left (e ^ {- \ lambda _ {A} t} -1 \ right) = N_ {A0} \ left (1-e ^ {- \ lambda _ { A la derecha),}

como se muestra arriba para un decaimiento. La solución se puede encontrar mediante el método del factor de integración, donde el factor de integración es e ^{λ B t}. Este caso es quizás el más útil, ya que puede derivar tanto la ecuación de una desintegración (arriba) como la ecuación para cadenas de múltiples desintegraciones (abajo) de manera más directa.

Cadena de cualquier número de desintegraciones

Para el caso general de cualquier número de desintegraciones consecutivas en una cadena de desintegración, es decir, A 1 → A 2 → A i → A D, donde D es el número de desintegraciones e i es un índice ficticio ( i = 1, 2, 3,... D), cada población de nucleidos se puede encontrar en términos de la población anterior. En este caso N 2 = 0, N 3 = 0,..., N D = 0. Usando el resultado anterior en forma recursiva:

$$ D norte j D t=- λ j norte j+ λ j - 1 norte ( j - 1 ) 0 mi - λ j - 1 t. {\ Displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} N_ {j}} {\ mathrm {d} t}} = - \ lambda _ {j} N_ {j} + \ lambda _ {j-1} N _ {( j-1) 0} e ^ {- \ lambda _ {j-1} t}.}

La solución general al problema recursivo viene dada por las ecuaciones de Bateman:

Ecuaciones de Bateman

$$

norte D= norte 1 ( 0 ) λ D ∑ I = 1 D λ I C I mi - λ I t {\ Displaystyle N_ {D} = {\ frac {N_ {1} (0)} {\ lambda _ {D}}} \ sum _ {i = 1} ^ {D} \ lambda _ {i} c_ {i } e ^ {- \ lambda _ {i} t}}

$$

C I= ∏ j = 1 , I ≠ j D λ j λ j - λ I {\ Displaystyle c_ {i} = \ prod _ {j = 1, i \ neq j} ^ {D} {\ frac {\ lambda _ {j}} {\ lambda _ {j} - \ lambda _ {i} }}}

Modos alternativos

En todos los ejemplos anteriores, el nucleido inicial se descompone en un solo producto. Considere el caso de un nucleido inicial que puede descomponerse en cualquiera de dos productos, es decir, A → B y A → C en paralelo. Por ejemplo, en una muestra de potasio-40, el 89,3% de los núcleos se desintegran en calcio-40 y el 10,7% en argón-40. Tenemos para todos los tiempos t:

$$norte= norte A+ norte B+ norte C {\ Displaystyle N = N_ {A} + N_ {B} + N_ {C}}

que es constante, ya que el número total de nucleidos permanece constante. Diferenciando respecto al tiempo:

$$ D norte A D t = - ( D norte B D t + D norte C D t ) - λ norte A = - norte A ( λ B + λ C ) {\ Displaystyle {\ begin {alineado} {\ frac {\ mathrm {d} N_ {A}} {\ mathrm {d} t}} amp; = - \ left ({\ frac {\ mathrm {d} N_ {B }} {\ mathrm {d} t}} + {\ frac {\ mathrm {d} N_ {C}} {\ mathrm {d} t}} \ right) \\ - \ lambda N_ {A} amp; = - N_ {A} \ left (\ lambda _ {B} + \ lambda _ {C} \ right) \\\ end {alineado}}}

definir la constante de desintegración total λ en términos de la suma de las constantes de desintegración parcial λ B y λ C:

$$λ= λ B+ λ C. {\ Displaystyle \ lambda = \ lambda _ {B} + \ lambda _ {C}.}

Resolviendo esta ecuación para N A:

$$ norte A= norte A 0 mi - λ t. {\ Displaystyle N_ {A} = N_ {A0} e ^ {- \ lambda t}.}

donde N A 0 es el número inicial de nucleido A. Al medir la producción de un nucleido, solo se puede observar la constante de desintegración total λ. Las constantes de desintegración λ B y λ C determinan la probabilidad de que la desintegración dé como resultado los productos B o C de la siguiente manera:

$$ norte B= λ B λ norte A 0 ( 1 - mi - λ t ), {\ Displaystyle N_ {B} = {\ frac {\ lambda _ {B}} {\ lambda}} N_ {A0} \ left (1-e ^ {- \ lambda t} \ right),}

$$ norte C= λ C λ norte A 0 ( 1 - mi - λ t ). {\ Displaystyle N_ {C} = {\ frac {\ lambda _ {C}} {\ lambda}} N_ {A0} \ left (1-e ^ {- \ lambda t} \ right).}

porque la fracción λ B / λ de decadencia núcleos en B mientras que la fracción λ C / λ de decadencia núcleos en C.

Corolarios de leyes

Las ecuaciones anteriores también se pueden escribir usando cantidades relacionadas con el número de partículas de nucleidos N en una muestra;

• La actividad: A = λN.
• La cantidad de sustancia : n = N / L.
• La masa : m = Mn = MN / L.

donde L =6.022 140 76 × 10 ²³  mol ⁻¹ es la constante de Avogadro, M es la masa molar de la sustancia en kg / mol y la cantidad de la sustancia n está en moles.

Tiempo de descomposición: definiciones y relaciones

Constante de tiempo y vida media

Para la solución de una desintegración A → B:

$$norte= norte 0 mi - λ t= norte 0 mi - t / τ, {\ Displaystyle N = N_ {0} \, e ^ {- {\ lambda} t} = N_ {0} \, e ^ {- t / \ tau}, \, \!}

la ecuación indica que la constante de desintegración λ tiene unidades de t ⁻¹ y, por lo tanto, también se puede representar como 1 / τ, donde τ es un tiempo característico del proceso llamado constante de tiempo.

En un proceso de desintegración radiactiva, esta constante de tiempo es también la vida media de los átomos en descomposición. Cada átomo "vive" durante una cantidad finita de tiempo antes de desintegrarse, y se puede demostrar que esta vida media es la media aritmética de todas las vidas de los átomos, y que es τ, que de nuevo se relaciona con la constante de desintegración como sigue:

$$τ= 1 λ. {\ Displaystyle \ tau = {\ frac {1} {\ lambda}}.}

Esta forma también es válida para procesos de dos desintegraciones simultáneamente A → B + C, insertando los valores equivalentes de las constantes de desintegración (como se indica arriba)

$$λ= λ B+ λ C {\ Displaystyle \ lambda = \ lambda _ {B} + \ lambda _ {C} \,}

en la solución de descomposición conduce a:

$$ 1 τ=λ= λ B+ λ C= 1 τ B+ 1 τ C {\ Displaystyle {\ frac {1} {\ tau}} = \ lambda = \ lambda _ {B} + \ lambda _ {C} = {\ frac {1} {\ tau _ {B}}} + {\ frac {1} {\ tau _ {C}}} \,}

Simulación de muchos átomos idénticos en proceso de desintegración radiactiva, comenzando con 4 átomos (izquierda) o 400 (derecha). El número en la parte superior indica cuántas vidas medias han transcurrido.

Media vida

Un parámetro más utilizado es la vida media T 1/2. Dada una muestra de un radionúclido en particular, la vida media es el tiempo que tarda la mitad de los átomos del radionúclido en desintegrarse. Para el caso de reacciones nucleares de una desintegración:

$$norte= norte 0 mi - λ t= norte 0 mi - t / τ, {\ Displaystyle N = N_ {0} \, e ^ {- {\ lambda} t} = N_ {0} \, e ^ {- t / \ tau}, \, \!}

la vida media está relacionado con la constante de desintegración de la siguiente manera: Conjunto N = N 0 /2 y t = T medio para obtener

$$ t 1 / 2= en ⁡ 2 λ=τen⁡2. {\ Displaystyle t_ {1/2} = {\ frac {\ ln 2} {\ lambda}} = \ tau \ ln 2.}

Esta relación entre la vida media y la constante de desintegración muestra que las sustancias altamente radiactivas se gastan rápidamente, mientras que las que irradian débilmente perduran más. Las vidas medias de radionucleidos conocidos varían ampliamente, desde más de 10 ²⁴ años para que el nucleido casi estable ¹²⁸ Te, a 8,6 x 10 ^-23 segundos para núclidos altamente inestables, tales como ⁵ H.

El factor de ln (2) en las relaciones anteriores resulta del hecho de que el concepto de "vida media" es simplemente una forma de seleccionar una base diferente a la base natural e para la expresión de vida. La constante de tiempo τ es la vida e -1  , el tiempo hasta que solo queda 1 / e, aproximadamente el 36,8%, en lugar del 50% de la vida media de un radionúclido. Por tanto, τ es más largo que t 1/2. Se puede demostrar que la siguiente ecuación es válida:

$$norte(t)= norte 0 mi - t / τ= norte 0 2 - t / t 1 / 2. {\ Displaystyle N (t) = N_ {0} \, e ^ {- t / \ tau} = N_ {0} \, 2 ^ {- t / t_ {1/2}}. \, \!}

Dado que la desintegración radiactiva es exponencial con una probabilidad constante, cada proceso podría describirse fácilmente con un período de tiempo constante diferente que (por ejemplo) dio su "(1/3) -vida" (cuánto tiempo hasta que solo queda 1/3) o "(1/10) -life" (un período de tiempo hasta que sólo queda el 10%), y así sucesivamente. Por lo tanto, la elección de τ y t 1/2 para los tiempos de los marcadores es solo por conveniencia y por convención. Reflejan un principio fundamental sólo en la medida en que muestran que la misma proporción de una sustancia radiactiva determinada se desintegrará durante cualquier período de tiempo que se elija.

Matemáticamente, la vida n- ^ésima para la situación anterior se encontraría de la misma manera que la anterior: estableciendo N = N 0 / n, t = T 1 / ny sustituyendo en la solución de desintegración para obtener

$$ t 1 / norte= en ⁡ norte λ=τen⁡norte. {\ Displaystyle t_ {1 / n} = {\ frac {\ ln n} {\ lambda}} = \ tau \ ln n.}

Ejemplo de carbono-14

El carbono 14 tiene una vida media de 5.730 años y una tasa de desintegración de 14 desintegraciones por minuto (dpm) por gramo de carbono natural.

Si se encuentra que un artefacto tiene una radiactividad de 4 dpm por gramo de su C actual, podemos encontrar la edad aproximada del objeto usando la ecuación anterior:

$$norte= norte 0 mi - t / τ, {\ Displaystyle N = N_ {0} \, e ^ {- t / \ tau},}

dónde: $$

norte norte 0=4 /14≈0,286, {\ Displaystyle {\ frac {N} {N_ {0}}} = 4/14 \ approx 0.286,}

$$τ= T 1 / 2 en ⁡ 2≈8267 {\ Displaystyle \ tau = {\ frac {T_ {1/2}} {\ ln 2}} \ approx 8267} años,

$$t=-τen⁡ norte norte 0≈10356 {\ Displaystyle t = - \ tau \, \ ln {\ frac {N} {N_ {0}}} \ approx 10356} años.

Cambio de tarifas

Se sabe que los modos de desintegración radiactiva de captura de electrones y conversión interna son ligeramente sensibles a los efectos químicos y ambientales que cambian la estructura electrónica del átomo, lo que a su vez afecta la presencia de electrones 1s y 2s que participan en el proceso de desintegración. Afecta a una pequeña cantidad de nucleidos, en su mayoría ligeros. Por ejemplo, los enlaces químicos pueden afectar la tasa de captura de electrones en un pequeño grado (en general, menos del 1%) dependiendo de la proximidad de los electrones al núcleo. En ⁷ Be se ha observado una diferencia del 0,9% entre las vidas medias en ambientes metálicos y aislantes. Esta relativamente grande efecto se debe a que el berilio es un pequeño átomo cuya electrones de valencia están en 2s orbitales atómicos, que están sujetas a la captura de electrones en ⁷ ser porque (como todos s orbitales atómicos de todos los átomos) que, naturalmente, penetran en el núcleo.

En 1992, Jung et al. del grupo Darmstadt Heavy-Ion Investigación observado un β acelerado ^-  descomposición de ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺. Aunque neutral ¹⁶³ Dy es un isótopo estable, el totalmente ionizado ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ sufre β ^-  caries en las cáscaras K y L a ¹⁶³ Ho ⁶⁶⁺ con una vida media de 47 días.

El renio-187 es otro ejemplo espectacular. ^{El 187} Re normalmente se desintegra en ¹⁸⁷ Os con una vida media de 41,6 × 10 ⁹  años, pero los estudios que utilizan átomos de ¹⁸⁷ Re completamente ionizados (núcleos desnudos) han encontrado que esto puede disminuir a solo 32,9 años. Esto se atribuye al " estado de enlace β ^- desintegración " del átomo completamente ionizado - el electrón se emite en la "capa K" ( orbital atómico 1s), lo que no puede ocurrir para los átomos neutros en los que todos los estados de enlace bajos son ocupado.

Ejemplo de variaciones diurnas y estacionales en la respuesta del detector de rayos gamma.

Varios experimentos han descubierto que las tasas de desintegración de otros modos de radioisótopos artificiales y naturales no se ven afectados, con un alto grado de precisión, por condiciones externas como la temperatura, la presión, el entorno químico y los campos eléctricos, magnéticos o gravitacionales. Comparación de experimentos de laboratorio durante el siglo pasado, estudios del reactor nuclear natural de Oklo (que ejemplificó los efectos de los neutrones térmicos en la desintegración nuclear) y observaciones astrofísicas de las desintegraciones de luminosidad de supernovas distantes (que ocurrieron muy lejos, por lo que la luz ha tomado una mucho tiempo para llegar a nosotros), por ejemplo, indican claramente que las tasas de descomposición no perturbadas han sido constantes (al menos dentro de las limitaciones de pequeños errores experimentales) en función del tiempo también.

Los resultados recientes sugieren la posibilidad de que las tasas de descomposición puedan tener una dependencia débil de los factores ambientales. Se ha sugerido que las mediciones de las tasas de desintegración del silicio 32, manganeso 54 y radio 226 exhiben pequeñas variaciones estacionales (del orden del 0,1%). Sin embargo, tales mediciones son altamente susceptibles a errores sistemáticos, y un artículo posterior no encontró evidencia de tales correlaciones en otros siete isótopos ( ²² Na, ⁴⁴ Ti, ¹⁰⁸ Ag, ¹²¹ Sn, ¹³³ Ba, ²⁴¹ Am, ²³⁸ Pu), y establece límites superiores al tamaño de dichos efectos. Se informó una vez que la desintegración del radón-222 exhibía grandes variaciones estacionales de pico a pico del 4% (ver gráfico), que se propuso estar relacionadas con la actividad de las erupciones solares o la distancia del Sol, pero un análisis detallado de los resultados del experimento. los defectos de diseño, junto con las comparaciones con otros experimentos mucho más estrictos y controlados sistemáticamente, refutan esta afirmación.

Anomalía GSI

Artículo principal: anomalía GSI

Una serie inesperada de resultados experimentales para la tasa de desintegración de iones radiactivos pesados ​​y altamente cargados que circulan en un anillo de almacenamiento ha provocado una actividad teórica en un esfuerzo por encontrar una explicación convincente. Se encuentra que las tasas de desintegración débil de dos especies radiactivas con vidas medias de aproximadamente 40 sy 200 s tienen una modulación oscilatoria significativa, con un período de aproximadamente 7 s. El fenómeno observado se conoce como anomalía GSI, ya que el anillo de almacenamiento es una instalación en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania. Como el proceso de desintegración produce un neutrino electrónico, algunas de las explicaciones propuestas para la velocidad de oscilación observada invocan propiedades del neutrino. Las ideas iniciales relacionadas con la oscilación del sabor se encontraron con escepticismo. Una propuesta más reciente implica diferencias de masa entre estados propios de masa de neutrinos.

Bases teóricas

Los neutrones y protones que constituyen los núcleos, así como otras partículas que se acercan lo suficiente a ellos, se rigen por varias interacciones. La fuerza nuclear fuerte, no observada en la escala macroscópica familiar, es la fuerza más poderosa en distancias subatómicas. La fuerza electrostática es casi siempre significativa y, en el caso de la desintegración beta, también está involucrada la fuerza nuclear débil.

Los efectos combinados de estas fuerzas producen una serie de fenómenos diferentes en los que la energía puede liberarse por reordenamiento de partículas en el núcleo, o bien por el cambio de un tipo de partícula a otro. Estos reordenamientos y transformaciones pueden verse obstaculizados enérgicamente para que no ocurran de inmediato. En ciertos casos, se teoriza que las fluctuaciones aleatorias del vacío cuántico promueven la relajación a un estado de menor energía (el "decaimiento") en un fenómeno conocido como efecto túnel cuántico. La vida media de desintegración radiactiva de los nucleidos se ha medido en escalas de tiempo de 54 órdenes de magnitud, desde 8,6 × 10 ⁻²³ segundos (para hidrógeno-5 ) a 7,1 × 10 ³¹ segundos (para telurio-128 ). Los límites de estas escalas de tiempo se establecen únicamente por la sensibilidad de la instrumentación, y no se conocen límites naturales sobre cuán breve o prolongada puede ser la vida media de la desintegración radiactiva de un radionúclido.

El proceso de desintegración, como todas las transformaciones de energía obstaculizadas, puede asimilarse a un campo de nieve en una montaña. Si bien la fricción entre los cristales de hielo puede soportar el peso de la nieve, el sistema es inherentemente inestable con respecto a un estado de menor energía potencial. Una perturbación facilitaría así el camino hacia un estado de mayor entropía ; el sistema se moverá hacia el estado fundamental, produciendo calor, y la energía total se distribuirá entre un mayor número de estados cuánticos, lo que resultará en una avalancha. La energía total no cambia en este proceso, pero, debido a la segunda ley de la termodinámica, las avalanchas solo se han observado en una dirección y es hacia el " estado fundamental ", el estado con el mayor número de formas en las que la disponibilidad la energía podría distribuirse.

Tal colapso (un evento de desintegración de rayos gamma) requiere una energía de activación específica. Para una avalancha de nieve, esta energía viene como una perturbación del exterior del sistema, aunque tales perturbaciones pueden ser arbitrariamente pequeñas. En el caso de un núcleo atómico excitado que se desintegra por radiación gamma en una emisión espontánea de radiación electromagnética, la perturbación arbitrariamente pequeña proviene de fluctuaciones cuánticas del vacío.

Un núcleo radiactivo (o cualquier sistema excitado en mecánica cuántica) es inestable y, por tanto, puede estabilizarse espontáneamente en un sistema menos excitado. La transformación resultante altera la estructura del núcleo y da como resultado la emisión de un fotón o una partícula de alta velocidad que tiene masa (como un electrón, una partícula alfa u otro tipo).

Ocurrencia y aplicaciones

Según la teoría del Big Bang, los isótopos estables de los cinco elementos más ligeros ( H, He y trazas de Li, Be y B ) se produjeron muy poco después de la aparición del universo, en un proceso llamado nucleosíntesis del Big Bang. Estos núclidos estables más ligeros (incluido el deuterio ) sobreviven hasta hoy, pero cualquier isótopo radiactivo de los elementos ligeros producidos en el Big Bang (como el tritio ) se ha desintegrado hace mucho tiempo. Los isótopos de elementos más pesados ​​que el boro no se produjeron en absoluto en el Big Bang, y estos primeros cinco elementos no tienen radioisótopos de larga duración. Así, todos los núcleos radiactivos son, por tanto, relativamente jóvenes con respecto al nacimiento del universo, habiéndose formado más tarde en varios otros tipos de nucleosíntesis en estrellas (en particular, supernovas ), y también durante interacciones en curso entre isótopos estables y partículas energéticas. Por ejemplo, el carbono 14, un nucleido radiactivo con una vida media de solo 5.730 años, se produce constantemente en la atmósfera superior de la Tierra debido a las interacciones entre los rayos cósmicos y el nitrógeno.

Los nucleidos producidos por la desintegración radiactiva se denominan nucleidos radiogénicos, sean ellos mismos estables o no. Existen nucleidos radiogénicos estables que se formaron a partir de radionucleidos extintos de corta duración en el sistema solar primitivo. La presencia adicional de estos nucleidos radiogénicos estables (como el xenón-129 del yodo-129 extinto) en el contexto de los nucleidos estables primordiales puede inferirse por varios medios.

La desintegración radiactiva se ha utilizado en la técnica de marcado radioisotópico, que se utiliza para rastrear el paso de una sustancia química a través de un sistema complejo (como un organismo vivo). Se sintetiza una muestra de la sustancia con una alta concentración de átomos inestables. La presencia de la sustancia en una u otra parte del sistema se determina detectando las ubicaciones de los eventos de desintegración.

Partiendo de la premisa de que la desintegración radiactiva es verdaderamente aleatoria (en lugar de simplemente caótica ), se ha utilizado en generadores de números aleatorios de hardware. Debido a que no se cree que el proceso varíe significativamente en mecanismo a lo largo del tiempo, también es una herramienta valiosa para estimar las edades absolutas de ciertos materiales. En el caso de los materiales geológicos, los radioisótopos y algunos de sus productos de desintegración quedan atrapados cuando una roca se solidifica, y luego pueden usarse (sujeto a muchas calificaciones bien conocidas) para estimar la fecha de solidificación. Estos incluyen comparar los resultados de varios procesos simultáneos y sus productos entre sí, dentro de la misma muestra. De manera similar, y también sujeta a calificación, se puede estimar la tasa de formación de carbono-14 en varias épocas, la fecha de formación de materia orgánica dentro de un cierto período relacionado con la vida media del isótopo, porque el carbono-14 queda atrapado cuando la materia orgánica crece e incorpora el nuevo carbono-14 del aire. A partir de entonces, la cantidad de carbono 14 en la materia orgánica disminuye de acuerdo con los procesos de descomposición que también pueden verificarse de forma independiente por otros medios (como verificar el carbono 14 en anillos de árboles individuales, por ejemplo).

Efecto Szilard-Chalmers

El efecto Szilard-Chalmers es la ruptura de un enlace químico como resultado de una energía cinética impartida por la desintegración radiactiva. Opera mediante la absorción de neutrones por un átomo y la posterior emisión de rayos gamma, a menudo con cantidades importantes de energía cinética. Esta energía cinética, según la tercera ley de Newton, empuja hacia atrás al átomo en descomposición, lo que hace que se mueva con suficiente velocidad para romper un enlace químico. Este efecto se puede utilizar para separar isótopos por medios químicos.

El efecto Szilard-Chalmers fue descubierto en 1934 por Leó Szilárd y Thomas A. Chalmers. Observaron que después del bombardeo de neutrones, la ruptura de un enlace en el yoduro de etilo líquido permitió eliminar el yodo radiactivo.

Orígenes de los nucleidos radiactivos

Artículo principal: Nucleosíntesis

Los nucleidos primordiales radiactivos que se encuentran en la Tierra son residuos de antiguas explosiones de supernovas que ocurrieron antes de la formación del sistema solar. Son la fracción de radionucleidos que sobrevivió desde ese momento, a través de la formación de la nebulosa solar primordial, a través de la acreción planetaria, y hasta la actualidad. Los radionúclidos radiogénicos de vida corta que se encuentran en las rocas actuales son hijas de esos nucleidos primordiales radiactivos. Otra fuente menor de nucleidos radiactivos naturales son los nucleidos cosmogénicos, que se forman por el bombardeo de material con rayos cósmicos en la atmósfera o corteza terrestre. La desintegración de los radionucleidos en las rocas del manto y la corteza terrestres contribuye significativamente al balance de calor interno de la Tierra.

Cadenas de descomposición y múltiples modos

Ver también: Valle de la estabilidad

El nucleido hijo de un evento de desintegración también puede ser inestable (radiactivo). En este caso, también se descompondrá, produciendo radiación. El segundo nucleido hijo resultante también puede ser radiactivo. Esto puede conducir a una secuencia de varios eventos de desintegración denominada cadena de desintegración (consulte este artículo para obtener detalles específicos de importantes cadenas de desintegración natural). Finalmente, se produce un nucleido estable. Cualquier desintegración secundaria que sea el resultado de una desintegración alfa también dará como resultado la creación de átomos de helio.

Espectro de energía de rayos gamma del mineral de uranio (recuadro). Los rayos gamma son emitidos por nucleidos en descomposición, y la energía de los rayos gamma se puede utilizar para caracterizar la descomposición (qué nucleido se está desintegrando a cuál). Aquí, utilizando el espectro de rayos gamma, se han identificado varios nucleidos que son típicos de la cadena de desintegración de ²³⁸ U: ²²⁶ Ra, ²¹⁴ Pb, ²¹⁴ Bi.

Un ejemplo es la cadena de desintegración natural de ²³⁸ U:

• El uranio-238 se desintegra, a través de la emisión alfa, con una vida media de 4.500 millones de años a torio-234.
• que decae, por emisión beta, con una vida media de 24 días a protactinio-234
• que decae, por emisión beta, con una vida media de 1,2 minutos a uranio-234
• que decae, por emisión alfa, con una vida media de 240 mil años a torio-230
• que decae, por emisión alfa, con una vida media de 77 mil años a radio-226
• que decae, por emisión alfa, con una vida media de 1.6 mil años a radón-222
• que decae, por emisión alfa, con una vida media de 3.8 días a polonio-218
• que decae, a través de la emisión alfa, con una vida media de 3,1 minutos a plomo-214
• que decae, por emisión beta, con una vida media de 27 minutos a bismuto-214
• que decae, por emisión beta, con una vida media de 20 minutos a polonio-214
• que decae, a través de la emisión alfa, con una vida media de 160 microsegundos a plomo-210
• que decae, por emisión beta, con una vida media de 22 años a bismuto-210
• que decae, por emisión beta, con una vida media de 5 días a polonio-210
• que decae, por emisión alfa, con una vida media de 140 días a plomo-206, que es un nucleido estable.

Algunos radionucleidos pueden tener varias vías de desintegración diferentes. Por ejemplo, aproximadamente el 36% del bismuto-212 se desintegra, a través de la emisión alfa, a talio-208, mientras que aproximadamente el 64% del bismuto-212 se desintegra, a través de la emisión beta, al polonio-212. Tanto el talio-208 como el polonio-212 son productos descendientes radiactivos del bismuto-212, y ambos se desintegran directamente en plomo-208 estable.

Señales de advertencia de peligro

• 

  El símbolo del trébol se utiliza para advertir de la presencia de material radiactivo o radiación ionizante.

• 

  2007 Símbolo ISO de peligro de radiactividad destinado a las fuentes de las categorías 1, 2 y 3 del OIEA definidas como fuentes peligrosas que pueden causar la muerte o lesiones graves.

• 

  El signo de clasificación de transporte de mercancías peligrosas para materiales radiactivos

Ver también

• Actínidos en el medio ambiente
• Radiación de fondo
• desastre de Chernobyl
• Delitos relacionados con sustancias radiactivas
• Corrección de la descomposición
• Refugio nuclear
• contador Geiger
• Radiactividad inducida
• Listas de desastres nucleares e incidentes radiactivos
• Consejo Nacional de Medidas y Protección Radiológica
• Ingeniería Nuclear
• Farmacia nuclear
• Física nuclear
• La energía nuclear
• Desintegración de partículas
• Proceso de Poisson
• Terapia de radiación
• Contaminación radioactiva
• Radiactividad en biología
• Datación radiométrica
• Equilibrio transitorio

  Portal de tecnología nuclear Portal de física  

Notas

Referencias

En línea

General

• "Radiactividad", Encyclopædia Britannica. 2006. Encyclopædia Britannica Online. 18 de diciembre de 2006
• Radioactividad por Ernest Rutherford Phd, Encyclopædia Britannica undécima edición

enlaces externos

La Geología histórica de Wikibook tiene una página sobre el tema: Desintegración radiactiva

Busque la radiactividad en Wiktionary, el diccionario gratuito.

• Búsqueda de datos nucleares de Lund / LBNL : contiene información tabulada sobre tipos y energías de desintegración radiactiva.
• Nomenclatura de la química nuclear
• Actividad específica y temas relacionados.
• Gráfico en tiempo real de nucleidos - OIEA
• Gráfico interactivo de nucleidos
• Sitio web de educación pública de la Sociedad de Física de la Salud
• Playa, Chandler B., ed. (1914). "Rayos Becquerel" . La obra de referencia del nuevo alumno . Chicago: FE Compton and Co.
• Bibliografía comentada sobre radiactividad de la Biblioteca digital de Alsos para cuestiones nucleares
• Applet estocástico de Java sobre la desintegración de átomos radiactivos por Wolfgang Bauer
• Simulación de flash estocástico sobre la desintegración de átomos radiactivos por David M. Harrison
• "Henri Becquerel: El descubrimiento de la radiactividad", artículos de Becquerel de 1896 en línea y analizados en BibNum [haga clic en 'à télécharger' para la versión en inglés].
• "Cambio radiactivo", artículo de Rutherford amp; Soddy (1903), en línea y analizado en Bibnum [haga clic en 'à télécharger' para la versión en inglés].