Las series radiactivas (conocidas también como cascadas radiactivas) son tres cadenas de desintegración radiactiva que ocurren naturalmente y una cadena de desintegración radiactiva artificial de núcleos atómicos pesados inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta hasta que se logra un núcleo estable. La mayoría de los radioisótopos no se descomponen directamente a un estado estable y todos los isótopos dentro de la serie se descomponen de la misma manera. En la física de las desintegraciones nucleares, el núcleo desintegrante generalmente se conoce como el núcleo padre y el núcleo que queda después del evento como el núcleo hijo . Dado que la desintegración alfa representa la desintegración de unnúcleo primario a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio (que contiene cuatro nucleones), solo hay cuatro series de desintegración . Por lo tanto, dentro de cada serie, el número de masa de los miembros puede expresarse como cuatro veces un número entero apropiado (n) más la constante para esa serie. Como resultado, la serie de torio se conoce como la serie 4n, la serie de neptunio como la serie 4n + 1, la serie de uranio como la serie 4n + 2 y la serie de actinio como la serie 4n + 3.
Tres de los conjuntos se llaman series naturales o clásicas. El cuarto set, la serie de neptunio, está encabezado por neptunio-237. Sus miembros son producidos artificialmente por reacciones nucleares y no ocurren naturalmente.
- la serie torio (serie 4n) ,
- la serie de uranio (serie 4n + 2) ,
- la serie de actinio (serie 4n + 3) ,
- la serie de neptunio (serie 4n + 1) .
Las series clásicas están encabezadas por núcleos inestables primordiales . Los nucleidos primordiales son nucleidos encontrados en la Tierra que han existido en su forma actual desde antes de que se formara la Tierra. Las cuatro series anteriores consisten en los radioisótopos, que son los descendientes de cuatro núcleos pesados con vidas medias muy largas:
- la serie de torio con torio-232 (con una vida media de 14 mil millones de años),
- la serie de uranio con uranio-238 (que vive por 4,47 mil millones de años),
- la serie de actinio con uranio-235 (con una vida media de 0.7 mil millones de años).
- la serie de neptunio con neptunio-237 (con una vida media de 2 millones de años).
Las vidas medias de todos los núcleos hijos son extremadamente variables, y es difícil representar un rango de escalas de tiempo que van desde segundos individuales hasta miles de millones de años. Dado que los radioisótopos hijos tienen vidas medias diferentes, se alcanza el equilibrio secular después de un tiempo. En la cadena de desintegración larga para un elemento radiactivo natural, como el uranio-238 , donde todos los elementos de la cadena están en equilibrio secular, cada uno de los descendientes ha acumulado una cantidad de equilibrio y toda la desintegración a la velocidad establecida por el padre original Si se logra el equilibrio, cada isótopo hijo sucesivo está presente en proporción directa a su vida media. Desde su actividad es inversamente proporcional a su vida media, cada nucleido en la cadena de descomposición finalmente contribuye con tantas transformaciones individuales como la cabeza de la cadena.
Como se puede ver en las figuras, la ramificación ocurre en las cuatro series radiactivas. Eso significa que la descomposición de una especie determinada puede ocurrir en más de una forma. Por ejemplo, en la serie de torio, el bismuto-212 decae parcialmente por emisión beta negativa a polonio-212 y parcialmente por emisión alfa a talio-206.
La cascada radiactiva influye significativamente en la radiactividad ( desintegraciones por segundo) de muestras naturales y materiales naturales. Todos los descendientes están presentes, al menos de manera transitoria, en cualquier muestra natural, ya sea de metal, compuesto o mineral. Por ejemplo, el uranio 238 puro es débilmente radiactivo (proporcional a su larga vida media), pero un mineral de uranio es aproximadamente 13 veces más radiactivo que el metal puro de uranio 238 debido a sus isótopos hijos (por ejemplo, radón, radio, etc.) contiene. Los isótopos de radio inestables no solo son importantes emisores de radioactividad, sino que, como la siguiente etapa en la cadena de descomposición, también generan radón, un gas radiactivo pesado, inerte y de origen natural. Además, el calor de descomposición del uranio y sus productos de descomposición (por ejemplo, radón, radio, etc.) contribuye al calentamiento del núcleo de la Tierra.
Ver también: equilibrio radiactivo
Tipos de decadencia
Dentro de cada serie radiactiva, hay dos modos principales de desintegración radiactiva:
- Decaimiento alfa . La desintegración alfa representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio. Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Debido a su gran masa (más de 7000 veces la masa de la partícula beta) y su carga, ioniza mucho el material y tiene un rango muy corto .
- Desintegración beta . La desintegración beta o desintegración β representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de la partícula beta. Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos como el potasio-40. Las partículas beta tienen un mayor rango de penetración que las partículas alfa, pero aún mucho menos que los rayos gamma. Las partículas beta emitidas son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta.
Serie Torio
La serie de torio es una de las tres series radiactivas clásicas que comienzan con torio 232 natural . Esta cadena de desintegración radiactiva consiste en núcleos atómicos pesados inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta hasta lograr un núcleo estable. En el caso de las series de torio, el núcleo estable es plomo-208.
Dado que la desintegración alfa representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio (que contiene cuatro nucleones), solo hay cuatro series de desintegración. Por lo tanto, dentro de cada serie, el número de masa de los miembros puede expresarse como cuatro veces un número entero apropiado (n) más la constante para esa serie. Como resultado, la serie de torio se conoce como la serie 4n .
La energía total liberada del torio 232 al plomo 208, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 42,6 MeV.
Serie de neptunio
La serie de neptunio es una serie radiactiva que comienza con neptunio-237. Sus miembros son producidos artificialmente por reacciones nucleares y no ocurren naturalmente, porque la vida media del isótopo más longevo de la serie es corta en comparación con la edad de la Tierra. Esta cadena de desintegración radiactiva consiste en núcleos atómicos pesados inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta hasta lograr un núcleo estable. En el caso de las series de neptunio, el núcleo estable es bismuto-209 (con una vida media de 1.9E19 años) y talio-205.
Dado que la desintegración alfa representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio (que contiene cuatro nucleones), solo hay cuatro series de desintegración. Por lo tanto, dentro de cada serie, el número de masa de los miembros puede expresarse como cuatro veces un número entero apropiado (n) más la constante para esa serie. Como resultado, la serie de neptunio se conoce como la serie 4n + 1 .
La energía total liberada del neptunio-237 al talio-205, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 50.0 MeV.
En algún tipo de detectores de humo, puede encontrar radionucleidos de esta serie. Los detectores de humo por ionización generalmente usan un radioisótopo, típicamente americio-241 , para ionizar el aire y detectar humo. En este caso, el americio-241 se descompone en neptunio-237 y, de hecho, es miembro de la serie de neptunio.
Serie de uranio
La serie de uranio , conocida también como serie de radio, es una de las tres series radiactivas clásicas que comienzan con el uranio 238 natural . Esta cadena de desintegración radiactiva consiste en núcleos atómicos pesados inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta hasta lograr un núcleo estable. En el caso de la serie de uranio, el núcleo estable es plomo-206.
Dado que la desintegración alfa representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio (que contiene cuatro nucleones), solo hay cuatro series de desintegración. Por lo tanto, dentro de cada serie, el número de masa de los miembros puede expresarse como cuatro veces un número entero apropiado (n) más la constante para esa serie. Como resultado, la serie de uranio se conoce como la serie 4n + 2 .
La energía total liberada del uranio 238 al plomo 206, incluida la energía perdida por los neutrinos , es de 51.7 MeV.
Serie de uranio y uranio-234
El isótopo de uranio-234 es miembro de esta serie. Este isótopo tiene una vida media de solo 2.46 × 10 5 años y, por lo tanto, no pertenece a los nucleidos primordiales (a diferencia de 235 U y 238 U ). Por otra parte, este isótopo está todavía presente en la corteza terrestre, pero esto se debe al hecho de 234 U es un producto de la desintegración indirecta de 238 U . 238 U decae a través de la desintegración alfa en 234 U. 234U se desintegra a través de la desintegración alfa en 230Th, excepto una fracción muy pequeña (del orden de ppm) de núcleos que se desintegra por fisión espontánea.
En una muestra natural de uranio, estos núcleos están presentes en las proporciones inalterables del equilibrio radiactivo de la filiación de 238 U en una proporción de un átomo de 234 U para aproximadamente 18 500 núcleos de 238 U. Como resultado de este equilibrio, estos dos Los isótopos ( 238 U y 234 U) contribuyen igualmente a la radioactividad del uranio natural.
Serie Actinium
La serie de actinio es una de las tres series radiactivas clásicas que comienzan con el uranio 235 natural . Esta cadena de desintegración radiactiva consiste en núcleos atómicos pesados inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta hasta lograr un núcleo estable. En el caso de las series de actinio, el núcleo estable es plomo-207.
Dado que la desintegración alfa representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo de helio (que contiene cuatro nucleones), solo hay cuatro series de desintegración. Por lo tanto, dentro de cada serie, el número de masa de los miembros puede expresarse como cuatro veces un número entero apropiado (n) más la constante para esa serie. Como resultado, la serie de actinio se conoce como la serie 4n + 3 .
La energía total liberada del uranio 235 al plomo 207, incluida la energía perdida por los neutrinos, es de 46,4 MeV.
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