Casi todos los elementos hasta el plomo (Z = 82) tienen al menos un isótopo estable, con dos excepciones: el tecnecio (Z = 43) y el prometio (Z = 61), que no tienen ninguno. Más allá del plomo, en cambio (bismuto, polonio, radio, uranio y todos los elementos sintéticos), ninguno es estable: todos son radiactivos, condenados a desintegrarse tarde o temprano. ¿Por qué este límite? La respuesta se juega dentro del núcleo, en un choque entre dos fuerzas.
Un tira y afloja dentro del núcleo
El núcleo contiene protones (con carga +) y neutrones (neutros), empaquetados en un espacio minúsculo. Allí se oponen dos fuerzas: - La fuerza nuclear fuerte, atractiva, que une a todos los nucleones. Es muy intensa pero de alcance muy corto (~1 a 3 femtómetros): un nucleón solo atrae a sus vecinos inmediatos. - La repulsión electrostática, que empuja a cada protón a huir de todos los demás. Individualmente es más débil, pero de largo alcance: cada protón repele a todos los demás protones del núcleo.
Aquí está el meollo. A medida que el núcleo crece, la fuerza fuerte aumenta solo con el número de vecinos cercanos (se satura), mientras que la repulsión eléctrica crece con el cuadrado del número de protones (cada uno repele a cada uno). Pasado cierto tamaño, la repulsión gana: el núcleo ya no puede mantenerse estable. Eso es exactamente lo que ocurre después de Z = 82.
El valle de estabilidad
Si representamos todos los núcleos en una gráfica (número de neutrones N frente a número de protones Z), los núcleos estables trazan una banda estrecha, el valle de estabilidad: - Para los elementos ligeros, sigue la diagonal N ≈ Z (tantos neutrones como protones: carbono 12, oxígeno 16). - Para los elementos pesados, se curva hacia un exceso de neutrones (N/Z ≈ 1.5). Hay que añadir neutrones (aportan fuerza fuerte sin añadir repulsión) para «diluir» la repulsión entre protones y mantener unido el núcleo.
Un núcleo fuera de este valle es inestable: se desintegra para acercarse a él.
Las vías de desintegración
Según cómo esté desequilibrado, un núcleo inestable toma un camino distinto: - Desintegración α: expulsa un núcleo de helio (2 protones + 2 neutrones). Típica de núcleos muy pesados (uranio, radio) que buscan reducirse. Z baja en 2. - Desintegración β⁻: un neutrón se convierte en protón (emitiendo un electrón). Para núcleos ricos en neutrones. Z sube en 1. - Desintegración β⁺ / captura electrónica: un protón se convierte en neutrón. Para núcleos pobres en neutrones. Z baja en 1. - Radiación γ: el núcleo, aún «excitado» tras una desintegración, libera su exceso de energía como un fotón muy energético.
El tiempo: la vida media
Todo isótopo radiactivo tiene una vida media: el tiempo tras el cual ha decaído la mitad de los núcleos. El rango es vertiginoso: el uranio-238 tiene una vida media de 4500 millones de años (aproximadamente la edad de la Tierra, por eso queda algo), el radón-222 de 3.8 días, el polonio-214 de… 164 microsegundos.
Los números mágicos
La estabilidad no aumenta de forma continua. Ciertos núcleos con 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126 protones o neutrones son anormalmente estables: son los «números mágicos», el equivalente nuclear de las capas electrónicas llenas de los gases nobles. El plomo-208 (82 protones y 126 neutrones) es «doblemente mágico»: es el núcleo pesado más estable que existe, punto final de muchas cadenas de desintegración.
¿De dónde vienen los elementos radiactivos que nos rodean?
- Primordiales: forjados antes de que se formara el sistema solar y de vida media lo bastante larga para sobrevivir: uranio, torio, potasio-40 (vida media de 1250 millones de años, presente en cada plátano).
- Cosmogénicos: producidos continuamente por los rayos cósmicos: el carbono-14.
- Sintéticos: fabricados por humanos en reactores o aceleradores: el tecnecio (el primer elemento «artificial»), el plutonio, todos los elementos transuránicos.
Por qué importa
La radiactividad no es una rareza marginal: calienta el núcleo de la Tierra, nos permite datar el Universo y alimenta las centrales nucleares y la medicina. Entender por qué ciertos núcleos son inestables es entender el límite mismo de la tabla periódica: la razón profunda por la que no puede extenderse indefinidamente.