En el post anterior, vimos cómo la materia está formada por átomos, que son las unidades más pequeñas que conservan las propiedades químicas de un elemento. También vimos cómo la luz se comporta como una onda y como una partícula, y cómo se puede clasificar según su longitud de onda o su frecuencia. En este post, vamos a profundizar en la relación entre la luz y la materia, y a conocer algunos conceptos básicos de la física atómica, como el núcleo atómico, los isótopos, la radiactividad y el origen de la luz. Entenderás la radioactividad del núcleo atómico.
Recordemos que la luz es una forma de energía que nos permite ver el mundo que nos rodea, pero nunca te has preguntado, ¿De dónde viene esa luz? ¿Qué tiene que ver la luz, tal cual la conocemos con los átomos?
Los átomos: los ladrillos de la materia.
Todo lo que existe está hecho de átomos, que son las unidades más pequeñas de la materia que conservan las propiedades químicas de un elemento. Un átomo está formado por un núcleo y una corteza.
¿Qué es radioactividad del núcleo atómico? ¿Por qué se da este fenomeno?
El núcleo es la parte central del átomo, donde se concentra la mayor parte de la masa y la carga positiva. Está formado por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte.
El número de protones determina el elemento químico al que pertenece el átomo, mientras que el número de neutrones puede variar dando lugar a diferentes isótopos.
Los isótopos son átomos del mismo elemento químico que tienen distinto número de neutrones.
- Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos naturales, el protio, el deuterio y el tritio. Los isótopos pueden ser estables o inestables, dependiendo de su configuración nuclear.
La corteza es la parte exterior del átomo, donde se encuentran los electrones, que tienen una carga negativa y una masa muy pequeña. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en distintos niveles de energía, llamados orbitales.
La luz: una onda y una partícula
La luz es una forma de energía electromagnética que se propaga en forma de ondas. Esta se puede clasificar en distintas regiones según su longitud de onda o su frecuencia, que son inversamente proporcionales. Entonces se puede afirmar que:
- La longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas de la onda, y se mide en metros.
- La frecuencia es el número de oscilaciones que realiza la onda en un segundo, y se mide en hercios.
- El espectro de la luz visible, que es la parte de la luz que podemos percibir con nuestros ojos, va desde el rojo (la longitud de onda más larga y la frecuencia más baja) hasta el violeta (la longitud de onda más corta y la frecuencia más alta).
- Más allá del espectro visible, hay otras regiones de la luz, como los rayos infrarrojos, los rayos ultravioletas, los rayos X o los rayos gamma, que tienen longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas que la luz visible.
El fotón: el comportamiento de la luz como una partícula
Un fotón es un paquete de energía que se mueve a la velocidad de la luz. La energía de un fotón depende de su frecuencia, hay una fórmula que nos indica que cuanto mayor es la frecuencia de la luz, mayor es la energía de sus fotones.
El origen de la luz: los saltos de los electrones
El origen de la luz no es más que un cambio de energía en los electrones del átomo. Los electrones pueden saltar de una órbita a otra absorbiendo y emitiendo energía en forma de fotones. Cuando ocurre este salto
- Si es de un orbital de mayor energía a uno de menor energía, se emite un fotón de energía igual a la diferencia de energía entre los orbitales.
- Si ocurre el caso contrario, es decir, si el electrón salta de una orbital menor energía a uno de mayor energía, absorbe un fotón con una energía igual a la diferencia de energía entre los dos orbitales.
La energía de los fotones emitidos o absorbidos por los electrones determina la longitud de onda y la frecuencia de la luz.
Cada elemento químico tiene una configuración electrónica única, es decir, una distribución de los electrones en los distintos orbitales. Esto hace que cada elemento tenga un espectro de emisión y de absorción característico, que es como una huella digital que permite identificarlo.
- El espectro de emisión es el conjunto de longitudes de onda de la luz que emite un elemento cuando sus electrones pasan de un estado excitado a uno de menor energía.
- El espectro de absorción es el conjunto de longitudes de onda de la luz que absorbe un elemento cuando sus electrones pasan de un estado de menor energía a uno excitado.
- Los espectros de emisión y de absorción son complementarios, es decir, las longitudes de onda que emite un elemento son las mismas que absorbe.
La radiactividad y el núcleo atómico
Como ya hemos aclarado antes el núcleo es la parte central del átomo, donde se concentra la mayor parte de la masa y la carga positiva. Estos núcleos atómicos son en algunas ocasiones inestables, es decir, tienen tendencia a desintegrarse y esta desintegración provoca una radiación.
Un ejemplo trágico de la radiactividad fue el accidente de Chernóbil, que ocurrió el 26 de abril de 1986 en la central nuclear de Chernóbil, en Ucrania. Debido a un error humano y a un diseño defectuoso del reactor, se produjo una explosión que liberó grandes cantidades de material radiactivo a la atmósfera. La radiación afectó a millones de personas en Ucrania, Bielorrusia, Rusia y otros países europeos, causando graves daños a la salud y al medio ambiente.
La radiactividad y el núcleo atómico puede ser natural o artificial, dependiendo de si el núcleo radiactivo se forma de manera espontánea o inducida. La radiactividad tiene diversas aplicaciones en campos como la medicina, la industria, la energía o la datación.
Propiedades de la radioactividad del núcleo atómico
La radioactividad del núcleo atómico se caracteriza por dos propiedades fundamentales: la actividad y el periodo de semidesintegración o semivida.
- La actividad de un isotopo radioactivo es la cantidad de desintegraciones que ocurren por unidad de tiempo (becquerelios) y equivale en SI a una desintegración por segundo.
- Por otro lado, el periodo de desintegración o semivida de un isotopo radioactivo es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los átomos de una muestra inicial.
Esto es una característica propia de cada isotopo y varía desde fracciones de segundo hasta miles de millones de años.
¿Qué es la desintegración del isotopo? Consecuencias de la radioactividad del núcleo atómico
Es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable se transforma en otro más estable mediante la emisión de radiación. Puede cambiar el número de protones y neutrones del núcleo, dando lugar a un elemento diferente.
La desintegración puede seguir una cadena de sucesivos cambios nucleares hasta alcanzar un isótopo estable.
Tenemos entonces que pensar que la desintegración es un fenómeno espontáneo y aleatorio, que ocurre con una cierta probabilidad en un intervalo de tiempo dado y se debe a que el núcleo inestable tiene una energía mayor que el núcleo estable, y al desintegrarse libera esa energía en forma de radiación.
La desintegración puede seguir una cadena de sucesivos cambios nucleares hasta alcanzar un isótopo estable.
¿Qué tipos de radioactividad existen? ¿Cómo se asocia con radioactividad del núcleo atómico?
Hasta aquí hemos visto qué es la radiactividad, cómo se produce y qué efectos tiene sobre la materia y la salud. Sin embargo, no todos los núcleos atómicos inestables emiten el mismo tipo de radiación, ni todos los tipos de radiación tienen las mismas características y propiedades.
En este apartado vamos a ver los diferentes tipos de radiactividad que existen, según el criterio que se use para clasificarlos. Veremos que hay tres tipos principales de radiactividad: alfa, beta y gamma, que se diferencian por la naturaleza, la energía y la capacidad de penetración de las partículas o rayos que se liberan.
También veremos que hay otros tipos de radiactividad, como la de neutrones libres o la de electrones libres, que se relacionan con procesos nucleares que implican la absorción, la emisión, la división o la unión de núcleos atómicos.
¿En qué consisten la radiación alfa, beta y gamma? ¿Qué tan radioactiva son?
Los tres tipos de radiación principal son la radiación alfa, beta y gamma. Cada uno de estos tipos tiene características y efectos diferentes sobre la materia y la salud humana. A continuación, se describen brevemente cada uno de ellos:
- La desintegración alfa consiste en la emisión de una partícula alfa, que es un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones. Tiene una carga positiva de +2 y una masa de 4 uma. Tiene una energía alta pero una penetración baja, ya que se detiene fácilmente por el aire, el papel o la piel. Es poco ionizante, pero muy dañina si se ingiere o se inhala.
- La desintegración beta consiste en la emisión de una partícula beta, que puede ser un electrón (beta menos) o un positrón (beta más). Tiene una carga eléctrica de -1 o +1 y una masa muy pequeña. Tiene una energía media y una penetración moderada, ya que se detiene por una lámina de aluminio o una capa de madera. Es más ionizante que la alfa pero menos que la gamma. Puede causar quemaduras o mutaciones celulares si se expone a ella.
- La desintegración gamma consiste en la emisión de un rayo gamma, que es una onda electromagnética de alta frecuencia y corta longitud de onda. No tiene carga ni masa. Tiene una energía muy alta y una penetración muy alta, ya que solo se detiene por un blindaje de plomo o de hormigón. Es la más ionizante y la más peligrosa de las radiaciones, puesto que puede atravesar el cuerpo humano y dañar los tejidos y los órganos.
¿Qué caracteriza a la radiación de neutrones libres?
La radiación de neutrones libres se puede considerar como un tipo de radiactividad aparte de los tres tipos principales (alfa, beta y gamma), porque tiene una naturaleza y un origen diferentes.
Los tres tipos principales se refieren a las formas de radiación que emiten los núcleos atómicos inestables, mientras que la radiación de neutrones libres se refiere a la radiación que emiten los neutrones libres que se generan por la ruptura de los núcleos.
Por lo tanto, la radiación de neutrones libres es un tipo de radiactividad secundaria o inducida, que depende de la existencia de otros tipos de radiactividad primaria o espontánea.
Este tipo de radiación es provocada, lo que quiere decir que tiene el inconveniente depende de una fuente externa de energía y de un campo magnético. Tiene aplicación en muchos campos de la ciencia, como la física, la química, la biología, la medicina o la industria.
¿En qué se caracteriza?
Es un tipo de radiactividad que ocurre cuando un núcleo atómico se rompe y libera uno o más neutrones. Estos neutrones pueden chocar con otros núcleos y causar que se desintegren también, o ser absorbidos por ellos y hacerlos inestables. Algunas características de los neutrones libres son:
- No tienen carga eléctrica: esto les permite penetrar fácilmente la materia, pero también dificulta su detección.
- Son muy penetrantes: se necesita un material muy denso, como el cadmio o el boro, para absorberlos y detenerlos.
- Son peligrosos: pueden provocar daños en los tejidos vivos y el ADN, o inducir radiactividad en otros materiales.
Conclusión
En este post hemos visto algunos conceptos básicos de la física atómica, como el núcleo atómico, los isótopos, la radiactividad y el origen de la luz. Hemos aprendido que la luz se forma por los cambios de energía de los electrones en los átomos, y que cada elemento tiene un espectro característico que permite identificarlo. También hemos visto que algunos núcleos son inestables y se desintegran emitiendo radiación, y que esta radiación tiene distintos tipos y efectos. Esperamos que este post te haya resultado interesante y que te haya ayudado a comprender mejor el mundo que nos rodea. ¡Hasta la próxima!
Referencias
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