Estabilidad Nuclear

Para que un núcleo atómico permanezca estable tiene que haber alguna especie de equilibrio entre las fuerzas de su interior -la electrostática- y la fuerza nuclear fuerte. Si un núcleo contiene demasiados neutrones es inestable, porque la fuerza nuclear fuerte favorece los pares de nucleones y los pares de pares. Por otro lado, un núcleo con demasiados protones es inestable, por la existencia de una repulsión eléctrica relativamente fuerte entre los protones de carga positiva.

Los núcleos inestables tratan de hacerse más estables esencialmente despidiendo material. En términos científicos esto aumenta la cantidad de energía de anclaje por nucleón (o sea la cantidad de energía necesaria para quitar un nucleón del núcleo). La teoría de la relatividad de Einstein formula que la energía E equivalente a una masa m viene dada por , donde c es la velocidad de la luz. La energía de anclaje se relaciona por lo tanto con la diferencia existente entre la suma de las masas de las partículas individuales que constituyen un núcleo y la masa total real de esas partículas que se reúnen en el núcleo.

El proceso espontáneo que tiene lugar cuando un núcleo atómico inestable trata de hacerse más estable se denomina radiactividad. Va acompañado de la emisión de masa del núcleo en forma de partículas alfa o beta, seguida a veces por la emisión de energía en forma de rayos gamma.

Una partícula alfa se compone de dos protones y dos neutrones (siendo por lo tanto un núcleo de helio, con una masa 4). La desintegración de una partícula beta, por otro lado, incluye la emisión de un la del electrón y masa tan insignificante como la de éste). Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética de onda corta, semejantes a rayos X de alta energía.

Con todo esto, queda claro que, al desintegrarse un núcleo madre por emisión de una partícula alfa, el núcleo hijo resultante tenga una masa inferior en 4 (y un número atómico inferior en 2); el hijo es un elemento diferente, más ligero. De este modo el metal radio se desintegra en el proceso alfa, dando lugar al gas radón ; el radio se ha transmutado en radón.

En la desintegración beta, la masa del núcleo no se altera, pero el número atómico aumenta o disminuye en uno, según se emita un electrón (-) o un positrón (+). Un isótopo radiactivo de nitrógeno , por ejemplo, se desintegra en el proceso (+) dando carbono .

A mayor número de núcleos radiactivos de una muestra dada, mayor es el número de núcleos que sufren transformación; el índice de radiactividad varía también exponencialmente con el tiempo. En cualquier elemento dado existe por lo tanto un tiempo característico, llamado vida media: el tiempo en que el número de núcleos radiactivos de la muestra se ha reducido a la mitad de los que había originalmente. El isótopo común, no físil, de uranio, , se desintegra con el proceso alfa, teniendo una vida media de años (tarda 4500 millones de años en desintegrarse en su mitad).

Hay tres series radiactivas en la naturaleza, llamadas las series del uranio, del torio y del actinio, siendo sus elementos base el , el y el , respectivamente. En una secuencia de desintegraciones alfa y beta, estos radioisótopos pasan a través de una serie de formas hasta que se convierten finalmente en isótopos estables de plomo. En la serie del uranio, por ejemplo, el se desintegra emitiendo partículas alfa a , que se desintegra a su vez a (protactinio) por el proceso beta y la serie continúa hasta llegar al plomo .

En la fisión del uranio un neutrón (marrón) bombardea un átomo de uranio (naranja), que se parte en dos fragmentos más o menos iguales y libera normalmente tres neutrones. Dos de éstos intervienen en la fisión de dos átomos más de uranio con desprendimiento de  calor y más neutrones, y así sucesivamente. Si existe suficiente uranio, se produce una reacción en cadena autogeneradora.