Química nuclear I: _{Radiation, half-life, and nuclear reactions}

¿Alguna vez has conocido a alguien que haya tenido cáncer? El cáncer es una enfermedad que hace que las células crezcan sin control y se propaguen a otras partes del cuerpo y es muy difícil de tratar. Se ha registrado a lo largo de la historia, y las momias antiguas incluso muestran evidencia de cáncer. Los pacientes con cáncer y sus familias buscan desesperadamente tratamientos que pongan la enfermedad en remisión.

Muchas veces, los planes de tratamiento incluyen radioterapia, como se muestra en la Figura 1. ¡Imagínese poder disfrutar de meses e incluso años adicionales con un ser querido porque la radiación hizo que sus síntomas de cáncer desaparecieran! No es de extrañar que la gente se maravillara ante este uso particular de la radiación después de su descubrimiento.

En este módulo, aprenderá sobre los isótopos radiactivos y cómo se desintegran para emitir energía que puede usarse en radioterapia. Aprenderá qué son las desintegraciones radiactivas alfa, beta y gamma y cómo se pueden representar mediante modelos de ecuaciones nucleares. Empecemos volviendo al descubrimiento del radio, un isótopo radiactivo.

El descubrimiento de la radiación y el radio.

El radio es uno de los primeros elementos radiactivos descubiertos y todavía se utiliza en la actualidad en el tratamiento del cáncer. El radio fue descubierto por Marie Curie, posiblemente una de las científicas más famosas del mundo. Marie Curie nació como Maria Sklodowska en Polonia en 1867. Sklodowska creció en la pobreza en Varsovia, Polonia. En aquella época, los científicos eran exclusivamente hombres, e incluso el ingreso a la universidad estaba reservado a los hombres. Así fue que, aunque Sklodowska se graduó primera de su clase en la escuela secundaria, se le prohibió asistir a la universidad en Polonia. Al no aceptar ese rechazo como última palabra en su educación, Sklodowska asistió a una “Universidad Voladora” en Polonia, llamada así porque la universidad impartía clases en secreto en lugares cambiantes, incluso en casas privadas, para evitar las restricciones vigentes en ese momento. , como aquellos contra las mujeres que asistan. Marie estaba totalmente comprometida con su educación, de hecho, unos años antes había hecho un pacto con su hermana Bronya: se mudarían a París y Marie trabajaría para ayudar a pagar la educación de Bronya, y luego Bronya haría lo mismo por Marie. . Y así, en 1891, Marie se mudó a París para reunirse con su hermana y asistir a la Sorbona. Sklodowska continuó luchando en París, careciendo de dinero, pero trabajando duro para demostrar su valía como científica. Por un encuentro casual, llegó a trabajar en el laboratorio de un joven científico llamado Pierre Curie. Pierre y Marie eventualmente se casarían y cambiarían el curso de la ciencia con su innovadora investigación sobre el recién descubierto fenómeno de la radiactividad.

Los Curie formaron una familia juntos mientras ambos continuaban con su investigación. A finales de la década de 1890, Marie se enfrentó a un hito: necesitaba elegir un tema para su investigación doctoral y ninguna mujer había obtenido todavía un doctorado en ciencias. La decisión de Curie estuvo influenciada por dos descubrimientos importantes. En 1895, el físico alemán Wilhelm Roentgen descubrió un extraño tipo de radiación, los llamados rayos X, que podían atravesar objetos sólidos e incluso producir imágenes de los huesos de las personas. Y en 1896, el francés Henri Becquerel hizo un descubrimiento único y accidental. Becquerel colocó sales de uranio y placas fotográficas en un cajón del laboratorio durante la noche para usarlas en un experimento. Al día siguiente, se sorprendió al ver que las placas, bastante caras y difíciles de conseguir en ese momento, parecían haber sido expuestas a la luz. Las sales de uranio habían liberado energía para cambiar las placas fotográficas.

Curie optó por estudiar los “rayos de uranio” de Becquerel para su tesis y su trabajo arrojó importantes descubrimientos. Trabajando en un pequeño y húmedo almacén a modo de laboratorio, los experimentos de Marie la llevaron a proponer que los rayos eran una propiedad de los propios átomos de uranio contenidos en las sales y comenzó a probar otros elementos, descubriendo finalmente que el torio también emitía estos extraños rayos. . Curie llamó al fenómeno "radiactividad", basándose en el nombre latino de los rayos.

Pierre estaba tan intrigado por el descubrimiento de Marie que pronto se unió a ella en su trabajo y los Curie buscaron aprender más sobre la radiactividad. Separaron pechblenda, un mineral negro que contiene uranio, para eliminar el uranio. Para su sorpresa, ¡el mineral restante todavía era radiactivo incluso después de eliminar el uranio! Trabajaron laboriosamente para separar un nuevo elemento, el polonio (llamado así por el país natal de Marie, Polonia), del mineral restante. ¡Pero el mineral restante todavía era radiactivo! Quitaron un segundo elemento nuevo que era un millón de veces más radiactivo que el uranio. Llamaron a este elemento radio, utilizando nuevamente el término latino para "rayo".

Separar elementos de la pechblenda fue un trabajo muy duro. Diez toneladas de pechblenda produjeron sólo un miligramo de radio. Sin saberlo, en el proceso, los Curie estuvieron expuestos a altas dosis de radiación y sufrieron enfermedades por radiación mientras trabajaban con el elemento natural más radiactivo jamás descubierto. Estaban crónicamente débiles, tosían y presentaban quemaduras frecuentes en la piel. Sus sacrificios en el laboratorio para descubrir elementos y aprender más sobre la radiactividad finalmente los llevaron a ellos y a Henri Becquerel a recibir el Premio Nobel de Física en 1903, el primer Premio Nobel otorgado a una mujer, por su descubrimiento de la radiación espontánea. En 1911, Marie Curie recibió un segundo Premio Nobel de Química por su trabajo con la radiactividad, siendo la primera persona, y todavía una de las dos únicas, que han ganado dos premios Nobel de ciencia.

Radioactividad

Entonces, ¿qué es exactamente la “radiactividad”? La radiactividad es la liberación espontánea de energía de ciertos átomos. Es lo que observó Becquerel cuando sus placas fotográficas quedaron expuestas y oscurecidas. Y es la misma energía que los Curie no podían ver, pero que los enfermaba y les quemaba las manos. Entonces, ¿cómo se estudia algo que no se puede ver? Ese fue un desafío al que se enfrentaron los científicos que buscaban aprender más sobre la energía liberada por estos procesos.

Una de las primeras pruebas que ayudó a los científicos a descubrir los secretos de la radiación provino de Ernest Rutherford, un físico de la Universidad de Cambridge nacido en Nueva Zelanda y que más tarde se hizo famoso por su trabajo para descubrir la estructura del átomo (consulte nuestro módulo de Teoría Atómica I para obtener más información). más información sobre estos últimos experimentos de Rutherford). Para su trabajo de posgrado en 1898, Rutherford diseñó una serie de experimentos sencillos para estudiar los misteriosos rayos que emanan del uranio. Colocó un número cada vez mayor de láminas de aluminio entre una fuente de uranio y un detector. Rutherford observó que parte de la radiactividad desaparecía si colocaba sólo una fina hoja de papel de aluminio delante del detector. Sin embargo, parte de la radiación viajó y el detector aún pudo verla. Rutherford teorizó correctamente que había al menos dos tipos de partículas radiactivas provenientes de la fuente de uranio. Al primer tipo, que estaba bloqueado por una fina lámina de aluminio, lo llamó radiación alfa. Y al segundo tipo lo llamó radiación beta. Rutherford repitió el experimento muchas veces con diferentes fuentes radiactivas y diferentes láminas metálicas y añadió electroimanes al conjunto para ver si alguna de las partículas que había descubierto estaba cargada. Observó que los rayos alfa eran partículas cargadas positivamente y los rayos beta eran partículas cargadas negativamente.

Paul Villard, un químico francés, llevó el trabajo de Rutherford más allá en 1900. Usó una pantalla de plomo para eliminar los rayos alfa y un campo magnético para eliminar los rayos beta. Y, sin embargo, Villard todavía detectó radiación. Esta radiación era lo suficientemente potente como para viajar a través del plomo y no tenía carga ya que los imanes no la atraían ni la repelían. Rutherford confirmó este descubrimiento y finalmente denominó a este tercer tipo de radiación "rayos gamma".

Estos experimentos comenzaron a descubrir las propiedades de la radiación, pero proporcionaron poca información sobre la causa de la radiactividad. En el momento de su descubrimiento nadie lo sabía. Muchos científicos creían que la radiación era energía que los átomos habían absorbido previamente y que se reemitía. Posteriormente se demostró que esta hipótesis era falsa, y Rutherford y el radioquímico inglés Frederick Soddy encontrarían la respuesta correcta en 1901. La relación de Rutherford y Soddy no comenzó como resultado de una colaboración, sino como resultado de un conflicto. Rutherford había propuesto que la radiación no era energía previamente absorbida, sino que era causada por la ruptura de átomos. Soddy no creía que esto fuera cierto y, de hecho, debatió con Rutherford sobre la idea, motivándolos a trabajar juntos. Rutherford y Soddy comenzaron a trabajar con el elemento radiactivo torio. Observaron que cuando el torio emitía radiación, se liberaba un gas. Recolectaron y estudiaron este gas y se dieron cuenta de que consistía en algo completamente diferente al torio, no un nuevo compuesto químico, sino un elemento completamente nuevo: el elemento radón, que tenía menos partículas subatómicas que el torio. Rutherford y Soddy teorizaron correctamente que las partículas radiactivas eran en realidad parte del elemento original que se liberaba, y cuando estas partículas abandonaban el elemento original, se transformaban en otro elemento, liberando energía en el proceso. Esta “teoría de la desintegración atómica” fue controvertida en su momento. Pero los cuidadosos experimentos y los abundantes datos de Rutherford y Soddy finalmente convencieron a otros del proceso.

Los elementos radiactivos son inestables y se transforman en otros elementos. Si bien los científicos comenzaron a descifrar esto a principios del siglo XX, el descubrimiento del núcleo atómico en 1911 y la observación de los protones en 1919, ambos por Rutherford, ayudaron a los científicos a comprender mejor la radiactividad y sus diferentes formas.

Isótopos radioactivos

Durante las primeras décadas del siglo XX, surgió una visión de la estructura atómica a partir de los numerosos experimentos que se llevaron a cabo y que ayudaron a los científicos a comprender el átomo y la radiación. Los experimentos de Rutherford llevaron a la conclusión de que los átomos tenían núcleos pequeños y densos que contenían los protones del átomo y que los electrones residían fuera del núcleo del átomo. Los científicos también entendieron que la radiación era causada por la expulsión de parte del núcleo del átomo. Pero algunas cosas todavía no cuadraban. Los experimentos con partículas alfa, que ahora se sabía que contenían protones, sugirieron que eran demasiado pesadas para contener sólo protones. Y algo andaba mal con las masas de los átomos. En ese momento, los científicos pudieron medir tanto la carga como la masa de los átomos, y la carga aumentó en distintas proporciones de números enteros, pero la masa no. Si un átomo tenía el doble de protones y electrones que otro, ¿por qué su masa no era también el doble?

Un descubrimiento realizado en 1932 por el científico británico James Chadwick ayudó a responder estas preguntas y arrojó luz sobre el fenómeno de la radiactividad y la estructura atómica. Oportunamente, Chadwick hizo este descubrimiento utilizando la propia radiación. Chadwick bombardeó átomos de berilio con partículas alfa y observó la emisión de una extraña radiación. Esta radiación constaba de una pequeña partícula, pero no tenía carga. Chadwick había descubierto la existencia del neutrón en el núcleo. El neutrón es una partícula neutra con una masa aproximadamente igual a la del protón. El descubrimiento ayudó a explicar muchas cosas. La masa “pesada” de la partícula alfa podría explicarse por la existencia del neutrón, de hecho dos de ellos, en cada partícula alfa. Y ahora podría explicarse la relación entre masa y carga en los átomos. El neutrón también explicó otra observación de Frederick Soddy. Soddy había seguido estudiando la degradación o desintegración de elementos radiactivos y había descubierto que algunos elementos tenían más de una masa atómica. El descubrimiento de Chadwick explicó por qué: los núcleos de diferentes formas del elemento tenían diferente número de neutrones pero el mismo número de protones que otras formas. Debido a que las diferentes formas tenían la misma cantidad de protones, sus propiedades químicas y su ubicación en la tabla periódica eran las mismas. Y por eso una amiga de la familia de Soddy, la Dra. Margaret Todd, sugirió que llamara a las formas de elementos con diferentes masas atómicas “isótopos”, que significa “mismo lugar” en griego.

Los isótopos son átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones. Por ejemplo, el 99% de todo el carbono existe como carbono con una masa atómica de 12. Los átomos de este isótopo de carbono contienen 6 protones y 6 neutrones, que se combinan para darle una masa de 12. Sin embargo, un porcentaje muy pequeño de carbono tiene una masa atómica de 14. Como sigue siendo carbono, tiene que tener 6 protones, entonces la diferencia es que este isótopo contiene 8 neutrones. Los isótopos se indican escribiendo el símbolo del elemento seguido de un guión y la masa. En este caso, el C-12 es el isótopo común y el C-14 es el isótopo menos común. El C-14 también es inestable, lo que significa que sufre desintegración radiactiva, sobre la cual aprenderemos más en un momento.

Otra forma de indicar isótopos es escribiéndolos en notación isotópica. La figura 3 es un modelo de la notación. El símbolo del elemento se escribe con un número en superíndice y un número en subíndice a la izquierda del símbolo. El número en superíndice da la masa atómica; el número en subíndice da el número atómico. La Figura 3 muestra cómo se ve este modelo.