La tabla periódica de los núcleos

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La tabla periódica de los núcleos
Carlos Velázquez
Siempre tuve una gran curiosidad por los núcleos atómicos. Quizá algunas
de las cosas que más me animaron a internarme en el mundo de la física
fue escuchar las explicaciones en las que se presentaba al núcleo como
una
pelota
compuesta
por
muchas
pelotitas.
Esto
hacía
volar
mi
imaginación, veía los núcleos como bolas compuestas por un conjunto de
esferas rojas y blancas pegadas, y pensaba que era muy fácil entender
que a veces estos conjuntos podían perder algunas de las esferitas que
los componían o se podían partir y así crear dos conjuntos que se
repartían las esferitas del conjunto inicial.
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 1
Con el paso del tiempo me fui percatando de que la física nuclear nos
tiene rodeados y ¡está en todas partes! Sin embargo sólo le prestamos
atención cuando tiene que ver con desastres y la miramos con horror, y
no es para menos por las consecuencias catastróficas que puede tener
para el ambiente y para nosotros cuando ocurre un accidente en una
central nuclear o cuando se detona una bomba atómica, pues se liberan
grandes cantidades de materiales radiactivos que permanecen mucho
tiempo emitiendo por doquier su radiación nociva.
En la Tierra tenemos una cantidad grandísima de elementos en los
que de manera natural ocurre la radiación nuclear. Los procesos nucleares
son parte de la naturaleza; por ejemplo, nuestra fuente de energía más
duradera, el Sol, funciona en gran medida gracias a
los fenómenos
nucleares. Por eso ahora te propongo que indaguemos un poco acerca de
qué es y cómo funciona la física nuclear.
La química de los núcleos
Actualmente sabemos que en el núcleo de todos los átomos hay protones
y neutrones. También sabemos que el número de protones debe ser igual
al de electrones para que haya equilibrio eléctrico: 25 protones implican
que debe haber 25 electrones girando en torno al núcleo; 57 protones
deben ir acompañados de 57 electrones ya que la fuerza electromagnética
responsable de que se mantengan unidos, debe estar balanceada. Pero
¿qué pasa con los neutrones? Ésta es una pregunta muy delicada, aunque
no necesariamente difícil de contestar. Como los neutrones no tienen
carga eléctrica, no importa cuántos haya en el núcleo desde el punto de
vista del equilibrio eléctrico. Pero la fuerza electromagnética no es la única
fuerza que actúa en la naturaleza, y de hecho ¿no te parece raro que los
protones dentro del núcleo estén tan cerca unos de otros sin que se
repelan y se aparten? ¿Hay otras fuerzas que los mantienen unidos?
Ésta es la pregunta que se hizo Hideki Yukawa en 1935. Este notable
físico japonés nacido en Tokio en 1907, se graduó como doctor en física
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 2
en la Universidad de Kyoto en 1938. Estaba muy familiarizado con las
ideas de la mecánica cuántica de su época y en 1935 propuso que debía
existir algún tipo de fuerza capaz de mantener los nucleones juntos --les
llamamos nucleones a las partículas intranucleares sin distinción--. Luego
de afinar esta idea y trabajar las matemáticas correspondientes para que
describieran lo más cercanamente posible el comportamiento experimental
de los nucleones, Yukawa llegó a una serie de ecuaciones que predecían
la existencia de otras partículas que actuaban como cemento entre
neutrones y protones. Años más tarde, las predicciones de Yukawa se
confirmaron y fue posible detectar estas partículas y su teoría fue
ratificada. Estas partículas son conocidas hoy en día como gluones (si
quieres saber un poco más sobre las fuerzas de la naturaleza y las
partículas que las transmiten te recomiendo leer "Todo cabe en un fotón..."
aquí, en Cienciorama).
Pero como para muchos fines prácticos basta la representación de
los electrones girando en órbitas --aunque la física cuántica diga que la
cosa es más complicada--, en el caso del núcleo podemos utilizar una
representación simplificada que nos dé las claves de cómo se comportan
los nucleones.
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 3
Figura 1. Yukawa se preguntó cómo era posible que los nucleones se mantuvieran juntos
dentro del núcleo y propuso la teoría de la fuerza fuerte. Su teoría predijo la existencia
de partículas portadoras de esta fuerza y éstas se detectaron años más tarde,
comprobando su hipótesis.
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http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Nuclear_Chemistry/Components_of_the_Nucl
eus
El juego de las bolas de billar
Me gusta imaginar el núcleo atómico como si estuviera compuesto por
bolas de billar rojas y blancas. Las rojas representan a los protones y
tienen carga eléctrica positiva, de modo que cuando dos de ellas se
acercan, se repelen. Por otra parte, las bolas blancas representan a los
neutrones y no tienen carga, así que les da lo mismo la presencia de
otras bolas blancas o de bolas rojas, no hay repulsión. Y no sólo eso,
todas estas bolas de billar tienen un "pegamento" en su exterior que hace
que cuando cualquiera de ellas llega a estar en contacto, no importa si
son rojas con rojas, blancas con blancas o rojas con blancas, se quedan
pegadas, porque así se encuentran en el núcleo, ¿si no cómo se
mantendrían unidas?
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 4
Ahora tenemos los ingredientes básicos para formar los núcleos y lo
que hay que hacer es ¡ponernos a jugar para formar los núcleos que
podamos! Ya sé que esto suena muy loco, pero en la práctica sí hay
manera de hacerlo hasta cierto punto. Para ello utilizamos fuentes que
emiten neutrones con las que podemos "pegar" bolitas blancas a otros
núcleos ya formados. Lo que quiero decir es que no hay problema para
comprender los núcleos si suponemos que podemos pegar bolitas blancas
y rojas a voluntad. Después de un rato de andar en este juego
empezaremos a ver que sólo algunas combinaciones son posibles y que,
por ejemplo, no podemos formar núcleos que sólo tengan protones, ya
que la fuerza de repulsión que hay entre ellos le "gana" al pegamento y el
núcleo se deshace. Para contrarrestar esto tenemos que poner cierta
cantidad de bolitas blancas para que el núcleo sea estable.
La regla para formar núcleos atómicos es combinar suficientes
pelotas rojas con suficientes pelotas blancas y así evitar que la repulsión
entre las rojas destruya la unión completa. Como vemos, entre más bolas
blancas contenga un núcleo todo será mejor. De hecho la receta para que
el núcleo sea estable es que debe tener aproximadamente el mismo
número de bolas rojas que de blancas cuando el número de protones es
pequeño, y a medida que el número de protones es más grande se
necesitan más bolas blancas o neutrones.
Para asentar todas estas ideas pongamos un ejemplo. El número
atómico del uranio es 92, lo que significa que tiene 92 protones y 92
electrones; sin embargo el núcleo de uranio puede tener 134, 135...y ¡hasta
148 neutrones! (para saber cuál es el número de neutrones que un núcleo
dado puede tener no tenemos de otra más que hacer experimentos). A
todas estas configuraciones posibles de un núcleo de uranio se les llaman
isótopos del uranio, y para distinguirlos solemos nombrarlos con su
nombre químico seguido por el número total de nucleones que tiene este
núcleo. De esta manera, al uranio que tiene 134 neutrones y 92 protones
se le llama uranio-226 porque 92+134=226, y al uranio que tiene 148
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 5
neutrones y 92 protones se le llama uranio-240. De esta manera se formó
una tabla periódica de los núcleos. En ella están organizados todos los
isótopos posibles de todos los elementos, y te sorprenderá saber que el
número de isótopos es bastante grande, ya que hasta el momento
conocemos alrededor de ¡1500 isótopos! Éste es un número bastante más
grande que los 118 elementos químicos conocidos.
Núcleos delicados
En realidad, y como se mencionó antes, pensar que los núcleos están
compuestos por bolas de billar cargadas y neutras es sólo una idea
aproximada para ayudar a entender el fenómeno. Una visión más realista
tomaría en cuenta que estas bolitas siempre se están moviendo, y que la
fuerza con que se pegan no es igual en el caso de protones con
neutrones que en el de neutrones con neutrones. El pegado más fuerte es
entre protón y neutrón --rojo con blanco--, pero aun esto es sólo una
noción aproximada de lo que pasa dentro de los núcleos. Cuando
consideramos las reglas precisas del juego nuclear encontramos que
aunque hay muchas posibles combinaciones de protones y neutrones, muy
pocas de ellas son realmente estables. Lo más común es que los núcleos
presenten cierta forma de inestabilidad, ya sea porque tienen neutrones de
más o porque tienen neutrones de menos.
En los núcleos inestables suele ocurrir uno de los tres procesos
siguientes:
1) Que repentinamente salga expulsada una partícula alfa. Una partícula
alfa es un núcleo de helio, y está formada por dos protones y dos
neutrones. Al tratarse de un núcleo, también podemos identificarla según
nuestra notación mediante helio-4. Al fenómeno de emisión de partículas
alfa desde el interior de un núcleo se le llama radiación alfa.
2) La siguiente posibilidad se llama decaimiento beta y consiste en que un
neutrón se vuelve inestable y repentinamente se desintegra convirtiéndose
en un protón más un electrón y un antineutrino. Si el nombre de
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 6
antineutrino te suena a ciencia ficción, no te espantes, un antineutrino es
simplemente una partícula de las varias que se producen durante las
reacciones nucleares, y como su nombre lo indica, cuando un neutrino
encuentra a un antineutrino ambas partículas se eliminan y se convierten
en energía pura en forma de luz
(si quieres saber más sobre neutrinos, te
recomiendo que veas "El sabor de los neutrinos", "Neutrinos solares", "El
neutrino
y
la ballena"
y
"La Regla de Oro" todos están aquí en
Cienciorama). Cuando ocurre un decaimiento beta, el electrón creado tiene
una alta energía y es inmediatamente expulsado del núcleo. A esta
expulsión de electrones energéticos se le denomina radiación beta.
3) La tercera posibilidad es que el núcleo no pierda protones ni neutrones,
pero que parte de la energía que tenía se convierta en un fotón (una
partícula de luz muy pero muy energética). A este proceso se le conoce
como radiación gamma (para saber más sobre los distintos tipos de
radiación ver "El experimento de la hoja de oro” aquí en Cienciorama).
El juego de crear núcleos
Como ya dijimos, la mayor parte de los núcleos son inestables y es más,
la mayor parte de los isótopos sólo pueden sobrevivir por corto tiempo. Es
decir, de manera natural existen mucho menos núcleos que los que hoy
conocemos y están registrados en las tablas de isótopos, ¿cómo y de
dónde salieron esos isótopos que no están usualmente en la naturaleza?
Como ya has de sospechar hay mano negra, es decir, humana. De hecho,
la
mayor
parte
de
los
isótopos
conocidos
han
sido
creados
en
laboratorios. Esta historia comenzó el siglo pasado con los trabajos de
Ernest Rutherford. Pero dejemos la historia para otra ocasión y ahora
concentrémonos en entenderlos.
Para crear nuevos núcleos lo primero que se necesita es tener algo
con qué pegarles y para ello la primera solución que se tuvo a mano fue
utilizar los elementos que de manera natural producen radiación, y utilizar
esta radiación para incidir sobre otros núcleos. Las primeras fuentes de
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 7
radiación conocidas fueron los compuestos de uranio, polonio, torio y
radio (si tienes curiosidad revisa "Hacia la Regla de Oro: química y
radiación" en Cienciorama). Estas cuatro fuentes emiten los tres tipos
básicos de radiación; o sea alfa, beta y gamma.
Figura 2. Procesos más comunes de decaimiento nuclear. En el caso del decaimiento alfa
tenemos la emisión de un núcleo de helio-4. En el caso de la radiación beta tenemos
dos tipos posibles de procesos, uno en el que la emisión es de electrones y otro en el
que la emisión es de positrones. En la radiación gamma el núcleo no cambia su número
de nucleones pero pasa de un estado excitado a uno
de menor energía emitiendo un
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 8
fotón muy energético o rayo gamma. Por último, en la fisión espontánea tenemos la
liberación de los neutrones excedentes que quedan libres al fisionarse los núcleos padre.
Imagen modificada a partir de: http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16108/20.4.jpg
Figura 3. Algunos ejemplos de creación de isótopos utilizando partículas alfa. En la parte
superior vemos cómo al agregar un núcleo de helio-4 a un núcleo de carbono-12
obtenemos oxígeno-16. Si a este oxígeno-16 le agregamos nuevamente un helio-4
obtenemos neón-20, y por último, al agregar nuevamente un helio-4 obtenemos
manganeso-24. En la parte inferior lo que se ilustra es cómo la combinación de un
núcleo de carbono-12 con uno de oxígeno-16 da como resultado silicio-28. La
combinación de dos núcleos de oxígeno-16 da como resultado silicio-31 más un protón
libre, y por último la combinación de dos núcleos de silicio-28 da como resultado hierro56.
Imagen tomada de:
http://boojum.as.arizona.edu/~jill/NS102_2006/Lectures/Massivestarevolution/17-17.jpg
El primer isótopo de la “mano negra”
En 1919 Rutherford logró obtener el primer isótopo no natural utilizando
una fuente de partículas alfa que hizo incidir sobre nitrógeno normal
(nitrógeno-14). Cuando las partículas alfa chocan con los núcleos de
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 9
nitrógeno 14 ocurre algo muy curioso: un protón y dos neutrones se
quedan pegados al núcleo, mientras que el otro protón queda libre y se
aleja del nuevo núcleo. Como se le agregó un protón al núcleo de
nitrógeno, éste se convierte en un núcleo de oxígeno, pero al tener
también otros dos neutrones, el núcleo en realidad es oxígeno-17. A partir
de aquí los físicos comenzaron a utilizar fuentes de radiación para
pegarles a otros núcleos y ver qué pasaba.
El siguiente gran paso en el camino de la creación de isótopos lo
dio Chadwick --alumno de Rutherfod-- cuando en 1932 le “robó” la
primicia del descubrimiento del neutrón a los Joliot-Curie (ver "Los laureles
del neutrón", en Cienciorama). En esencia, Chadwick mostró que al hacer
incidir partículas alfa sobre núcleos de berilio, se genera una nueva forma
de radiación con propiedades completamente nuevas, capaz de arrancar
protones de otros núcleos; hasta ese entonces no se sabía que los
núcleos podían perder protones. La explicación de Chadwick sobre los
productos de la nueva y misteriosa radiación fue que eran partículas tan
pesadas como los protones pero sin carga, y los bautizó como neutrones.
Figura 4. Para que las partículas alfa puedan interactuar con otros núcleos deben tener
suficiente energía, ya que de otra manera son incapaces de vencer la fuerza de repulsión
eléctrica. Los neutrones, al carecer de carga, no perciben esta fuerza repulsiva y pueden
interactuar más fácilmente.
Imagen tomada de: http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16110/20.6.jpg
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 10
Una
vez
obtenidas
las
fuentes
de
emisión
de
neutrones,
se
abrió
completamente el camino para la creación de nuevos isótopos. La razón
es que aunque se pueden crear algunos isótopos utilizando radiación alfa,
el problema con las partículas alfa es que tienen carga y esto hace que
muchos de los núcleos con los que podrían interactuar las alejen mediante
repulsión electromagnética. En cambio, los neutrones, al no estar bajo la
influencia de la carga eléctrica, se pueden acercar mucho más a los
núcleos e interactuar con ellos. Así comenzó el juego de la creación de
nuevos núcleos.
Uno atrás del otro
Una vez que se empezaron a producir nuevos isótopos, se comenzaron a
descubrir
muchas "familias de desintegración".
¿Familias
de núcleos?,
bueno, al principio la idea suena rara, pero es muy fácil de comprender:
cuando se crean nuevos núcleos agregándoles neutrones, lo más seguro
es que los tengan en exceso, sean inestables, se desintegren y den lugar
a dos o más núcleos nuevos cada uno con un menor número de
nucleones. Y como lo que está mal hecho difícilmente se arregla solo,
suele suceder que los núcleos "hijos" también sean inestables y terminen
expulsando algunas de sus partículas para convertirse en otros núcleos y
así de manera sucesiva.
Te muestro por ejemplo lo que pasa con el radio-226. Este isótopo
del radio tiene una vida media de 1,602 años, y una vez cumplido este
tiempo, la mitad de todos los núcleos iniciales se habrán convertido en
radón-222, que tiene una vida media 3.8 días. En este lapso la mitad de
estos nuevos núcleos se convertirá en astato-218 que dura sólo ¡15
segundos!, y luego en radón-218 que tiene una instantánea vida media de
35 milisegundos. Pero la cosa no para ahí porque el radón-218 se
transforma en plomo-214 que se reaviva al tener una vida media de 26.8
minutos, para transformarse en bismuto-214 que decae a los 19.9 minutos
de vida media, después
en
polonio-214,
con otro suspiro
de 0.16
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 11
milisegundos, en talio-210 con 1.30 min, en plomo-210, que parece eterno
con 22.3 años, de ahí en bismuto-210, con sólo 5.01 días, después en
polonio-210, con 138.3 días, luego en talio-206, con 4.2 min y finalmente
se transforma en plomo-206, que es un isótopo estable; o sea, que no se
desintegra. De hecho, muchos de los isótopos conocidos se han observado
como parte de estas cadenas de desintegración.
Como vemos, hay todo un zoológico de núcleos descubiertos y otros aún
por explorar y que suelen tener comportamientos bastante fuera de lo que
estamos acostumbrados a pensar.
Figura 5. Ejemplo de una cadena de desintegración. El plomo-212 se transforma en
bismuto-212 mediante la emisión de una partícula beta. Posteriormente el bismuto puede
convertirse en talio-208 o en polonio-212, dependiendo de que emita una partícula beta o
una partícula alfa. En todo caso, tanto el talio-208 como el polonio-212 decaen y se
convierten en plomo-208, que es un núcleo estable.
Imagen tomada de:
http://en.wikipedia.org/wiki/Decay_product#mediaviewer/File:Thorium_decay_chain_from_lea
d-212_to_lead-208.svg
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 12
Si acaso has leído algo de la historia de la radiactividad (ver "La Regla de
Oro" en Cienciorama) estas ideas te pueden clarificar qué es lo que
estaban viendo los pioneros de la física nuclear.
En esta ocasión te he presentado un pequeño panorama del mundo
de los núcleos atómicos y cómo es que ellos tienen su propia tabla donde
están organizados según sus características. Esta tabla es unas diez veces
más grande que la tabla de los elementos químicos, y por ello sólo te
pongo una sección en la figura 6.
Te recomiendo que sigas investigando sobre esto, ya que aquí se
encuentran escondidas historias tan apasionantes como el descubrimiento
de la fisión y la fusión nuclear, las cuales han servido para crear bombas
atómicas y centrales núcleo-eléctricas, además de que son el fundamento
del funcionamiento de las estrellas. Por mi parte es todo, y como siempre
les recuerdo, mantengan los ojos bien abiertos y hagan un montón de
preguntas bien impertinentes. Hasta luego.
Bibliografía

Bernard Fernandez, Unravelling the mystery of the atomic nucleus: a sixty year
journey 1896-1956
(versión en inglés de
Georges Ripka), Springer, Nueva
York, 2013

Milorad Mladjenovic, The history of early nuclear physics (1896-1931), World
Scientific, Singapur, c1992

F. Dahl. From nuclear transmutation to nuclear fission, 1932-1939, Institute of
Physics, Bristol, c2002

Bernard Pullman, El átomo en la historia de la humanidad, Ediciones de
Intervención Cultural,
2010 (traducción de Josep Sarret Grau. [Mataró])
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 13
Figura 6. Aspecto de una sección de la tabla de los isótopos conocidos hoy en día.
La tabla periódica de los núcleos / CIENCIORAMA 14