Química Nuclear: Desintegración, Fisión y Fusión
Alfa, beta, gamma — los tres tipos clásicos de desintegración. Problemas de vida media, balanceo de ecuaciones nucleares y la diferencia entre fisión (dividir núcleos pesados) y fusión (unir núcleos ligeros). Además, cómo los radioisótopos sirven a la medicina y a la datación.
Tres modos clásicos de desintegración
Algunos núcleos son inestables y se desintegran espontáneamente, emitiendo radiación. Los tres tipos principales:
| Tipo | Símbolo | Qué es | Cambio en el padre |
|---|---|---|---|
| Alfa (α) | ⁴₂He | Núcleo de helio-4 (2p + 2n) | Masa −4, N° atómico −2 |
| Beta (β⁻) | ⁰₋₁e | Electrón de alta velocidad | Masa igual, N° atómico +1 |
| Gamma (γ) | γ | Fotón de alta energía | Sin cambio de masa ni de N° |
Mecanismo de la desintegración beta: un neutrón se convierte en protón + electrón emitido (la partícula beta). Así, el número másico se mantiene (n se vuelve p, sigue habiendo 1 nucleón), pero el número atómico aumenta en 1.
Poder de penetración (de menor a mayor)
Alfa < Beta < Gamma.
- Alfa: la detiene un papel o la piel
- Beta: la detiene una lámina de aluminio o ropa gruesa
- Gamma: requiere plomo grueso u hormigón
Sin embargo, la alfa es la MÁS DAÑINA si se ingiere o se inhala, porque deposita toda su energía en una región pequeña de tejido. La alfa externa es inofensiva; la interna es peligrosa.
Balanceo de ecuaciones nucleares
Se conservan DOS cantidades en ambos lados:
- Número másico total (los números de arriba)
- Número atómico total (los números de abajo)
Ejemplo — desintegración alfa del uranio-238:
²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
Verifica: masa 238 = 234 + 4 ✓; atómico 92 = 90 + 2 ✓.
Ejemplo — desintegración beta del carbono-14:
¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e
Verifica: masa 14 = 14 + 0 ✓; atómico 6 = 7 + (−1) ✓.
Vida media — la velocidad de desintegración radiactiva
La vida media es el tiempo necesario para que la MITAD de una muestra radiactiva se desintegre. Es constante para cada isótopo — independiente de la temperatura, la presión, el estado químico o el tamaño de la muestra.
Seguimiento de la desintegración: partiendo de N átomos, después de n vidas medias quedan
restantes = N × (1/2)ⁿ
Las vidas medias varían enormemente:
- Polonio-214: 164 microsegundos
- Yodo-131: 8 días (se usa en medicina tiroidea)
- Carbono-14: 5,730 años (se usa en datación por radiocarbono)
- Uranio-238: 4,500 millones de años
Ejemplo: una muestra de 100 g con vida media de 10 años. Tras 30 años (= 3 vidas medias), quedan = 100 × (1/2)³ = 100 × 1/8 = 12.5 g.
Datación radiométrica
La constancia de la vida media convierte a los isótopos radiactivos en relojes. Los organismos vivos intercambian carbono con el ambiente, manteniendo una razón constante de C-14 a C-12. Cuando el organismo muere, el C-14 empieza a desintegrarse sin reposición. Midiendo el C-14 remanente, los científicos pueden estimar cuándo ocurrió la muerte — útil para muestras orgánicas de hasta ~50,000 años (≈10 vidas medias).
Para muestras más antiguas (rocas), se usan isótopos de vida media más larga: potasio-40, uranio-238, rubidio-87.
Fisión vs fusión
Fisión — un núcleo PESADO se divide en fragmentos más pequeños + neutrones + una energía enorme. Se usa en centrales nucleares y en bombas atómicas. Combustible común: el uranio-235 absorbe un neutrón, se vuelve inestable y se rompe.
Una fisión de U-235 libera ~200 MeV — cerca de un millón de veces más energía por átomo que una reacción química típica. Los neutrones liberados pueden dividir más U-235 y crear una reacción en cadena. Las barras de control (boro, cadmio) absorben el exceso de neutrones para mantener la reacción estable.
Fusión — núcleos LIGEROS (como el hidrógeno) se combinan en uno más pesado + energía. Alimenta a las estrellas, incluido nuestro Sol (~10⁷ kg de hidrógeno fusionados por segundo). La fusión libera aún más energía por gramo que la fisión, pero requiere temperaturas extremas (millones de Kelvin) para vencer la repulsión electrostática. Las bombas de hidrógeno usan fusión; la fusión controlada para generar energía sigue siendo experimental.
Tanto la fisión como la fusión liberan energía porque los productos tienen algo menos de masa que los reactivos — la masa "faltante" se convierte en energía mediante E = mc² de Einstein.
Aplicaciones en el mundo real
- Medicina: I-131 (tiroides), Tc-99m (imágenes PET, gammagrafía ósea), Co-60 (radioterapia contra el cáncer)
- Industria: Detectores de humo (fuente alfa de Am-241), medidores de grosor, esterilización de alimentos
- Energía: reactores nucleares que emplean U-235 o Pu-239
- Datación: C-14 para lo orgánico, K-40 y U-238 para rocas