Radiactividad alfa beta y gamma

En 1896, Becquerel descubrió que un compuesto que contenía uranio era capaz de impresionar una placa fotográfica. Hoy día sabemos que esto se debe a la radiación que se emite cuando un núcleo inestable se desintegra. El matrimonio Curie estudió exhaustivamente muchos isótopos radiactivos, entre ellos los de los elementos polonio, denominado así en honor del país natal de madame Curie, y radio, del que proviene el nombre de radiactividad.

Posteriormente, Rutherford estudió la naturaleza de las distintas radiaciones y encontró que las había de tres tipos, y las denominó alfa, beta y gamma. Estos tipos se distinguen por el poder de penetración de la radiación en la materia y por su carga eléctrica. En presencia de un campo magnético, la radiación alfa se desvía hacia una parte, la beta hacia la otra y la gamma no se desvía. Por tanto, las radiaciones alfa y beta han de poseer cargas opuestas, mientras que la gamma ha de ser neutra. De hecho, la radiación alfa está constituida por núcleos de helio, la beta por electrones y la gamma por ondas electromagnéticas.

Antes de ver en detalle los tres tipos de radiación, conviene puntualizar que en todos los procesos nucleares que dan lugar a la desintegración, se conservan la energía, el momento lineal y el angular y la carga eléctrica. Además de estas cuatro leyes de conservación, en todos los procesos de desintegración nuclear el número de nucleones se conserva. Un protón puede transformarse en un neutrón, o viceversa, pero la suma de ambos es constante.

Radiación alfa

La radiación alfa está constituida por núcleos de helio, formados por dos protones y dos neutrones, los cuales son extremadamente estables. Al tratarse de partículas con una masa relativamente elevada y con carga eléctrica, penetra muy poco en la materia. 

La reacción nuclear que da lugar a la emisión de una partícula alfa es la siguiente:

donde X es el núcleo padre e Y el núcleo hijo, que está dos posiciones antes que el padre en el sistema periódico.

La desintegración anterior es la forma que tiene un núcleo pesado inestable de perder nucleones. El núcleo hijo puede ser estable o desintegrarse posteriormente mediante otro proceso radiactivo.

La energía de enlace del núcleo hijo más la del núcleo de helio ha de ser mayor que la del núcleo padre. Equivalentemente, la masa del núcleo hijo M_y más la del núcleo de helio M_α ha de ser menor que la del núcleo padre M_x. La disminución en las energías de enlace se transforma en energía cinética de los productos finales, sobre todo en energía cinética de la partícula alfa, por ser ésta la más ligera. La energía que se libera en la reacción anterior es igual a:

No existe ningún proceso de radiación natural que involucre la emisión de un protón o un neutrón. Las energías de enlace de los productos finales serían menores que las del núcleo inicial. No ocurre lo mismo en la emisión de partículas alfa, debido a la alta energía de enlace de la partícula alfa.

Radiación beta

La radiación beta está formada por electrones. Estos electrones provienen del núcleo atómico, no de los orbitales atómicos. La reacción nuclear que tiene lugar en este tipo de proceso es la conversión de un neutrón en un protón más un electrón, conservándose el número de nucleones y la carga:

Cuando un proceso de este tipo tiene lugar, un núcleo X se trans-forma en otro Y, de acuerdo con la reacción:

La partícula β^- es simplemente un electrón, pero en este contexto se le designa con dicho símbolo.

Experimentalmente se encuentra que la energía cinética de los productos finales no coincide con la que se espera a partir de la conservación de la energía y el momento lineal. El momento angular tampoco parece conservarse en esta reacción. Todo ello se debe a que en ella se emite una nueva partícula, llamada neutrino, muy difícil de detectar. Wolfgang Pauli propuso la existencia de dicha partícula, para que las leyes de conservación siguieran siendo válidas. Fermi fue quien bautizó a la partícula con el nombre actual y quien formuló una explicación consistente de este tipo de proceso radiactivo, en función de una nueva interacción: la fuerza nuclear débil. 

Como el número de nucleones se conserva, la ganancia energética de esta reacción no puede explicarse en términos de la interacción nuclear fuerte. Es necesaria la existencia de una cuarta interacción fundamental: la nuclear débil.

El neutrino no posee carga eléctrica y tiene una masa en reposo nula o bien extremadamente pequeña. Interactúa con el resto de las partículas a través de la interacción débil; de ahí su dificultad de detección. De hecho, el neutrino que interviene en la reacción anterior se conoce como antineutrino y se designa con el símbolo v. Así la reacción completa es:

La reacción nuclear anterior permite que un núcleo inestable con más neutrones que los que corresponden a su número de masa, pase a ser estable. Existe una reacción similar para que un núcleo con más protones que los debidos adquiera la estabilidad. En dicha reacción, en vez de emitirse un electrón se emite un positrón, partícula similar al electrón, pero con carga positiva y que designamos con el símbolo β⁺. En vez de antineutrino se emite un neutrino:

Los núcleos que se desintegran de acuerdo con esta reacción no existen en la naturaleza, sino que son creados artificialmente. Por ello decimos que se trata de radiactividad artificial.

Radiación gamma

Los rayos gamma están constituidos por fotones de altísima energía y, por tanto, no poseen ni carga ni masa en reposo. El proceso que resulta en la emisión de un fotón de rayos gamma es muy similar al que ocurre en los átomos en la emisión de un fotón de rayos X. El sistema, en nuestro caso el núcleo atómico, pasa de un estado excitado a otro de menor energía, y la diferencia de energía entre ambos estados corresponde a la energía del fotón emitido. En este proceso de radiación no hay cambio de un tipo de núcleo a otro, por lo cual, tanto el número atómico como la masa atómica del núcleo emisor permanecen invariables. Se desprende de esta discusión que el núcleo puede estar en diversos estados energéticos. En general, está en el de más baja energía o fundamental, pero a veces es posible que se encuentre en uno excitado y que decaiga al fundamental por medio de la emisión de un fotón.