La Tabla Periódica

(Los Elementos y la Estructura Atómica)

 

Jorge Rafael Martínez Peniche

 

Un Paréntesis: Elementos Artificiales.

Protones y Neutrones

El átomo de Hidrógeno pesa una unidad de masa atómica. La mayor parte de ésta corresponde a la masa del protón dado que, como se recordará el electrón es muy ligero comparado con el protón. El elemento que sigue al Hidrógeno en número atómico es el Helio, que tiene dos protones; es decir, su número atómico es 2. Sin embargo, la masa del Helio es alrededor de 4 veces la masa del átomo de Hidrógeno es decir, la masa del átomo de Helio es de alrededor de 4 umas. ¿A qué se debe esto?. Durante un tiempo los físicos propusieron explicaciones mas o menos complicadas para este hecho en términos de las partículas subatómicas conocidas (electrones y protones). No fue sino hasta 1932 cuando el físico inglés James Chadwick (1891-1974) pudo explicar el dilema a través del descubrimiento de una partícula que tiene prácticamente la misma masa que un protón pero que no posee carga eléctrica es decir, es neutra. A esta partícula se le llama neutrón.

 

James Chadwick

 

Con el descubrimiento del neutrón la situación queda de la siguiente manera: el núcleo atómico está formado por protones y neutrones, partículas que pesan mas o menos lo mismo, una unidad de masa atómica; los electrones se encuentran fuera del núcleo y prácticamente no contribuyen a la masa del sistema pero si al balance de cargas eléctricas para que el átomo sea neutro.

 

Dado lo anterior, se puede concebir la masa atómica (en umas) como la suma de protones más neutrones en el núcleo atómico. Así, el átomo de Hidrógeno tiene un núcleo compuesto por un solo protón, por lo que la masa del Hidrógeno es 1 uma, el protón está cargado positivamente; pero existe fuera del núcleo un electrón (cargado negativamente) que neutraliza la carga del protón por lo que el Hidrógeno es neutro. En el caso del Helio, el núcleo está integrado por dos protones y dos neutrones, lo que le confiere al Helio una masa atómica de 4 umas; dos electrones fuera del núcleo neutralizan la carga de los dos protones y por lo tanto el átomo de Helio es neutro.

 

En resumen, las cantidades que hemos considerado como parámetros fundamentales de los átomos: el número atómico y la masa atómica pueden establecerse en términos de las partículas que forman el núcleo atómico. De esta manera, el número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo en el núcleo (que coincide con el número de electrones fuera del núcleo cuando el átomo es neutro) y la masa atómica o número de masa (A) que correspondería a la suma de protones y neutrones en el núcleo atómico. Con base en lo anterior, el número de neutrones N en un átomo se calcula como la diferencia N=A-Z.

Radiactividad e Isótopos

Pronto se descubrió que existían átomos que poseían propiedades químicas idénticas pero que tenían diferente peso. Por ejemplo se descubrió un átomo que reaccionaba con todas las sustancias exactamente de la misma manera que el Hidrógeno; pero que tenía una masa atómica de 2 umas. Es decir, un átomo que era indistinguible químicamente del Hidrógeno pero pesaba el doble.

 

Como ya se ha mencionado el parámetro fundamental que distingue a un elemento de otro no es su peso como pensaba Dalton, sino su número atómico. Por lo tanto se habían descubierto los isótopos: átomos que tienen el mismo número atómico (y que por lo tanto corresponden al mismo elemento); pero diferente masa atómica es decir, tienen distinto número de neutrones en el núcleo. La palabra isótopo proviene de las palabras griegas que significan "mismo lugar", todos los isótopos de un elemento ocupan el mismo lugar (casilla) en la Tabla Periódica de los Elementos, aunque pesen diferente; pues todos tienen las mismas propiedades químicas.

 

Como ejemplo diremos que se conocen tres isótopos del Hidrógeno: el primero de ellos es el más abundante en la naturaleza y tiene una masa de 1 uma o sea su núcleo está formado por un solo protón, el segundo en abundancia tiene una masa de 2 umas, por lo tanto, su núcleo está formado por un protón (para ser Hidrógeno) y un neutrón y por último existe un isótopo del Hidrógeno que pesa 3 umas, tiene un protón y dos neutrones en el núcleo.

 

Para distinguir a un isótopo de otro, se acostumbra escribir a la izquierda del símbolo del elemento los valores de su número atómico y su número de masa. El número atómico se escribe en la parte inferior y la masa atómica en la parte superior; asi, los isótopos del Hidrógeno serían: .

 

Una consecuencia interesante del aumento de protones dentro de un núcleo es la variación de la estabilidad de éste. En efecto, la fuerza electrostática de repulsión aumenta al crecer el número de protones, por lo cual los núcleos con un mayor número de estas partículas se desintegraran más fácilmente, lo que se conoce como un elemento menos estable.

 

No todos los isótopos de un elemento son igualmente estables, de ahí que su abundancia relativa en la naturaleza no sea pareja.

 

Emilio Gino Segré (1905-1989)

 

La relación entre A y Z tiene que ver con la estabilidad de los núcleos de los elementos. En la medida que un átomo tiene un mayor número de protones, necesita cada vez más neutrones para que su núcleo sea estable. Si graficamos el número de protones contra el número de neutrones de los isótopos conocidos, se observa en la gráfica una banda en la que se encuentran los isótopos más estables para cada elemento. Esta gráfica, conocida como gráfica de Segré se presenta en la figura 13. La zona sombreada de la figura se conoce como banda de estabilidad.

 

 

Figura 13. Gráfica de Segré y la Banda de Estabilidad Nuclear.

 

Por otra parte, los átomos muy pesados son poco estables y tienden a estabilizarse emitiendo una partícula del núcleo; a este fenómeno se le conoce como radiactividad natural.

 

Las partículas que emiten los núcleos inestables pueden ser las llamadas partículas  y [1]. Las partículas  están formadas por dos protones y dos neutrones y por lo tanto, su número de masa es cuatro y poseen dos cargas positivas. Las partículas  son indistinguibles de un electrón en cuanto a carga y masa; pero residen en el núcleo, aunque siempre están formando parte del neutrón que sufre el proceso:

 

neutrón  protón +  + energía

 

Con lo anterior se observa que los núcleos pesados decaen emitiendo una partícula a isótopos de otros elementos. En el caso del decaimiento a el nuevo núcleo (hijo) posee un número atómico menor en dos unidades al del átomo original (padre) y una masa menor en cuatro, por ejemplo:

 

 

En el caso de la emisión, al transformarse el neutrón en un protón y una , el núcleo adquiere un número atómico mayor en uno al del elemento original; pero el número de masa no varía, como en el caso siguiente:

 

 

La velocidad con que ocurren estos procesos es diferente para cada isótopo inestable, es decir no todos los isótopos inestables emiten partículas radiactivas con la misma frecuencia.

 

Una forma útil de medir esta frecuencia de emisión, y por lo tanto, de decaimiento radiactivo es el tiempo de vida media. El tiempo de vida media es una propiedad de cada isótopo y se define como el tiempo necesario para que un número dado de núcleos del isótopo padre se reduzca a la mitad. Es decir, si comenzamos con una muestra de N núcleos del elemento padre, el tiempo de vida media es el tiempo que tarda la muestra en llegar a N/2 núcleos del isótopo original y N/2 núcleos de isótopos descendientes.

 

El tiempo de vida media es en cierta forma una medida de la estabilidad del núcleo, pues mientras mayor sea aquel, tendremos durante un mayor tiempo los núcleos originales.

 

Como ejemplos podemos mencionar que el tiempo de vida media del isótopo 238 del Uranio es de 4.5 x 109 (4 500 000 000) años, en tanto que el tiempo de vida media del isótopo 214 del Polonio es de solamente 1.64 x 10-4 (0.000164) segundos. Los datos anteriores significan lo siguiente: si tomamos una mole de Uranio 238, después de cuatro mil quinientos millones de años tendremos media mole de Uranio y media mole de sus isótopos descendientes, en cambio, si tomamos una mole de Polonio 214, al cabo de solamente una diezmilésima de segundo tendremos media mole de Polonio 214 y media mole de sus isótopos descendientes.

 

El Uranio es un elemento pesado con un período de vida media muy grande, los elementos más pesados que el uranio, aunque pudieron haber existido en la naturaleza cuando se formó el Universo, ya no existen debido a que sus períodos de vida media son menores que la edad del Universo y se han desintegrado totalmente. Esta es la razón por la que solo existen 92 elementos en la naturaleza y ninguno más pesado que el Uranio[2].

 

Como ya hemos mencionado, los isótopos inestables decaen hasta un isótopo estable (cuya relación N a Z caiga en la banda de estabilidad). La mayoría de las especies radiactivas que existen en la naturaleza se pueden clasificar en 4 grupos conocidos como series radiactivas, en estas series el isótopo inicial tiene un tiempo de vida media mucho mayor que cualquiera de sus descendientes. Todos los elementos más pesados que el Plomo (Z=82) decaen a un isótopo estable de Plomo o de Bismuto (Z=83).

 

Las cuatro series radiactivas se pueden determinar de acuerdo con la masa atómica (A) del elemento inicial y son:

 

            1. La serie del Torio; A=4n.

            2. La serie del Neptunio; A=4n+1

            3. La serie del Uranio; A=4n+2

            4. La serie del Actinio; A=4n+3

 

donde n es un número entero. Como ejemplo, se presenta la serie del Uranio en la figura 14.

 

 

Figura 14. La Serie del Uranio.

 

A partir de la Segunda Guerra Mundial, los científicos idearon formas de fabricar elementos más pesados que el Uranio, desde luego estos elementos son muy inestables, es decir, sus tiempos de vida media son extremadamente pequeños.

 

El principio para la fabricación de elementos pesados -desarrollado actualmente hasta el punto de formar en si mismo una nueva disciplina conocida como Química Nuclear- es bombardear un elemento ya existente con partículas pequeñas (neutrones, protones, elementos ligeros). En ocasiones, se logra que el núcleo del elemento ya existente capture a las partículas ligeras y se forme un núcleo más pesado que previamente no existía en la naturaleza. De esta manera, descrita muy esquemáticamente, el hombre ha podido sintetizar los elementos con números atómicos del 93 al 110 y desde luego al singular Tecnecio.

 



[1] Para completar  mencionamos que existe un tercer tipo de radiación nuclear, la radiación; pero no es relevante para la discusión que aquí se .

[2] En  realidad, uno de los elementos relativamente ligeros, el Tecnecio (Z=43) no existe  en la naturaleza. Por otro lado, se cree que existen en la naturaleza trazas de  un  elemento más pesado que el Uranio, el Plutonio (Z=94); pero que se forma por procesos distintos a los que hemos descrito hasta ahora.