Leyes del decaimiento radiactivo

(Leyes de Soddy y Fajans)

lsoddyAl estudiante de aspecto cavernario, cansado de leyes físicas que le cuesta comprender, le ha parecido la ley de Soddy algo elemental y obvio. Tanto que él se siente capaz de formular una ley semejante respecto a una de sus aficiones favoritas, el fútbol. Reflexionemos sobre las posibles formas de abordar el tema.

1. Planteamiento tradicional.

Aunque ya no se hace en todos los textos de Física, todavía ocurre que en algunos al tratar los procesos de desintegración radiactiva se hable de que en 1913 el físico inglés F. Soddy enuncia las llamadas "leyes del desplazamiento radiactivo". Son ellas: "Cuando un núcleo emite una partícula alfa se convierte en otro cuya masa es cuatro unidades menor y cuyo número atómico disminuye en dos unidades. Cuando el núcleo emite una partícula beta, su masa no varía pero el número atómico aumenta en una unidad".  

Pero también es habitual que al alumno, tras recordarle que lo que caracteriza a un núcleo son su número atómico Z (número de protones) y el número másico A (número de protones mas neutrones) se le enseña que la partícula alfa es un "paquete" de dos protones y dos neutrones y la emisión beta es la salida de un electrón nuclear que procede de la conversión de un neutrón en protón,  Por ello al estudiante espabilado no le cuesta ningún esfuerzo llegar a sendas conclusiones elementales. Al emitir una partícula alfa, Z debe pasar a ser Z-2 y A debe pasar a ser A-4. Si la  emisión es de una partícula beta, Z pasa a ser Z+1 pero A no debe variar.

2. Planteamiento histórico.

Sin duda alguna, la ley del decaimiento radiactivo no ha sido una obviedad sin importancia alguna en el contexto de la Física.  Para confirmarlo intentemos analizar, aunque sea brevemente, el contexto histórico en que se formuló, año 1913.

En 1896, se descubre el primer fenómeno de la Radiactividad, que es interpretado inicialmente por su descubridor H. Becquerel como "una fosforescencia invisible" y que un año después J.J. Thomson identifica con el electrón que él mismo había señalado un año antes como el constituyente de los rayos catódicos. En esas fechas todavía se admite la teoría atómico-molecular según la cuál los átomos son inmutables e indestructibles, los elementos se ordenan en la tabla periódica por pesos atómicos crecientes y lo que hoy se entiende por isótopo no tiene carta de naturaleza clara. En apoyo de esta afirmación cabe citar un fragmento de un artículo de Marie Curie publicado en 1899 en el que dice: "El átomo, indivisible desde el punto de vista químico, es divisible aquí y los subátomos están en movimiento"

Entre 1896 y 1913 la cantidad de descubrimientos es enorme y densa. Así se descubre que la radiactividad no es exclusiva de minerales de uranio, en los que se encuentra inicialmente, sino que aparece también en aquellos que contienen torio. Se constata que en los procesos de desintegración radiactiva aparecen nuevos y numerosos elementos. En la serie del uranio el último de ellos es el radio-G (peso atómico próximo a 206) y en la del torio el último es el llamado torio-D (peso atómico próximo a 208). Y ambos tienen propiedades semejantes a las del plomo. En esas mismas épocas se admite definitivamente la existencia del electrón, se le bautiza con tal nombre y se estima su carga con bastante precisión, gracias a los trabajos entre otros de J.J.Thomson en 1908 y sobre todo de R.A.Millikan entre 1906-1911. Por otra parte se identifican las emisiones nucleares radiactivas, unas como partículas cargadas positivamente, otras como partículas cargadas negativamente y unas terceras como algo sin carga alguna. En pocos años se suceden diversas teorías atómicas. El budín de pasas de J.J.Thomson (1898), las dinamidas de P.Lenard (1903), el átomo con núcleo y electrones exteriores otra vez de J.J.Thomson (1904) y finalmente el modelo de Ernest Rutherford (1909-1911) que daría paso al definitivo de N. Bohr (1913). Intentemos, en lo que afecta al tema que nos ocupa, resaltar aquello que se conoce y aquello que no se conoce en 1913.

En esa fecha se admite ya sin duda:

1. La existencia de un núcleo en el átomo en el que se hallan, lo que por entonces se llaman "electrones positivos unidos a núcleos de hidrógeno" y electrones negativos.

2. Que los elementos están ordenados en la tabla periódica por orden creciente de pesos atómicos, aunque en razón de sus propiedades químicas se admitan algunas excepciones.

3. Que "el número de cargas positivas ... de los átomos de diferentes sustancias es aproximadamente igual a la mitad del peso atómico", relación propuesta por el laboratorio de E. Rutherford.   

4. La existencia de isótopos para explicar la proliferación de productos de desintegración. El propio F.Soddy lo postula en 1910, y no lo hace afirmando que son aquellos elementos que siendo iguales químicamente tienen pesos atómicos diferentes, sino que lo plantea en términos de estructura nuclear con las siguiente palabras "Yo daría a los elementos de los que las cargas nucleares positivas y negativas tienen una suma algebraica igual y una aritmética diferente el nombre de isótopos o elementos isotópicos, porque ocupan el mismo lugar en la tabla periódica".

Pero en esa fecha no se conoce:

1. La verdadera naturaleza de las partículas alfa. Se sigue hablando de núcleos de hidrógeno que incluyen electrones positivos. Aún en fecha tan posterior como es 1919, Rutherford, al tratar de explicar la primera reacción nuclear de la historia, afirma que : "... el núcleo de nitrógeno se ha desintegrado ... en la colisión con una rápida partícula alfa y que el núcleo de hidrógeno emitido era una parte constituyente del núcleo del nitrógeno". Hasta 1920 no se adopta el nombre de protón para ese núcleo del isótopo ligero del hidrógeno y hasta ese mismo año no se admite que el par protón-electrón pueda ser una posible partícula que denominan neutrón.  

2. El significado de número atómico. Parece que se propone el mismo año 1913 por Moseley quién ya afirma que "... existe en el átomo una magnitud fundamental que se incrementa en cantidades regulares al pasar de un elemento al siguiente. Esta magnitud solo puede ser la carga del núcleo central, de cuya existencia tenemos prueba definitiva". Sin embargo su uso no se generaliza hasta etapas posteriores.

3. La identificación del número másico con el número de nucleones, que todavía tiene que esperar muchos años.

Por otra parte, en 1913 han aparecido en los procesos radiactivos numerosos isótopos y es lógico que se plantee la necesidad de buscar una ley que determine y ordene los diferentes nucleídos formados, en lenguaje de hoy. Y ahí es donde se enuncian las leyes conocidas luego como de Soddy y Fajans o leyes del desplazamiento radiactivo. La formulación original postulaba que tras una emisión alfa el núcleo emisor disminuía su peso atómico en cuatro unidades y el nuevo núcleo originado retrocedía dos lugares en la tabla periódica. En cuanto a la emisión beta se afirmaba que el peso atómico permanecía invariable pero que el nuevo núcleo había avanzado una posición en la tabla periódica. No es aventurado decir que por entonces aún se duda  de lo que realmente ocurre en el núcleo al producirse una emisión radiactiva, se sabe muy poco de la naturaleza de la partícula alfa, pero se sabe que una emisión alfa hace que el núcleo disminuya su masa en cuatro unidades y que el nuevo núcleo tiene una carga semejante al que ocupa dos lugares antes en la tabla periódica. El título de ley está perfectamente asignado, puesto que es la norma que rige en el proceso radiactivo. La importancia de tales leyes era manifiesta, ya que la seguían todos los elementos formados en todas las series descubiertas en la época.

Al enseñar Física a nuestros alumnos, si se pretende presentar la Ciencia, o algunos temas de ella, como un proceso en evolución constante; es decir, destacar como ha ido construyéndose el edificio científico, no hay duda que presentar la ley que nos ocupa con este planteamiento puede ser altamente instructivo y necesario. Ahora bien nuestra experiencia nos enseña que explicar el proceso histórico que se ha tratado de resumir más arriba, si se quiere que realmente sirva para lo que se desea que sirva, debería quizá no ser objeto de un tratamiento tipo "lección magistral". Eso a los alumnos solo les va a parecer un conjunto de fechas y conceptos del que piensan sacar poco provecho. Es uno de esos casos en que puede ser conveniente seguir un método más o menos constructivista. El estudiante no precisa más que recapitular ideas que ya conoce (conceptos actuales de isótopo, números másico y atómico, conceptos de principios de siglo del átomo, la clasificación periódica, etc.)  y tomar las referencias cronológicas para sentirse como debían sentirse los científicos de la época. Ello está a su alcance pero... como sabemos quienes hemos utilizado estos métodos didácticos, se precisa tiempo. Una sesión de trabajo, tal vez dos que deberán descontarse de otros temas. Es el precio a pagar por un acercamiento serio.  ¿Merece la pena?

3. Planteamiento "práctico"

Si no se considera oportuno hacer una introducción histórica al tema habría que plantearse cuál es la forma más sencilla de abordarlo con los alumnos de niveles medios. Teniendo en cuenta que hoy los conceptos de números atómico y másico son de obligado conocimiento en el estudio más elemental de la estructura atómica de los elementos y explicando que se admite que una partícula alfa es un conjunto de dos protones y dos neutrones, lo lógico es afirmar sin más que: "La emisión de una partícula alfa supone la conversión del núcleo inicial en otro con un número atómico dos unidades menor y un número másico cuatro unidades menor. Análogamente presentando la naturaleza de la partícula beta resulta que: "La emisión de una partícula beta negativa supone que el núcleo inicial se convierte en otro cuyo número atómico es una unidad mayor y cuyo número másico es el mismo. La emisión de radiación gamma no cambia el número de sus nucleones".

En este caso, no se precisan formular las leyes de Soddy para nada, puesto que todo el proceso que ellas definen queda perfectamente conocido sin su concurso.

4. Corolario

Las tres opciones expuestas presentan ventajas e inconvenientes.   La primera de ellas, la llamada tradicional, puede justificar la reacción del estudiante de la viñeta. Si el alumno realmente desarrolla ese sentido crítico que pretendemos imbuirle, ¿no puede pensar que la Física tiene unas leyes innecesarias y rebuscadas?  O pensando en la exigencia de los profesores, ¿no parece que las leyes físicas a veces están pensadas para complicarle la vida, haciéndole aprender cosas y nombres que no necesita aprender?   En cuanto a la segunda, a juicio de muchos profesores, afecta a las programaciones que se resienten de esas "pérdidas" temporales, sobre todo si se trata de cursos en los que los alumnos deben rendir cuentas de sus conocimientos en pruebas de rango superior (reválidas, pruebas de acceso a la Universidad ...). Y en lo que respecta a la tercera, no hay duda que es la mas sencilla manera de presentar el problema, pero ... una vez más, presenta el inconveniente de dar a entender que la ciencia lo tuviera todo previsto y tan pronto se conoció la existencia de la radiactividad brotó, como por ensalmo, una explicación impecable del neonato fenómeno.

En consecuencia, ¿cuál es la más adecuada? Aquí como siempre, no se va a dar una respuesta. Nos basta con haber suscitado la reflexión y... que cada uno adopte la que mejor le parezca.

 

Bibliografía

G.Holton, D.Roller. Fundamentos de Física moderna.  Editorial Reverté. 1972

R.A.Millikan. Electrones (+ y -) protones ... Espasa Calpe. 1952

M.Nowak, J.Foos. La radiactividad. Mundo científico. 68, 209,2000

A.F.Rañada y otros. Física básica. Alianza Editorial. 1997

C. Rocchiccioli. Les isotopes. Presses Universitaires de France. 1964

P.A. Tipler. Física moderna. Editorial Reverté. 1980

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