19.1: Radiactividad y Ecuaciones Nucleares

La química nuclear es el estudio de las reacciones que implican cambios en la estructura nuclear. El núcleo de un átomo está compuesto de protones y, excepto el hidrógeno, de neutrones. El número de protones en el núcleo se llama número atómico (Z) del elemento, y la suma del número de protones y el número de neutrones es el número de masa (A). Los átomos con el mismo número atómico pero diferentes números de masa son isótopos del mismo elemento.

Un nucleido de un elemento tiene un número específico de protones y neutrones y se encuentra en un estado específico de energía nuclear. La notación para un nucleido es  , donde X es el símbolo del elemento, A es el número de masa y Z es el número atómico. También hay varias notaciones taquigráficas para los nucleidos, muchas de las cuales omiten el número atómico. Por ejemplo,  Puede escribirse como carbono-14, C-14 o ¹⁴C.

Si el nucleido se encuentra en un estado de excitación temporal, normalmente se indica con un asterisco. Si se encuentra en un estado excitado de larga duración, llamado estado metaestable, esto se denota añadiendo ‘m’ al número de masa. Por ejemplo, el isótopo tecnecio-99 existe en estado fundamental  y metaestable . Si hay más de un estado metaestable para un isótopo dado, se enumeran en orden creciente de energía. Por ejemplo, el isótopo tantalio-180 tiene cinco nucleidos: Estado fundamental  y estados metaestables  ,  ,  , y.  .

Las reacciones nucleares son las transformaciones de uno o más nucleidos en otro, que ocurren a través de cambios en los números atómicos, en los números de masa o en los estados de energía de los núcleos. Para describir una reacción nuclear, utilizamos una ecuación que identifica los nucleidos y las partículas involucradas en la reacción. Al igual que con las reacciones químicas, las reacciones nucleares obedecen a la conservación de la masa: La suma de los números de masa de los reactivos equivale a la suma de los números de masa de los productos.

Muchas partículas o fotones diferentes pueden estar involucrados en reacciones nucleares. Los más comunes incluyen partículas alfa (α o.  ), que son núcleos de helio-4 de alta energía; partículas beta (β), que incluyen electrones (e⁻ o β⁻) y positrones (e⁺ o β⁺); rayos gamma (γ); neutrones (  ); y protones (p⁺ o.  ).

Algunos nucleidos permanecen intactos indefinidamente, son estables, mientras que otros se transforman espontáneamente en otros nucleidos, son inestables. El cambio espontáneo de un nucleido inestable en otro es la desintegración radiactiva. El nucleido inestable se llama nucleido padre, y el nucleido que resulta de la desintegración se conoce como nucleido hijo. El nucleido hijo puede ser estable, o puede desintegrarse por sí mismo.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 21.1: Estructura y Estabilidad Nuclear y Openstax, Química 2e, Sección 21.2: Ecuaciones Nucleares.

Fuentes adicionales

IUPAC. Compendio de terminología química, 2da ed. (El "Libro de oro":). Compilado por A. D. McNaught y A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Versión en línea (2019-) creada por S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Consultado el 2021-01-10

Organismo Internacional de Energía Atómica, Sección de Datos Nucleares. Carta viva de nucleidos. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Consultado el 2021-01-10

La región más densa de un átomo es el núcleo, que contiene protones y neutrones, denominados colectivamente nucleones. El tipo de átomo definido por un número específico de protones y neutrones se conoce como nucleído. La notación de un nucleído comprende el símbolo de un elemento, un número atómico y un número de masa.

Una de las varias notaciones abreviadas para los nucleídos utiliza el nombre del elemento, un guion y el número de masa. Los nucleídos con el mismo número atómico, pero diferentes números de masa se denominan isótopos entre sí. Por lo tanto, el carbono tiene tres isótopos que se muestran aquí.

Los nucleídos también se caracterizan por su estado energético. Por ejemplo, el isótopo único tecnecio-99 existe en dos estados diferentes:el estado fundamental de menor energía y un estado excitado de larga duración llamado estado metaestable. Estas dos especies, aunque tienen el mismo número de protones y neutrones, son nucleídos diferentes.

Curiosamente, algunos elementos de la tabla periódica tienen nucleídos estables, que permanecen intactos indefinidamente. Por el contrario, algunos elementos solo tienen nucleídos inestables, llamados radionucleídos. Por ejemplo, la desintegración nuclear espontánea del uranio-238 produce torio-234.

El proceso se denomina desintegración radiactiva. El nucleído secundario producido durante la desintegración puede ser estable o radiactivo. El proceso va acompañado de la emisión de pequeños fragmentos o radiación electromagnética.

Las partículas alfa son equivalentes a los núcleos de helio. Su emisión reduce el número atómico en 2 y el número másico en 4. Las partículas beta son equivalentes a los electrones;cuando se emite, el número atómico del nucleído secundario aumenta en 1.

Como tienen una carga negativa, se llama radiación beta menos. La emisión de un positrón, que tiene la misma masa que un electrón pero carga opuesta, reduce el número atómico en 1. A menudo se denomina emisión beta-plus.

Los rayos gamma son radiación electromagnética de alta energía, cuya emisión no cambia ni el número atómico ni el de masa. La emisión de protones disminuye el número de masa y el número atómico en 1 cada uno, mientras que la emisión de neutrones reduce el número de masa en 1. Las ecuaciones nucleares grafican la diferencia entre los nucleídos primarios y secundarios e indican la naturaleza de la desintegración.

La desintegración radiactiva del uranio-238 a torio-234 va acompañada de la emisión de partículas alfa. Las ecuaciones nucleares están equilibradas al igual que las ecuaciones químicas. La suma de los números de masa es la misma en cada lado de la ecuación.

Como esta es la desintegración alfa, también lo es sumar los números atómicos.

• Nuclear Chemistry - Study of reactions involving changes in nuclear structure.
• Protons - Stable subatomic particles with a positive electric charge
• Atomic Number (Z) - Number of protons in the nucleus of an atom
• Mass Number (A) - Sum of the number of protons and neutrons in an atom
• Nuclide - A specific type of atom characterized by its proton count, neutron count, and nuclear energy state

• Define Nuclide – Explain the importance of protons, neutrons, and atomic number (e.g., nuclide)
• Contrast Stable vs Unstable Nuclides – Describe stability in relation to nuclear chemistry (e.g., stable nuclide)
• Explore Nuclear Reactions – Discuss equation, conservation of mass, and involved particles (e.g., nuclear chemistry reactions)
• Explain Radioactive Decay – Explore transformation from parent nuclide to daughter nuclide
• Apply in Context – Explore how unstable nuclides impacts radioactive decay.

• What is the role of protons in defining a nuclide?
• How do stable and unstable nuclides differ in nuclear reactions?
• What is conservation of mass in the context of nuclear reactions?

• Students – Understands how nuclear chemistry concepts relate to atomic structure
• Educators – Provides a structured framework for teaching nuclear chemistry
• Researchers – Relevant for the study of atomic structure and radioactivity
• Science Enthusiasts – Explores nuclear chemistry and atomic structure in detail