Imágenes tomadas y modificadas de: http://thumbs.dreamstime.com/z/burning-sun1339560.jpg http://www.fondos7.net/wallpaper-original/wallpapers/hermoso-mar-azul-2402.jpg http://fc03.deviantart.net/fs71/f/2011/316/5/1/mercury_render_by_laurenshebberechtd4fx2ir.png 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. Imágenes tomadas de: http://media-1.web.britannica.com/eb-media/04/98304-004491A62A4.jpg 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