Química nuclear
La química nuclear estudia los cambios que ocurren en el núcleo atómico: transformaciones de unos elementos en otros, emisión de radiación y liberación de cantidades de energía millones de veces mayores que las de las reacciones químicas ordinarias.
El núcleo y los nucleidos
- El núcleo contiene protones (Z) y neutrones (N); A = Z + N es el número másico.
- Un nucleido es un núcleo concreto, escrito como ᴬZX (p. ej. ²³⁵U).
- Isótopos: mismo Z, distinto N (¹H, ²H, ³H).
- La estabilidad depende de la relación N/Z y de los números mágicos (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).
Defecto de masa y energía de enlace
La masa de un núcleo es menor que la suma de sus nucleones libres. Esa diferencia (defecto de masa, Δm) se convirtió en energía al formarse el núcleo:
- La energía de enlace por nucleón es máxima alrededor del hierro-56 → núcleos más estables.
- Núcleos ligeros liberan energía al fusionarse; los pesados, al fisionarse.
Radiactividad: tipos de desintegración
| Tipo | Emisión | Cambio en Z | Cambio en A | Penetración |
|---|---|---|---|---|
| Alfa (α) | Núcleo de He (⁴₂He) | −2 | −4 | Baja (papel) |
| Beta menos (β⁻) | Electrón (n → p) | +1 | 0 | Media (aluminio) |
| Beta más (β⁺) | Positrón (p → n) | −1 | 0 | Media |
| Captura electrónica | Captura e⁻ (p → n) | −1 | 0 | — |
| Gamma (γ) | Fotón de alta energía | 0 | 0 | Alta (plomo) |
Ejemplos:
²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He (α)
¹⁴C → ¹⁴N + e⁻ + ν̄ (β⁻)
Cinética de la desintegración
La desintegración es un proceso aleatorio de primer orden:
- La vida media (t½) es el tiempo en que se desintegra la mitad de los núcleos; es constante para cada nucleido.
- Tras n vidas medias queda una fracción (1/2)ⁿ.
Datación radiométrica
- Carbono-14 (t½ ≈ 5730 años): materia orgánica de hasta ~50 000 años.
- U-Pb y K-Ar: rocas de millones a miles de millones de años.
- Base de la cronología absoluta en geología (ver Métodos de datación).
Fisión nuclear
Un núcleo pesado se divide en fragmentos más ligeros liberando neutrones y energía:
²³⁵U + n → ⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3 n + energía
- Los neutrones liberados provocan una reacción en cadena.
- Masa crítica: cantidad mínima de fisil para sostener la cadena.
- En reactores la cadena se controla con barras moderadoras; en armas es descontrolada.
Fusión nuclear
Núcleos ligeros se unen formando uno más pesado:
²H + ³H → ⁴He + n + energía
- Fuente de energía de las estrellas (cadena protón-protón, ciclo CNO).
- Requiere temperaturas de millones de grados (plasma).
- Investigación terrestre: reactores tipo tokamak (ITER).
Series de desintegración
Un nucleido inestable decae en cadena por pasos α y β hasta un isótopo estable de plomo (series del uranio, torio y actinio).
Aplicaciones y riesgos
- Medicina: PET (¹⁸F, emisor β⁺), radioterapia (⁶⁰Co), trazadores (⁹⁹ᵐTc).
- Energía: centrales de fisión; perspectiva de la fusión.
- Riesgos: radiación ionizante daña el ADN; gestión de residuos de larga vida; protección con blindaje, distancia y tiempo.