Isótopos

1.- isótopos
Las propiedades químicas de los átomos están determinadas por el número de electrones de la capa externa, y no por la masa del núcleo.

El núcleo, como sabemos, está formado por dos clases de partículas: protones y neutrones. Estas dos partículas se parecen en muchos aspectos, pero los protones llevan una carga de electricidad positiva, mientras que los neutrones son eléctricamente neutros.

Todos los átomos de un elemento particular tienen el mismo número de protones en su núcleo. Sin embargo, no todos tienen necesariamente el mismo número de neutrones. Esto significa que algunos átomos, de un mismo elemento, podrían distinguirse de otros por el número diferente de neutrones. No obstante, todos ellos tienen el mismo número atómico (número de protones) y aunque difieren en el número de neutrones se sitúan en el mismo lugar en la tabla periódica de elementos, a pesar de tener diferentes masas (número másico es igual a la suma del número de protones y neutrones en el núcleo).

Los protones y las neutrones tienen una masa casi igual. Por consiguiente, para establecer la masa de un núcleo atómico particular basta con contar el número de protones y neutrones que lo componen, ya que para mayor simplificación se suele admitir que la masa de los protones y de los neutrones es igual a 1 (En realidad es de 0’938 Gev para el protón y de 0`939 Gev para el neutrón).

Por vía de ejemplo consideremos los átomos del elemento neón. Los átomos de neón tienen 10 protones en su núcleo. Sin embargo, estadísticamente hablando, se comprueba que de cada 1000 átomos de neón, 909 tienen 10 neutrones, 88 tienen 12netrones y tres tienen 11 neutrones

Si consideramos, para mayor facilidad, los protones y neutrones como unidades de masa, la masa del átomo de neón de 10 protones y 10 neutrones en su núcleo será de 20. Las otras dos variedades tendrán masas de 22 y de 21, respectivamente. Podemos denominar estas variedades de neón como “neón-20”, “neón-21” y “neón-22”. Estas variedades atómicas que sólo se diferencian por su contenido en neutrones, se las denomina isótopos. Por tanto, el neón. tal como se encuentra en la naturaleza, está constituido por tres isótopos.

Los diverso isótopos de un elemento tienen, virtualmente, propiedades químicas idénticas, y son muy difíciles de separarlos entre ellos por los métodos corrientes de los laboratorios.

Una manera de distinguirlos es someter a tales átomos a un campo magnético durante el vuelo de aquellos. Los átomos de masa mayor, los que posean más neutrones en su núcleo, se combarían menos en su trayectoria, bajo el efecto del campo magnético, por pesar más. Este instrumento que distingue y mide de esta manera la masa de los isótopos de un elemento, se denomina espectrógrafo de masas.

No sólo el neón, sino la mayor parte de los elementos tienen dos o más isótopos.

Hay ciertos isótopos que pueden detectarse sin necesidad de recurrir al espectrógrafo de masas. Son los isótopos radioactivos, descubiertos por los esposos Curie.

La historia de estos isótopos se remonta a 1896, cuando se descubrió el fenómeno de la radioactividad. Los científicos descubrieron que algunos átomos explotaban ocasionalmente, y, durante este proceso, diminutas partículas eran expulsadas del núcleo, con tal energía, que podían ser detectadas fácilmente.

Más aún, cada clase de átomo explosivo producía su propio tipo de partículas con contenido energético característico, y surgían en cantidades también características.

En un principio, el único átomo explosivo conocido era sumamente complejo, el uranio 238. Pero se observó que las partículas producidas por este elemento radioactivo servían de balas, extraordinariamente energéticas, que podían dispararse contra núcleos de átomos no radioactivos o estables y provocar cambios en la distribución de las partículas dentro de este núcleo, formándose, así, un átomo nuevo que no existía en la naturaleza y en algunos casos que, a su vez, fuera radioactivo. De esta forma se pueden formar isótopos radioactivos con bastante facilidad.

La ventaja de los isótopos radioactivos, como hemos dicho, es que dejan un rastro que puede seguirse claramente, sin necesidad de utilizar el complicado y caro espectrógrafo de masas.

Los aparatos detectores que captan las partículas energéticas producidas por la explosión de isótopos radioactivos son muy baratos, exactos y fáciles de emplear. Loa isótopos radioactivos pueden ser seguidos tan rápidamente, incluso en sus ínfimas huellas, que se pueden utilizar para el estudio de los compuestos iniciales y finales de complicadas reaccione químicas así como de los mecanismos intermedios. Los isótopos cada vez se utilizan más como elementos de rastreo. Citemos dos ejemplos.

Como hemos visto al tratar el proceso fotosintético, las planta expuesta a la luz solar absorben anhídrido carbónico y desprenden oxígeno. En principio se pensaba que este oxígeno provenía del desdoblamiento de la molécula de CO2, pero ante la polémica de si procedía del anhídrido carbónico o del agua que las plantas absorben por las raíces, se expusieron a la prueba de isótopos células fotosintetizadoras alimentadas con agua enriquecida con oxígeno 18, un isótopo radioactivo del oxígeno, y se comprobó que el oxígeno desprendido por fotosíntesis contenía oxígeno 18 en la cantidad exacta que cabía esperar si se derivaba del agua absorbido por las raíces. Por tanto, quedó claro que el oxígeno que se desprende de las plantas por fotosíntesis lo aporta el agua de riego y no procede del anhídrido carbónico del aire.

Del carbono se conocen cinco isótopos radioactivos, tres de ellos tienen una vida muy breve. Los C-10, C-15 y C-16, tienen una vida media de 19’1, 2’3 y 0`7 segundos, respectivamente. El cuarto, el C-11, tiene una vida media de 20’5 minutos, pero el quinto, el C14 (carbono 14), tiene una vida extraordinariamente larga; su vida media es de 5730 años (decir que un elemento radioactivo tiene una vida media de 5730 años, por ejemplo, como el C-14, es significar que cada 5730 años el número de partículas emitidas por radiación se reduce a la mitad de las que se sabe que debe de emitir. Es lo que se llama también “periodo de desintegración”). Lo aclararemos con los dos ejemplos que se citan a continuación.

El carbono 14 se forma en la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos. El recién formado átomo de C-14 se une a una molécula de oxígeno (O2) y de la combinación resulta bióxido de carbono con un carbono radioactivo (C-14O2), que desciende a la tierra y es absorbido por el agua y las plantas. De ellas pasa a los animales. Mientras vive el animal, se mantiene casi constante su nivel de C-14, pero cuando el animal muere, el C-14 sigue desintegrándose, y como ya no se repone, esta desintegración se puede medir, es como un reloj que empieza entonces a funcionar. Por el número de desintegraciones que se registran por minuto se pueden conocer los años que hace que murió el animal. Este procedimiento, en el caso del C-14, solo es válido si el organismo muerto no sobrepasa los 40.000 años de antigüedad, como veremos a continuación.

La lectura del reloj del C-14 requiere simplemente contar, mediante un instrumento similar a un contador Geiger, las partículas que se desintegran. Los científicos saben que de una materia orgánica que acaba de morir se desintegran 28 partículas por minuto y que de acuerdo con el periodo de desintegración del C-14, que como hemos dicho es de 5730 años (vida media), el número de desintegraciones serían:

Si la muestra murió hace 5730 años, se desintegrarían (14) partículas por minuto. Si la muestra murió hace el doble números de años (11.460), solo se desintegrarán la mitad de 14 (7). Serán entre 3 y 4 cuando la antigüedad sea de 22.820 años, y, siguiendo el mismo ritmo, cuando transcurran 40.000 años las desintegraciones serán de 1 á 2.

Usando isótopos que tienen una vida más larga, se pueden medir tiempos mayores. Por ejemplo, el uranio tiene un isótopo cuya vida media es de alrededor de mil millones de años. Cuando el uranio se desintegra se convierte en plomo. Una roca en la que debiera haber solo uranio, y hay uranio y plomo, si sabemos el uranio que desapareció y se transformó en plomo, podemos saber la edad de la roca. En determinadas medidas de este tipo, se han encontrado rocas de miles de millones de años de existencia. Por este método se ha comprobado la edad de la Tierra, que se sitúa en unos cinco mil quinientos millones de años.

Como los meteoritos que caen sobre la Tierra tienen la misma edad, es lógico pensar que tienen el mismo origen. De estos estudios y de la posibilidad de formación de sistemas solares como el nuestro, se deduce que nuestra parte del universo tuvo su comienzo hace diez o veinte mil millones de años. No sabemos lo que ocurrió antes de esa fecha.

Otra aplicación de los isótopos es en medicina. Según sus características, determinados isótopos tienen varias usos en este campo, entre las que podemos destacar las siguientes:

Para fotografiar por medio de rayos gamma alguna zona del cuerpo humano. Al paciente se le inyecta un isótopo que emite radiación gamma y se recoge la radiación emitida de forma que se obtiene una fotografía de la zona deseada.

Para destruir células cancerosas, dirigiendo rayos gamma al centro del tumor para así no dañar los tejidos no afectados.

Para inyectar marcadores radioactivos que permitan conseguir determinadas informaciones en cardiología.

BIBLIOGRAFÍA

Asimov, L. (1986). La fotosíntesis, (Ferrer, J. Trad.). Barcelona: Ed. Plaza y Janes. (Trabajo original publicado en 1968).