En la física de las desintegraciones nucleares , existe un equilibrio radiactivo cuando un nucleido radiactivo está decayendo a la misma velocidad a la que se produce. El núcleo desintegrante generalmente se conoce como el núcleo padre y el núcleo que queda después del evento como el núcleo hijo . El núcleo hijo puede ser estable o radioactivo. Si es radiactivo, se descompone en un núcleo hijo y así sucesivamente. Por lo tanto, cada núcleo padre radiactivo puede iniciar una serie de desintegraciones, y cada producto de desintegración tiene su propia constante de desintegración característica.
La concentración de núcleos hijos en el equilibrio radiactivo depende principalmente de las proporciones de semividas (o constantes de desintegración ) de los núcleos padres e hijos. Como la tasa de producción y la tasa de desintegración son iguales, el número de átomos presentes permanece constante a lo largo del tiempo. En cualquier caso, no se establece un equilibrio radiactivo de inmediato, sino que solo tiene lugar después de un período de transición . Este período es del orden de pocas vidas medias del núcleo más longevo en la cadena de descomposición. En el caso de las cadenas de desintegración radiactiva, se puede establecer un equilibrio radiactivo entre cada miembro de la cadena de desintegración.
Como se escribió, la proporcionalidad de las vidas medias es un parámetro clave, que determina el tipo de equilibrio radiactivo :
- El equilibrio radiactivo no se establece cuando la vida media del núcleo padre es más corta que la vida media del núcleo hijo. En este caso, la tasa de producción y la tasa de desintegración de cierto miembro de la cadena de desintegración no pueden ser iguales.
- El equilibrio radiactivo secular existe cuando el núcleo original tiene una vida media extremadamente larga. Este tipo de equilibrio es particularmente importante en la naturaleza. A lo largo de los 4.500 millones de años de la historia de la Tierra, especialmente el uranio 238, el uranio 235 y el torio 232 y los miembros de sus cadenas de desintegración han alcanzado el equilibrio radiactivo entre el núcleo principal y los diversos descendientes.
- El equilibrio radiactivo transitorio existe cuando la vida media del núcleo padre es más larga que la vida media del núcleo hijo. En este caso, el nucleido padre y el nucleido hijo decaen esencialmente a la misma velocidad.
Equilibrio secular
El equilibrio radiactivo secular existe cuando el núcleo original tiene una vida media extremadamente larga . El equilibrio secular es típico de las series radiactivas naturales , como la serie torio o la serie uranio . Para la serie de uranio con uranio-238 (con una vida media de 4,47 mil millones de años), 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 descomposición a la tasa establecido por el padre original. La única excepción es el elemento estable final (plomo-206) en el extremo de la cadena. Su número de átomos aumenta constantemente. En cualquier caso, un equilibrio radiactivo.no se establece de inmediato, pero solo tiene lugar después de un período de transición . Este período es del orden de pocas vidas medias del núcleo más longevo de la cadena de descomposición ( 234 U para la serie de uranio ; 231 Pa para la serie de actinio). En el caso de las cadenas de desintegración radiactiva, se puede establecer un equilibrio radiactivo entre cada miembro de la cadena de desintegración.
Como se puede ver, el equilibrio secular es particularmente importante en la naturaleza. Durante los 4.500 millones de años de la historia de la Tierra, especialmente el uranio 238, el uranio 235 y el torio 232 y los miembros de sus cadenas de desintegración han alcanzado el equilibrio radiactivo.entre el núcleo principal y los diversos descendientes. Las vidas medias de todos sus descendientes son extremadamente variables, y es difícil representar un rango de escalas de tiempo que van desde segundos individuales hasta 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 alcanza el equilibrio, cada isótopo hijo sucesivo está presente en proporción directa a su vida media (o a su constante de descomposición).
Dado que 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. La cascada radiactiva en el equilibrio secular 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 (aproximadamente 13 descendientes en la cadena de descomposición) que el metal puro de uranio-238 debido a sus isótopos hijos (por ejemplo, radón, radio, etc.) que 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. Junto con el torio y el potasio-40 en el manto de la Tierra, se cree que estos elementos son la principal fuente de calor que mantiene el núcleo de la Tierra líquido.
El equilibrio secular puede interrumpirse ocasionalmente cuando uno de los núcleos intermedios abandona la muestra (por ejemplo, el radón liberado del suelo) donde están confinados sus antepasados. Es importante tener en cuenta estas interrupciones locales en el uso de técnicas de citas. La interrupción del equilibrio secular también influye en la radiactividad del combustible nuclear nuevo. La mayoría de los PWR usan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . Pero este dióxido de uranio debe purificarse químicamente y la mayor parte de su cadena de descomposición no está presente en el combustible nuclear nuevo.
Equilibrio radiactivo de uranio-234
El isótopo de uranio-234 es miembro de la serie de uranio. 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. 234 U decae a través de la desintegración alfa a 230Th, excepto una fracción muy pequeña (del orden de ppm) de núcleos que se descompone 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.
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