El tiempo de vida media o “semivida” T1/2 es el tiempo necesario para la que al cantidad de núcleos radiactivos disminuya hasta la mitad del número original N0. Así, la mitad de núcleos radiactivos que restan se desintegrará durante un segundo intervalo T1/2 y así sucesivamente.
Para obtener la relación entre la vida media T1/2 y la constante de decaimiento λ, se iguala N(t)/N0 = ½, y t = T1/2 en la ecuación exponencial (*) y el resultado es:
Sacando logaritmos de ambos lados y despejando T1/2, tenemos que:
La duración promedio, o vida media Tmedia, que en general se llama tiempo de vida de un núcleo o partícula inestables es proporcional a la vida media T1/2:
(tiempo de vida Tmedia, constante de decaimiento λ y vida media T1/2)
En la física de partículas, la vida de una partícula inestable se describe en general por el tiempo de vida, y no por la vida media.
Tiempo de vida media de algunas partículas.
Con estas ecuaciones no demasiados complejas, es posible determinar cuál será la vida media de los núclidos que se investiguen. La siguiente tabla muestra datos sobre los núclidos más usuales:
TIPO DE EMISIÓN RADIACTIVA Y T1/2 DE ALGUNOS RADIOISÓTOPOS
NÚCLIDOS
T1/2
PARTÍCULA EMITIDA
3H
12,26 años
β–
14C
5.730 años
β–; γ
32P
14,3 días
β–
35S
88 días
β–
NÚCLIDOS
T1/2
PARTÍCULA EMITIDA
36Cl
3,1 x 105 años
β–; β+
99Tc
2,2 x 105 años
β–
131I
8,070 días
β–
87Rb
5 x 1011 años
β–
40K
1,28 x 109 años
β–; β+; Captura de e–
238U
4,51 x 109 años
α
235U
7,1 x 108 años
α
234U
200.000 años
α
239Pu
24.000 años
α; γ
137Cs
30 años
β; γ
60Co
5 años
β; γ
143Ba
12 segundos
β
213Po
4 x 10-6 segundos
α
Te recomendamos la lectura previa de los primeros tres artículos de la serie Radiactividad:
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Fuentes:
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
Distintas investigaciones posteriores a las de Marie y Pierre Curie demostraron que estas tres radiaciones no eran emitidas simultáneamente por todas las sustancias radiactivas. Algunos elementos emiten partículas alpha, otras partículas beta, mientras que los rayos gamma acompañan unas veces a las unas y otras veces a las otras. Además, ningún proceso sencillo macroscópico, físico o químico, como elevación o disminución de temperatura, combinación química con otras sustancias no radiactivas, etc., puede modificar o alterar de ninguna forma la actividad de una muestra dada. Fue esta observación la que dio origen a la hipótesis inicial de que la radiactividad es un proceso nuclear y que, como se ha mostrado, conlleva a la transmutación de los elementos, tema al que se volverá cuando se desarrolle aquí la radiactividad artificial.
Si hiciéramos una gráfica de los núclidos estables indicándolos con puntos, donde se grafiquen N y Z para cada núclido, obtendríamos la llamada Gráfica de Segré[note]Emilio Segré fue un físico ítalo-estadounidense nacido en 1905 y fallecido en 1989.[/note].
Gráfica de Sagré de los núclidos estables.
Figura 1[note]From: Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics. Estados Unidos: Addison-Wesley. [/note].
Cada línea azul perpendicular a la línea N = Z representa un valor específico del número de masa A = Z + N. La mayor parte de las líneas de A constante sólo pasan por uno o dos núcleos estables; esto es, en general hay un intervalo muy pequeño de estabilidad para determinado número de masa. Son ejemplos las líneas trazadas en los siguientes números másicos: A = 20, A = 40, A = 60 y A = 80. En cuatro casos, las líneas pasan por tres núclidos estables, que son con A = 96, 124, 130 y 136. Nuestros cuatro núclidos estables tienen Z impar y N impar, al mismo tiempo:
Se llaman núclidos impar-impar. La ausencia de otros núclidos impar-impar demuestra la influencia del apareamiento. Además, no hay núclido estable con A = 5 o A = 8. El núcleo 4He con Z = 2, con un par de protones y un par de neutrones, no tiene interés en aceptar una quinta partícula en su estructura. Los conjuntos de ocho nucleones decaen en núclidos menores, y un núcleo de berilio con A = 8 y Z = 4 decae de inmediato, dividiéndose en dos núcleos de 4He con Z = 2.
Los puntos de la gráfica de Segré que representan núclidos estables definen una región relativamente delgada de estabilidad. Para bajos números de masa, las cantidades de protones y neutrones son aproximadamente iguales, N ≈ Z. La relación N/Z aumenta en forma gradual al aumentar A, hasta aproximadamente 1,6 a números de masas más grandes, debido a la influencia creciente de la repulsión eléctrica de los protones. Los puntos a la derecha de la región de estabilidad representan núclidos que tienen demasiados protones en relación con los neutrones, para ser estables. En esos casos gana la repulsión, y el núcleo se divide. A la izquierda están los núclidos con demasiados neutrones en relación con los protones. En esos casos, la energía asociada con los neutrones está desbalanceada con la asociada a los protones, y los núclidos decaen en un proceso que convierte los neutrones en protones. La gráfica muestra también que no hay un núclido con A > 209 o con Z > 83 que sea estable. Un núcleo es inestable si es demasiado grande. También se observa que no hay núclido estable con un número atómico igual a 43 (tecnecio) o 61 (prometio).
Por tanto, la energía potencial eléctrica (positiva) del núcleo aumenta aproximadamente como Z2, mientras que el aumento de la energía potencial nuclear (negativa) es alrededor de A, con correcciones para los efectos del apareamiento. Así, la competencia entre las fuerzas eléctrica y nuclear explica el hecho de que la razón entre protones y neutrones en núcleos estables aumente con Z, y también de que exista un A máximo (y un Z máximo) para la estabilidad. Con mayor A, la energía eléctrica por nucleón crece más deprisa que la energía nuclear por nucleón, hasta alcanzar el punto en el que la estabilidad es imposible.
Como se ha nombrado anteriormente, una serie de decaimiento es la secuencia de desintegración por pasos comenzando con un núcleo radiactivo original. El esquema de la figura 2 se conoce como la serie de decaimiento del Uranio.
Los sismos se deben en parte al decaimiento radiactivo del 238U en el interior de la Tierra. Los decaimientos liberan energía que contribuye a producir corrientes de convección en el interior. Esas corrientes provocan movimientos en la corteza terrestre, incluyendo las sacudidas fuertes y súbitas que llamamos sismos.
Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado, H3+, se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular provocada por los rayos cósmicos. Esta molécula es relativamente estable en el medio del espacio exterior debido a las bajas temperaturas y densidad. El H3+ es uno de los iones más abundantes del universo, y juega un rol notable en la química del medio interestelar.
Es posible que se presente una serie de decaimientos sucesivos, hasta alcanzar una configuración estable. En la naturaleza se encuentran varias series de ésas. El núclido radiactivo más abundante en la Tierra es el 238U, que sufre una serie de 14 desintegraciones, incluyendo ocho emisiones α y seis emisiones β–, y termina en un isótopo estable de plomo, 206Pb.
Una serie de desintegraciones radiactivas se puede representar en una gráfica de Segré, como se observa arriba. El número de neutrones N se grafica verticalmente y el número atómico Z horizontalmente. En una emisión alpha, tanto N como Z disminuyen en dos. En una emisión β–, N disminuye en uno y Z aumenta en uno.
Las desintegraciones también se pueden representar en forma de ecuación. Los dos primeros decaimientos en la serie se escriben como sigue:
O de forma más abreviada como:
En el segundo proceso, el decaimiento beta produce el núcleo derivado 234Pa en un estado excitado, desde donde decae al estado fundamental emitiendo un fotón de rayo gamma. Un estado excitado se indica con un asterisco, por lo que la emisión gamma se puede representar como sigue:
Una propiedad importante de la serie de decaimiento de 238U es la ramificación n que se presenta en el 214Bi. Este núclido decae a 210Pb emitiendo una α y una β–, lo cual puede suceder en cualquier orden. También se observa que en la serie hay isótopos inestables de varios elementos que también tienen isótopos estables, como el talio (Tl), plomo (Pb) y bismuto (Bi). Los isótopos inestables de esos elementos que hay en la serie 238U tienen todos demasiados neutrones para ser estables.
Se conocen muchas otras series de desintegración. Dos de ellas existen en la naturaleza: una comienza con el raro isótopo 235U y termina en 207Pb; la otra comienza con el torio (232Th) y termina en el 208Pb.
La tasa de decaimiento varía dentro de un margen extremadamente amplio, para diferentes núclidos. Ningún cambio en el ambiente físico o químico (por ejemplo, reacciones químicas, calentamiento o enfriamiento) afecta la rapidez de decaimiento. No hay forma de predecir cuándo se desintegrará determinado núcleo.
¿Cómo hallar la cantidad de núcleos restantes en una desintegración radiactiva?
No obstante, es posible estimar la cantidad de núcleos restantes, llamada N(t) en una desintegración en función del tiempo, a partir de una función exponencial sencilla donde se tiene en cuenta valores como un N0= N(0) y un λ que se llama constante de decaimiento, constante radiactiva o coeficiente de decaimiento, teniendo éste distintos valores para núclidos diferentes:
Te recomendamos la lectura previa de los primeros dos artículos de la serie Radiactividad:
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
Portada: Los rayos alpha, rayos beta y rayos gamma explicados- Ensamble de Ideas
RAYOS ALPHA
Una partícula alpha (α) es un núcleo 4He, con dos protones y dos neutrones enlazados entre sí, con espín total cero. La emisión alpha se presenta principalmente en núcleos que son demasiado grandes para ser estables. Cuando un núcleo emite una partícula alpha, sus valores de N (número de neutrones) y Z (número de protones) disminuyen cada uno en dos, y A (número másico) disminuye en cuatro.
Un ejemplo conocido de los emisores alpha es el elemento radio (de número atómico igual a 88 y número másico igual a 226), que decae al elemento radón (de Z = 86 y A = 222) por emisión alpha. La velocidad de la partícula α emitida, determinada a partir de la curvatura de su trayectoria en un campo magnético transversal, es de 1,52 x 107 m/s. Esta rapidez, aunque es elevada, sólo es el 5% de la rapidez de la luz; es decir, tienen un poder de penetración bajo debido a la baja velocidad.
Te recomendamos la lectura previa del primer artículo de la serie:RADIACTIVIDAD
Por su carga y su masa, las partículas alpha sólo pueden recorrer algunos centímetros en el aire, o algunos décimos o centésimos de milímetro en los sólidos antes de quedar en reposo debido a las colisiones. Al mismo tiempo, si las partículas alpha chocan con los electrones periféricos de algún átomo, pueden arrancarlos y provocar la ionización atómica. Decimos que las partículas α tienen un alto poder ionizante.
Algunos núcleos pueden decaer en forma espontánea emitiendo partículas alpha, porque se libera energía en esta desintegración. El decaimiento alfa es posible siempre que la masa del átomo neutro original sea mayor que la suma de las masas del átomo neutro final y el átomo neutro de 4He.
Para las primeras mediciones de la carga de la partícula α se utilizó un dispositivo denominado contador de Geiger, todavía importante en física moderna.
Para las primeras mediciones de la carga de la partícula α se utilizó un dispositivo denominado contador de Geiger[note]Es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar, inventado por Hans Geiger y Ernest Rutherford en 1908. La versión actual fue desarrollada por Sidney Liebson en 1947.[/note], todavía importante en física moderna.
Un contador de Geiger consta de un cilindro metálico y de un cable dispuesto a lo largo de un eje. El cilindro contiene un gas, como aire o argón (Ar) a una presión entre 50 y 100 mmHg. Entre el cable y la pared del cilindro hay una diferencia de potencial ligeramente inferior a la necesaria para producir una descarga. Las partículas α pueden entrar a través de una ventana de vidrio delgado o de mica. La partícula que entra en el contador produce la ionización de las moléculas del gas. Estos iones son acelerados por el campo eléctrico y producen más iones por colisiones, estableciendo rápidamente la corriente de ionización. Sin embargo, la corriente decae muy deprisa, pues la constante de tiempo del circuito es pequeña. Hay, por lo tanto, un impulso de corriente momentánea. La diferencia de potencial momentánea puede ser amplificada para hacer avanzar un contador electrónico o activar un integrador.
Colocando una masa conocida de radio a una distancia determinada de la ventana de un contador de Geiger, Rutherford y Geiger contaron el número de partículas alpha emitidas en un intervalo de tiempo conocido. Hallaron que un gramo de radio emitía 3,57 x 1010 partículas α por segundo. Después dejaron incidir las partículas alpha procedentes de la misma fuente sobre una lámina y midieron el ritmo de aumento de su carga. Dividiendo este aumento de carga por segundo entre el número de partículas emitidas por segundo, Rutherford[note]Ernest Rutherford nació en Nueva Zelanda, el 30 de agosto de 1871, y falleció en Reino Unido el 19 de octubre de 1937. Ganó el Premio Nobel de Química por sus investigaciones relativas a la desintegración de los elementos. Lleva el nombre de uno de los modelos atómicos, con el que probó la existencia del núcleo.[/note] y Geiger[note]Johannes (Hans) Wilhelm Geiger nació en Neustadt el 30 de septiembre de 1882. Fue un físico alemán miembro del “Club del Uranio”, el grupo de científicos que buscaron, sin éxito, crear la bomba atómica alemana. Su lealtad al partido nazi lo llevó a tracionar a varios colegas judíos. Falleció en Potsdam, el 24 de noviembre de 1945, meses después del fin de la Segunda Guerra Mundial.[/note] determinaron que la carga de una partícula alpha era 3,19 x 10-19 C[note]El Coulomb (C) se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica, es decir, alrededor de 6,241506 x 1018 veces la carga de un electrón (e–)[/note].
. Al momento de determinar la masa de una partícula α, se llegó a la conclusión de que era de 6,62 x 10-27 kg, casi exactamente cuatro veces la masa de un átomo de hidrógeno (H).
RAYOS BETA
Por otro lado, los denominados rayos beta también están constituidos por haces de partículas, por eso estos rayos son llamados partículas beta (β). Hay tres clases distintas y sencillas de decaimiento beta: beta menos, beta más y captura de electrón. Aunque son emitidas por el núcleo, las partículas beta negativas o partículas beta menos (β-) resultan idénticas a los electrones, es decir que tienen carga iguala -1 y su masa es unas siete mil veces más pequeña que las partículas alpha. No es obvio cómo puede un núcleo emitir un electrón, si en el núcleo no hay electrones. La emisión de una beta menos implica la transformación de un neutrón en un protón, un electrón y una tercera partícula llamada antineutrino. De hecho, si se libera un neutrón de un núcleo, decaerá en un protón, un electrón y un antineutrino, en un tiempo promedio de 15 minutos.
Las velocidades de las partículas beta llegan hasta a 0,9995 de la velocidad de la luz, por lo que su movimiento es muy relativista. Son emitidas con un espectro continuo de energía. A diferencia de las partículas α, que son emitidas por un núcleo dado con una velocidad o unas cuantas velocidades definidas, las partículas β son emitidas con velocidades que varían de un modo continuo desde cero hasta un valor máximo que depende de la naturaleza del núcleo emisor. Eso no sería posible si las únicas dos partículas fueran la beta menos y el núcleo en retroceso, ya que en ese caso la conservación de la energía y la cantidad de movimiento indicarían una velocidad definida de la beta menos.
Así, debe haber una tercera partícula implicada. De acuerdo con la conservación de la carga, esa partícula debe ser neutra, y de acuerdo con la conservación de la cantidad de movimiento angular, debe ser una con espín -1/2.
Figura 2[note]From: https://cuentos-cuanticos.com/tag/desintegracion-gamma/[/note].Las radiaciones α son frenadas por una hoja de papel; las β por una lámina de aluminio (13Al); y los rayos γ, sólo por un grueso bloque de plomo (82Pb).
Los rayos, los rayos beta y los rayos gamma explicados. Figura iliustrativa
Esta tercera partícula es un antineutrino, la antipartícula de un neutrino. El símbolo asignado del neutrino es νe (la letra griega “nu”). Tanto el neutrino como el antineutrino tienen carga cero y masa despreciable y, en consecuencia, producen muy pocos efectos observables al atravesar la materia. Ambas evadieron su detección hasta 1953, cuando Frederick Reines[note]Frederick Reines nació el 16 de marzo de 1918 y murió el 26 de agosto de 1998. Fue un físico estadounidense que ganó el Premio Nobel de Física en 1995, considerado el único científico en la historia íntimamente asociado con el descubrimiento y la subsiguiente investigación de una partícula elemental, el neutrino.[/note] y Clyde Cowan[note]Clyde Lorrain Cowan Jr. (nacido el 6 de diciembre de 1919 y fallecido el 24 de mayo de de 1974) recibió el Premio Nobel de Física en 1995 por sus estudios de las partículas subatómicas.[/note] pudieron observar en forma directa al antineutrino. Ahora sabemos que hay al menos tres variedades de neutrinos, cada una con su antineutrino correspondiente; una se asocia con el decaimiento beta, y las otras dos se asocian con el decaimiento de dos partículas inestables, el muón y la partícula tau.
El decaimiento beta menos suele presentarse con núclidos para los que la relación de neutrones a protones N/Z es muy grande para tener estabilidad. En el decaimiento β-, N disminuye en uno, Z aumenta en uno y A no cambia. De acuerdo con la conservación de la masa-energía, el decaimiento beta menos puede ocurrir siempre que la masa atómica neutra del átomo original sea mayor que la del átomo final.
Un ejemplo de un emisor beta menos es el cobalto 60, de número de protones igual a 27, aunque es imposible predecir con precisión cómo se compartirá la energía en el decaimiento de determinado núcleo de dicho cobalto.
Entonces, se puede afirmar que el decaimiento β- sucede con núclidos que tienen una relación N/Z, de neutrones a protones, muy grande. Los núclidos en los que N/Z es muy pequeña para tener estabilidad pueden emitir un positrón, la antipartícula del electrón, que es idéntica al electrón pero tiene carga positiva. El proceso básico se llama decaimiento beta más (β+). El decaimiento beta puede presentarse siempre que la masa atómica neutra del átomo original es al menos dos masas de electrón mayor que la del átomo final.
El tercer tipo de decaimiento beta es la captura de electrón. Hay unos núclidos para los que la emisión β+ no es posible desde el punto de vista de la energía, pero en los que un electrón orbital (normalmente en la capa K) se puede combinar con un protón en el núcleo, formando un neutrón y un neutrino. El neutrón se queda en el núcleo, y se emite el neutrino. La captura de electrón puede presentarse siempre que la masa atómica neutra del átomo original sea mayor que la del átomo final.
En todos los tipos de decaimiento beta, el número másico permanece constante. Sin embargo, en el decaimiento beta más y en la captura de electrón, el número de neutrones aumenta en uno y el número atómico disminuye en uno, y la razón neutrones/protones aumenta hacia un valor más estable. Las reacciones de decaimiento beta suceden dentro del núcleo.
RAYOS GAMMA
Ahora bien, es importante aclarar que la energía del movimiento interno en un núcleo está cuantizada. Un núcleo normal tiene un conjunto de niveles permitidos de energía, que incluyen un estado fundamental (estado de mínima energía) y varios estados excitados. En las transformaciones físicas y químicas ordinarias, el núcleo siempre permanece en su estado fundamental. Cuando un núcleo se pone en un estado excitado, ya sea por bombardeo con partículas de alta energía o por una transformación radiactiva, puede decaer al estado fundamental emitiendo uno o más fotones, llamados rayos gamma o fotones de rayos gamma, comúnmente con energías entre 10 keV y 5 MeV[note]Un electronvoltio (eV) es una unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio, por lo que equivale, en unidades básicas del Sistema Internacional, a 1,60 x 10-19 J[/note].
. A este proceso se le llama decaimiento gamma (γ).
Un ejemplo para comprender la emisión de rayos gamma es el siguiente:
Las partículas alfa emitidas por el 226Ra tienen dos energías cinéticas posibles: o bien 4,784 MeV o 4,602 MeV. Incluyendo la energía de retroceso del núcleo de 222Rn resultante, corresponden a una energía total liberada de 4,871 MeV o 4,685 MeV, respectivamente. Cuando se emite una partícula alpha con la menor energía, el núcleo de 222Rn queda en un estado excitado. El espectro de rayos γ de cualquier elemento es un espectro de líneas, lo que sugiere la emisión del fotón de rayo gamma. De esta manera, decae a su estado fundamental, con un fotón de rayo gamma con energía igual a (4,871 – 4,685) MeV = 0,186 MeV.
Tanto el decaimiento alpha como en el beta, el valor de Z de un núcleo cambia, y el núcleo de un elemento se transforma en el núcleo de un elemento diferente. En el decaimiento gamma, el elemento no cambia; sólo el núcleo pasa de un estado excitado a uno menos excitado.
Como los rayos gamma no son desviados por un campo magnético, no pueden estar constituidos por partículas cargadas. Sin embargo, son difractados en la superficie de un cristal de forma similar a los rayos X[note]La longitud de onda de los rayos X está entre 0,1 y 10 nanómetros, correspondiendo a frecuencias de 50 a 5000 veces la frecuencia de la luz visible. Son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que los rayos γ. La diferencia fundamental con los rayos γ es su origen: los rayos γ son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de e-.[/note], pero con ángulos de difracción extremadamente pequeños. Experimentos de esta clase conducen a la conclusión de que los rayos gamma son en realidad ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta, aproximadamente 1/100 de la de los rayos X.
Al ser ondas electromagnéticas idénticas a la de la luz, pero con un contenido energético muy superior (es decir que la naturaleza de los rayos gamma es muy distinta a la de los rayos alpha y beta), hacen que estos rayos, desprovisto de masa, sean muy veloces y capaces de atravesar la materia sin ionizarla y de realizar amplios recorridos sin que los frene ningún obstáculo. Son muy penetrantes (para detenerlos, hay que interponer en su camino una gruesa lámina de plomo o una pared de cemento de tres metros de espesor).
Conclusión acerca de los rayos alpha, beta y gamma
En términos de energía, la radiación gamma es la más energética, seguida por la radiación beta y luego la radiación alfa.
La radiación alfa consiste en partículas alfa, que son núcleos de helio (dos protones y dos neutrones) y tienen una carga eléctrica positiva. Son las menos penetrantes pero pueden ser peligrosas si se ingieren o inhalan, ya que pueden dañar el tejido humano.
La radiación beta consiste en electrones (beta negativa) o positrones (beta positiva) de alta energía. Son más penetrantes que la radiación alfa, pero menos que la radiación gamma.
La radiación gamma consiste en fotones de alta energía y es la más penetrante de las tres. Puede atravesar materiales densos y es la más peligrosa para los seres humanos en términos de exposición externa, ya que puede penetrar fácilmente en el cuerpo y causar daños en el tejido celular.
Fuentes:
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
Los rayos alpha, los rayos beta y los rayos gamma – Ensamble de Ideas – Copyright MMXXII
El artículo se desarrollará a partir de importantes ejes: la descripción de radiactividad natural y radiactividad artificial, sus usos en las ciencias modernas mundiales y losefectos que produce la radiactividad en el ser humano. Se irán presentando, a veces superponiendo unos con otros, a medida que se considere necesario detallarlos y explicarlos para la comprensión de los ejes temáticos como una totalidad. No obstante, la didáctica es sólo una notación al margen utilizada para transmitir la gran diversidad de temas tratados y disminuir la complejidad que pueden presentar, en un intento de realizar una transposición acorde al nivel de los lectores.
Seguramente el lector tiene conocimiento de la existencia de partículas subatómicas que forman a los átomos: los protones, los neutrones y los electrones. Los protones, de carga positiva, se encuentran concentrados en una zona central o núcleo atómico junto con los neutrones[note]Te recomendamos la lectura previa de esta entrada: partículas subatómicas[/note].
Ahora bien, si se tiene en cuenta que todos los protones poseen carga positiva, no sería tan errado pensar que se repelen entre sí. Sin embargo, en la mayoría de los átomos esto no sucede. ¿Por qué? Porque en el núcleo existen fuerzas de atracción muy fuertes, llamadas Fuerzas Hadrónicas, que mantienen unidos a protones y neutrones. Concluimos que las fuerzas de repulsión resultan mucho más débiles.
No obstante, esto es así en la mayoría de los casos, pero no en todos. Algunos átomos tienen núcleos inestables donde las fuerzas de repulsión superan las de atracción. Entonces, estos núcleos se desintegran espontáneamente y, consecuentemente, liberan energía.
La radiactividad en la historia
La primera evidencia de estas desintegraciones nucleares fue la existencia de las denominadas radiaciones. En el presente informe, nos ocuparemos de estudiar este fenómeno denominado radiactividad.
Tomaron un papel muy importante en el estudio de dicho fenómeno científicos como los franceses Antoine-Henri Becquerel (1852 – 1908, comprobó que ciertas sales de uranio[note]En el transcurso de los artículos se darán todos los detalles necesarios sobre las propiedades de los elementos radiactivos por excelencia.[/note] emiten radiaciones sin necesidad de recibir ningún aporte de energía externo, como la luz solar) y Pierre Curie (1859 – 1906) y de su esposa Marie Sklodowska de Curie (1867 – 1934). Estos últimos verificaron las propiedades del uranio y también descubrieron otros dos elementos que emitían radiaciones: el polonio y el radio.
Descubriremos los secretos de uno de los fenómenos más sorprendentes descubiertos en el área de la físico-química, deteniéndonos en sus propiedades, efectos y usos hoy en día.
Al estudiar la fluorescencia y la fosforescencia de compuestos irradiados con luz visible, Antoine Henri Becquerel[note]Te recomendamos la lectura previa de esta entrada: partículas subatómicas[/note] realizó, en 1896, un experimento crucial que condujo a un conocimiento más profundo de las propiedades del núcleo del átomo. Después de iluminar con luz visible algunas muestras de Sulfato de Uranio (UO2SO4) y Sulfato de Potasio (K2SO4), Becquerel las envolvió en papel negro e interpuso una moneda de plata entre el paquete y una placa fotográfica. Tras varias horas de exposición, se reveló la placa fotográfica y presentó un ennegrecimiento causado por algo que tenía que haber sido emitido por el compuesto y que podía atravesar el papel negro y la plata.
Ernest Rutherford demostró posteriormente que las emanaciones emitidas por el Sulfato de Uranio podían ionizar el aire del espacio entre dos láminas metálicas con carga opuesta (posteriormente, un dispositivo con tales características sería llamado cámara de ionización). La corriente registrada por un galvanómetro[note]El galvanómetro es un instrumento que se usa para detectar y medir la corriente eléctrica.[/note] en serie con el circuito fue considerada como una medición de la actividad del compuesto.
Un estudio sistemático de la actividad de varios elementos y compuestos llevó a Maria Sklodowska-Curie[note]Nacida el 7 de noviembre de 1867 y fallecida el 4 de julio de 1934, fue una química y física de origen polaco, aunque luego obtuvo la nacionalidad francesa. Fue la primera científica en recibir dos Premios Nobel (el de Física en 1903 y el de Química en 1911) y la primera mujer en ser profesora de la Universidad de París.[/note] a la conclusión de que esta actividad era un fenómeno atómico; por los métodos del análisis químico, ella y su esposo, Pierre Curie[note]Nacido en París, Francia, el 15 de mayo de 1859, ganó el Premio Nobel de Física en 1903, compartido con su esposa Marie Curie, gracias a sus investigaciones sobre la radiación.
Falleció en la mañana del 19 de abril de 1906 debido a un accidente que le ocasionó graves fracturas craneanas.[/note], encontraron que la “capacidad ionizante” o “actividad” estaba asociada no sólo al uranio, sino también a otros dos elementos descubiertos por ellos, el Radio y el Polonio. La actividad del radio resultó ser más de un millón de veces la del uranio. Desde los tiempos precursores de los Curie, se han descubierto muchas más sustancias radiactivas.
Marie y Pierre Curie. Quienes estudiaron a fondo la radiactividad.
El fenómeno de la radiactividad
Radiactividad: ¿qué es?
Para comenzar a describirlas, es importante mencionar que entre unos 2.500 núclidos (cada una de las posibles agrupaciones de partículas subatómicas contenidas en el núcleo: los protones, de carga positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica) conocidos, menos de trescientos son estables. Los demás son estructuras inestables que se desintegran para formar otros núclidos, emitiendo partículas y radiación electromagnética. Este proceso, que como se ha mencionado en los párrafos anteriores fue descubierto por Becquerel y estudiado profundamente por los Curie, es llamado radiactividad. La escala de tiempos de esos procesos de decaimiento va desde una pequeña fracción de microsegundo (denotado μs, millonésima parte de un segundo, igual a 10-6 s) hasta miles de millones de años.
La experiencia muestra que los que núcleos que tienen más de 83 protones, tienden a ser inestables. La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o de radiación electromagnética, o de ambas, que sufren esos núcleos inestables. Los principales tipos de radiación son las partículas α (o núcleos de helio con doble carga, He+2), las partículas β (o electrones) y los rayos γ, que son ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta (de 0,1 mm a 10-4 nm). En breve, nos ocuparemos especialmente de cada uno.
Serie de decaimiento radiactivo
Cuando un núcleo radiactivo se desintegra, los productos formados también pueden ser inestables y por lo tanto sufrirán una desintegración posterior. Este proceso se repite hasta que finalmente se forma un producto estable. Comenzando con el núcleo radiactivo original, la secuencia de desintegración por pasos se conoce como serie de decaimiento. Cuando se habla de los pasos del decaimiento radiactivo, el isótopo radiactivo inicial se llama a veces el “padre” o “progenitor”, en tanto que el producto se conoce como el “descendiente”.
Casi el 90% de los 2500 núclidos conocidos son radiactivos; no son estables, sino que se desintegran y forman otros núclidos. Cuando los núclidos inestables decaen y forman diferentes núclidos, suelen emitir partículas α, β o rayos γ.
Las investigaciones de Becquerel y Marie y Pierre Curie abrieron las puertas a un fascinante e importantísimo mundo donde cada descubrimiento sería el inicio a un futuro donde las transmutaciones nucleares, el fechado de obras arqueológicas, la datación de materiales geológicos, prevención y cura de enfermedades, entre otros usos, serían posibles. Esos adelantos científicos son nuestra realidad de hoy en día y son el producto de décadas de estudio arduo acerca del gran fenómeno de la radiactividad.
Como se ha visto, algunos átomos tienen núcleos inestables donde las fuerzas de repulsión superan a las de atracción. Entonces, estos núcleos se desintegran espontáneamente y, al “romperse”, liberan energía.
Usos de la radiactividad
Las primeras luces que se veían en el horizonte del mundo del conocimiento sobre las reacciones nucleares, que incluía temas tan complejos y variados como la comprensión de las emisiones radiactivas (rayos α, β y γ), el estudio de las semividas de los radioisótopos, sus consecuentes aplicaciones en la biotecnología del mundo moderno, la obtención de energía a partir de las plantas nucleares, etc.
Es emocionante descubrir los mil y un usos benéficos de este gran fenómeno y la tonelada de investigaciones que recibió post-descubrimiento; asimismo es triste observar que años de estudio acerca de la reactividad, procesos químicos nucleares y física nuclear se utilicen para la realización de bombas, armas bélicas y destrucción.
Pero las investigaciones no acaban aquí. Aún hay mucho por descubrir y la comunidad científica estará abierta a recibir las relevantes noticias.
Te invitamos a leer el texto presente en https://www.educ.ar/recursos/113670/marie-curie-y-el-descubrimiento-del-radio de la página web educ.ar , del Ministerio de Educación de la Nación Argentina. Escribe, en forma de lista, 10 ítems que mencionen los descubrimientos más sobresalientes de Marie Curie en la historia de la ciencia que allí aparezcan.
Fuentes
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
El presente artículo de ensambledeideas.com tiene como objetivo comprender las ideas relacionadas con la adquisición de datos mediante dispositivos electrónicos. Para ello, se deben manifestar algunos conceptos teóricos.
Dispositivos de adquisición de datos: ADC & DAC
Para la adquisición de datos, en primer lugar, es importante contar con algún dispositivo capaz de convertir una señal analógica en una señal digital mediante un cuantificador. Este dispositivo, llamado ADC (por las siglas en inglés de Analog-to-Digital Converter, Conversor Analógico Digital) será útil durante la práctica para obtener los datos que se requerirán de ella.
En contraposición, se encuentran los dispositivos DAC (por las siglas en inglés de Digital to Analogue Converter, Conversor Digital Analógico).
Los dispositivos poseen un reloj interno capaz de medir el tiempo, el cual cumple una función muy importante en el proceso de adquisición de datos. Los procesos de conversión de señal analógica a digital comienzan con un proceso de muestreo que toma muestras de la señal a intervalos periódicos. Luego, continúa un proceso de cuantificación y codificación. En cambio, los procesos de conversión de digital a analógica se presentan en forma binaria que debe ser convertida a un valor de tensión analógica mediante un conversor digital-analógico que realiza el proceso inverso a los conversores analógicos-digitales.
Sampling
Para que la señal ingrese al dispositivo ADC, la misma debe ser muestreada. En otras palabras, se toman valores discretos en instantes de tiempo de la señal análoga, lo que denomina sampling.
Para garantizar el muestreo y la consecuente conversión de forma correcta, se debe considerar la frecuencia de muestreo, es decir, la cantidad de mediciones que realiza el sensor en 1 seg. Para ello, se debe tener en cuenta el Teorema de Nyquist, el cual establece que la frecuencia de muestreo, fmuestreo, debe ser como mínimo el doble que el ancho de banda de la señal muestreada. Es decir:
\( 2f< f_{muestreo}\)
…donde f es la frecuencia de la señal que se desea medir. Si no ocurre esta situación, ocurre el fenómeno denominado aliasing. Cuantas más mediciones por segundo haya, más resolución habrá.
La resolución viene dada por la ecuación \( R=\frac{V}{2^N}\)
…donde \(V $ es el voltaje que se debe ingresar en la entrada del convertidor para obtener una conversión máxima y 2² es el número máximo de combinaciones en la salida digital, siendo [latex] N \) el número de bits de la salida del conversor.
Así, para un conversor de 8 bits, el número máximo de combinaciones en la salida digital es \( 2² = 2^8 = 256 \) combinaciones; para un conversor de 14 bits, tal como el que se utilizará durante la práctica, \( 2^N = 2^{14} = 16384 \) combinaciones.
Veamos algunos gráficos:
Suponiendo que el dispositivo posea una baja resolución, la distribución de datos en un gráfico V(t) sería semejante a la expuesta en la Figura 2, lo cual no da información precisa sobre la evolución del sistema estudiado, pues pueden ocurrir diversos fenómenos entre muestreo y muestreo sin que esto sea detectado. Cuanto mayor sea la resolución, al haber mayor frecuencia de muestreo, el estudio de la evolución del sistema es más precisa, tal como se observa en la Figura 3.
Una vez que los datos hayan sido recogidos en la computadora mediante el uso de softwares específicos como MotionDAQ, puede hallarse el período del péndulo fácilmente con operaciones en programas de cálculo. [note]OriginLab es un gran procesador recomendado.[/note]
Por último, cabe mencionar que la incertidumbre de t viene dada por la ecuación:
En la adquisición de datos, los sistemas ADC y DAC son necesarios cuando se realiza procesamiento digital de señales. Cada conversor posee sus propias características y parámetros que lo definen. Estos parámetros y medidas se toman con respecto a curvas ideales de transferencia, o sea, cuando más se ajuste un determinado modelo en su funcionamiento a estas curvas, más preciso será para conseguir un buen funcionamiento de cada conversor.
En todo dispositivo ADC, el conjunto de bits obtenidos a la salida expondrá, lo más precisamente posible, el valor analógico correspondiente. Si el Conversor Analógico Digital está ubicado a la salida de un sensor, es importante que en la etapa de conversión no se genere un nivel de ruido que impida la conversión real de la señal de entrada. No obstante, existen formas sencillas de evitar que el ruido afecte a la toma de datos. Claro está que entender y aplicar de manera eficiente la metodología para reducir los ruidos que perturben las mediciones es parte de los objetivos de esta práctica.
Ordinales: primer, segundo, tercer, cuarto, décimo…
Múltiplos: doble, triple, cuádruple, séptuple…
Partitivos: medio, tres cuartos, tres sextos…
Distributivos: cada, sendos, sendas.
Artículos: el, la, los, las.
Indefinidos: este, ese, aquel, otros, algunos…
En la siguiente oración, están marcados los adjetivos (consiguientemente, los modificadoresdirectos) que presenta la oración. Debajo, se encuentran las clasificaciones completas.
Eldécimo actor chilenodesesperanzado es mi primo.
(el = Modificador Directo por ser un adjetivo no connotativo, artículo.)
(décimo = Modificador Directo por ser un adjetivo no connotativo numeral ordinal.)
(chileno = Modificador Directo por ser un adjetivo connotativo gentilicio.)
(desesperanzado = Modificador Directo por ser un adjetivo connotativo calificativo.)
(mi = Modificador Directo por ser un adjetivo no connotativo posesivo.)
MODIFICADORES INDIRECTOS
El MODIFICADOR INDIRECTO está conformado por la estructura: NEXO SUBORDINANTE (Preposición) + TÉRMINO.
Los modificadores indirectos, como se escribió arriba, comienzan con una preposición. Una preposición es una palabra invariable (no varía ni por género ni por número) con la función de nexos subordinantes. Existe una lista de preposiciones avaladas por el Diccionario de la Real Academia Española hasta el 2001 que es muy importante aprendérsela de memoria a la hora de analizar oraciones.
LISTA DE PREPOSICIONES
a, ante, bajo, cabe, con, contra, de, desde, durante, en, entre, extra, hacia, hasta, mediante, para, por, pro, según, sin, so, sobre, tras, vía.
Ejemplo:
“El décimo actor de la película es mi primo.”
Esta oración bimembre presenta las siguientes construcciones:
Sujeto Expreso Simple: El décimo actor de la película.
Predicado Verbal Simple: es mi primo.
Modificador Directo: El
Modificador Directo: décimo
Modificador Indirecto: de la película
en el cual:
Nexo Subordinante: de
Término: la película [en el cual: Modificador Directo: la / Sustantivo Núcleo: película].
Introducción a las oraciones bimembres y unimembres
Para comenzar con este apunte de sintaxis de oraciones, en donde intentaremos explicar al alumno los conceptos básicos y avanzados de esta subdisciplina de la lingüística, es necesario definir qué es lo que se estudiará de aquí en adelante.
Comenzaremos diciendo que la sintaxis estudia la forma en la que se combinan las palabras y las diferentes relaciones entre ellas, resultando ser una parte importante del análisis gramatical. La sintaxis tiene como centro de estudio, consecuentemente, a la oración. Llamamos así al conjunto de palabras con sentido completo (posee un significado que puede descifrarse y el hablante intenta comunicar algo con ella). Podemos reconocer a cualquier oración por el simple hecho de que comienza con mayúscula (por regla) y culmina con un punto.
Nos dedicaremos a analizar los sujetos de las oraciones, o sea, los que realizan las acciones descriptas por los verbos en cualquier oración bimembre (oraciones que tienen dos elementos: una está conformada por el sujeto y la otra por el predicado, sean del tipo que fuesen según vamos a ver más adelante). Cuando las oraciones sólo constan de un elemento (es decir que no pueden separarse en sujeto y predicado), estamos frente a una oración unimembre.
Nos dedicaremos también a diferenciar, por consiguiente, ambas clases de oraciones. Cuando dispongan de todos los conocimientos necesarios para analizar toda clase de oración, retomaremos a las oraciones unimembres para analizarlas por dentro. Veamos algunos ejemplos de lo que estamos diciendo.
ORACIONES BIMEMBRES
Oraciones que pueden separarse en sujeto y predicado, es decir, tienen dos elementos. (Las construcciones subrayadas son los sujetos de las oraciones.) La luna derrama su luz plateada sobre los campos de trigo.
Escucho música con mis amigos en la habitación de mi primo. (El sujeto puede deducirse: yo)
Los libros, en la biblioteca. (Aunque no haya verbo, la coma puede reemplazar a ESTAR.)
ORACIONES UNIMEMBRES
Oraciones que no pueden ser separadas en sujeto y predicado, y que por consiguiente constan de un único elemento. Deben analizarse por dentro.
POR ORACIONES CARENTES DE VERBO.
Muerte en las Tierras Fértiles. Desobediencia en las aulas de los colegios bonaerenses.
POR PRESENCIA DE UN VERBO/NÚCLEO QUE INDICA FENÓMENO ATMOSFÉRICO.
En aquel pueblucho, llovió incesantemente. No nevó en Santa Cruz desde el invierno pasado.
Cuando los verbos son fenómenos atmosféricos, estamos en presencia de oraciones unimembres.
POR ORACIONES COMPUESTAS POR INTERJECCIONES.
¡Cáspita! ¡Ay de mí!
POR PRESENCIA DEL VERBO “HABER” EN TERCERA PERSONA.
Había un circo en las proximidades de mi hogar. En ese terrible accidente, hubo cuatro heridos.
POR PRESENCIA DE VERBO EN TERCERA PERSONA DEL PLURAL CUANDO NO SE CONOCE AL QUE REALIZA LA ACCIÓN.
Tocan el timbre. Llaman a la puerta.
Este tipo de oraciones unimembres pueden también ser analizadas como BIMEMBRES (el sujeto se deduce a partir de la desinencia del verbo: ellos). Sin embargo, aquí el sujeto es desconocido en realidad, por no saber con certeza quiénes realizan la acción. Si sabemos realmente quiénes son “ellos”, entonces sí estamos frente a una oración bimembre.
Actividades:
Observen los siguientes titulares del diario argentino Clarín y escriban sobre la línea si son oraciones bimembres u oraciones unimembres:
Un choque múltiple provocó demoras en la Panamericana. (Clarín, 30/4/2007) _______________________________
Una masiva protesta por las papeleras. (Clarín, 30/4/2007) _______________________________
Vence desde hoy la jubilación anticipada. (Clarín, 30/4/2007) _______________________________
Roban tres departamentos en Barrio Norte. (Clarín, 30/4/2007) _______________________________
El largo camino del Eternauta para llegar al cine. (Clarín, 30/4/2007) _______________________________
El frío se queda hasta el sábado. (Clarín, 26/4/2007) _______________________________
Excombatientes, en la mira de los kelpers. (Clarín, 4/4/2007) _______________________________
Los tambos, bajo el agua. (Clarín, 30/4/2007) _______________________________
“Hay jugadores que no están para hacer polémica”. (Clarín, 25/4/2007) _______________________________
