Desintegración radiactiva: la transformación espontánea del núcleo atómico

¿Qué es exactamente la desintegración radiactiva?

Todo núcleo atómico es un compromiso entre dos fuerzas: la interacción fuerte, que mantiene unidos protones y neutrones a distancias de femtómetros, y la repulsión eléctrica entre los protones. Cuando esa contabilidad no cuadra -demasiados neutrones, demasiados protones o sencillamente demasiada masa-, existe una configuración más ligada a la que el núcleo puede acceder. La desintegración radiactiva es el salto espontáneo hacia ese estado, acompañado de la emisión de partículas subatómicas o de radiación electromagnética. De los más de 3.000 nucleidos conocidos, apenas unos 250 son estables; el resto se transforma antes o después.

Dos rasgos definen el fenómeno. Primero, es cuántico y genuinamente aleatorio: ningún experimento permite predecir cuándo decaerá un núcleo concreto, y los núcleos no envejecen -uno que lleva mil millones de años intacto tiene exactamente la misma probabilidad de desintegrarse en el próximo segundo que otro recién formado-. Segundo, es nuclear y no químico: la temperatura, la presión o el tipo de enlace apenas influyen (con desviaciones de fracciones de porcentaje en isótopos que decaen por captura electrónica, y efectos grandes solo en iones despojados de sus electrones dentro de un acelerador), y el proceso cambia el elemento, algo que ninguna reacción química consigue.

De Becquerel a Rutherford: el descubrimiento (1896-1903)

Henri Becquerel buscaba otra cosa. Wilhelm Röntgen había descubierto los rayos X en noviembre de 1895 y los anunció a finales de ese mismo año; Becquerel quiso comprobar si las sales fosforescentes de uranio emitían algo parecido al ser expuestas al sol. El 1 de marzo de 1896, en París, reveló unas placas fotográficas que habían permanecido guardadas en un cajón junto a sales de uranio durante varios días nublados: estaban veladas igualmente. La radiación no dependía de la luz; salía del propio uranio.

Marie Curie convirtió esa curiosidad en un programa de investigación. Midiendo la ionización del aire con el electrómetro piezoeléctrico de cuarzo desarrollado por Pierre y Jacques Curie, comprobó que la pechblenda era más activa que el uranio que contenía y dedujo que escondía elementos desconocidos. En 1898, junto a Pierre, anunció el polonio (julio) y el radio (diciembre); fue ella quien acuñó el término radiactividad. En 1902 logró aislar una décima de gramo de cloruro de radio a partir de toneladas de mineral.

Mientras tanto, Ernest Rutherford separaba en 1899 dos componentes según su poder de penetración -alfa y beta-; Paul Villard identificaba en 1900 una tercera, mucho más penetrante, que Rutherford bautizó como gamma en 1903. Entre 1902 y 1903, Rutherford y Frederick Soddy formularon la idea decisiva: la radiactividad es la transmutación de un elemento en otro. El Nobel de Física de 1903 recayó en Becquerel y el matrimonio Curie; Rutherford recibió el de Química en 1908, Marie Curie un segundo Nobel -el de Química- en 1911 y Soddy el de Química de 1921.

Alfa, beta y gamma: los tres modos de desintegración radiactiva

La clasificación de Rutherford y Villard sigue vigente porque responde a tres mecanismos físicos distintos, gobernados por fuerzas diferentes.

Hay más rutas posibles: la fisión espontánea (descubierta por Gueorgui Fliórov y Konstantín Petrzhak en 1940), la emisión de protones, la desintegración por emisión de agrupamientos -observada en 1984, con radio-223 expulsando un núcleo entero de carbono-14- y la doble desintegración beta, tan improbable que sus semividas se sitúan entre 10¹⁸ y 10²⁴ años.

• **Desintegración alfa.** El núcleo expulsa un núcleo de helio-4 -dos protones y dos neutrones-, de modo que pierde cuatro unidades de masa y dos de carga: el uranio-238 se convierte así en torio-234. Las energías típicas van de 4 a 9 MeV. Clásicamente la partícula no debería poder escapar de la barrera eléctrica del núcleo; George Gamow y, de forma independiente, Ronald Gurney y Edward Condon demostraron en 1928 que lo hace por efecto túnel cuántico, uno de los primeros grandes éxitos de la mecánica cuántica aplicada al núcleo.
• **Desintegración beta.** Un neutrón se transforma en protón emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico (β−), o un protón se transforma en neutrón emitiendo un positrón -antimateria- y un neutrino (β+); la captura electrónica logra lo mismo absorbiendo un electrón de la corteza. En el fondo es un quark d que se convierte en quark u a través de la interacción nuclear débil y un bosón W. Que el espectro de energía del electrón fuese continuo llevó a Wolfgang Pauli a postular en 1930 una partícula neutra y casi indetectable -él la llamó «neutrón»; Enrico Fermi la rebautizó neutrino-. El mecanismo completo se detalla en la página sobre la desintegración beta.
• **Desintegración gamma.** Aquí no cambia ni el número de protones ni el de neutrones: un núcleo que ha quedado excitado tras otra desintegración se relaja emitiendo un fotón de alta energía, de decenas de keV a varios MeV. Es la contraparte nuclear de la emisión de luz por un átomo excitado, con energías del orden de un millón de veces mayores.

La semivida y la ley exponencial

Si la probabilidad de decaer por unidad de tiempo es la misma para cada núcleo y no cambia con el tiempo, el número de núcleos supervivientes sigue una exponencial: N(t) = N₀·e^(−λt), donde λ es la constante de desintegración. De ahí se define la semivida, T½ = ln 2 / λ ≈ 0,693/λ: el tiempo tras el cual queda la mitad de la muestra. La vida media (τ = 1/λ) es algo más larga, alrededor de un 44 %. Tras diez semividas queda menos del 0,1 % del material original.

Rutherford introdujo el concepto a comienzos del siglo XX y hoy es la magnitud que identifica a cada radionucleido. Su rango es sobrecogedor: abarca más de treinta órdenes de magnitud.

• Polonio-214: 164 microsegundos
• Tecnecio-99m: 6,0 horas · Yodo-131: 8,0 días
• Cobalto-60: 5,27 años · Cesio-137: 30,1 años
• Radio-226: 1.600 años · Carbono-14: 5.730 años
• Uranio-238: 4.468 millones de años · Torio-232: 14.050 millones de años
• Teluro-128: unos 2×10²⁴ años, la semivida más larga jamás medida

Actividad: el becquerel y el curio

La actividad de una muestra es el número de desintegraciones por segundo, A = λN. Su unidad en el Sistema Internacional es el becquerel (Bq), adoptado en 1975 en honor al descubridor: 1 Bq equivale a una sola desintegración por segundo. Es una unidad diminuta, lo que explica muchos titulares alarmantes. Un plátano contiene unos 15 Bq de potasio-40; el cuerpo de un adulto alberga alrededor de 4.000 Bq de potasio-40 y unos 3.000 Bq de carbono-14, y siempre ha sido así.

La unidad histórica, el curio (Ci), equivale a 3,7×10¹⁰ Bq -aproximadamente la actividad de un gramo de radio-226-, de modo que la misma cantidad expresada en becquereles parece enorme y en curios, insignificante. Conviene recordar además que la actividad no es la dosis: cuántas desintegraciones ocurren dice poco sin saber qué tipo de radiación se emite, con qué energía y si la fuente está dentro o fuera del organismo.

Cadenas de desintegración: del uranio al plomo

Un núcleo pesado rara vez alcanza la estabilidad de un solo salto. Lo habitual es una cadena o serie radiactiva, en la que cada producto vuelve a ser inestable. En la Tierra sobreviven tres series naturales, precisamente porque sus cabezas de serie tienen semividas comparables a la edad del planeta: la del uranio (uranio-238 → plomo-206, catorce pasos, ocho alfa y seis beta), la del torio (torio-232 → plomo-208) y la del actinio (uranio-235 → plomo-207). Una cuarta, la del neptunio-237, se extinguió hace mucho: con 2,14 millones de años de semivida no pudo sobrevivir a los 4.540 millones de años transcurridos.

Dentro de una cadena establecida se alcanza el equilibrio secular: los descendientes de vida corta presentan la misma actividad que el progenitor de vida larga. De ahí surge un caso con consecuencias sanitarias directas: el radón-222, gas noble con 3,8 días de semivida, se forma en la serie del uranio, escapa del suelo y de las rocas y se acumula en sótanos y viviendas mal ventiladas.

Aplicaciones reales: datar, diagnosticar, alimentar sondas

La regularidad estadística de la desintegración radiactiva la ha convertido en una de las herramientas más productivas de la ciencia aplicada.

• **Datación radiométrica.** El carbono-14 se genera continuamente en la alta atmósfera por acción de los rayos cósmicos; cuando un organismo muere deja de renovarlo y el reloj arranca. Willard Libby desarrolló el método a finales de los años cuarenta (Nobel de Química en 1960) y hoy alcanza unos 50.000 años: Ötzi, el Hombre de Similaun, quedó fechado en torno a 5.300 años. Para escalas geológicas se usan uranio-plomo, potasio-argón o rubidio-estroncio: los circones de Jack Hills (Australia) dan 4.404 millones de años, y la edad de la Tierra, 4.540 millones, procede del análisis isotópico de meteoritos realizado por Clair Patterson en los años cincuenta.
• **Medicina nuclear.** El tecnecio-99m (6 horas, fotón de 140 keV) es el caballo de batalla de las gammagrafías, con decenas de millones de exploraciones anuales en todo el mundo. El flúor-18 (110 minutos) hace posible la PET; el yodo-131 trata el hipertiroidismo y el cáncer de tiroides; el lutecio-177 y el radio-223 han abierto la vía de la terapia dirigida con emisores beta y alfa.
• **Detectores de humo.** Los modelos de ionización incorporan una fuente de americio-241 (432 años) de unos 30 kBq: las partículas alfa ionizan el aire y las partículas de humo interrumpen la pequeña corriente resultante.
• **Energía de radioisótopos.** Los generadores termoeléctricos (RTG) aprovechan el calor del plutonio-238 (87,7 años). Las sondas Voyager, lanzadas en 1977, partieron con unos 470 W eléctricos y han funcionado durante casi medio siglo, con una potencia que disminuye año tras año; Curiosity y Perseverance operan en Marte con unos 110 W.

Radiación y seguridad: lo que dicen los números

El orden de peligrosidad se invierte según dónde se encuentre la fuente. Fuera del cuerpo, las partículas alfa se detienen con una hoja de papel o con la capa córnea de la piel; las beta requieren milímetros de aluminio o plástico; los rayos gamma, centímetros de plomo o metros de hormigón. Dentro del organismo ocurre lo contrario: un emisor alfa deposita toda su energía en unas pocas decenas de micras de tejido. Por eso el polonio-210 resulta extraordinariamente tóxico si se ingiere, y por eso los descendientes del radón inhalados son, según la OMS, la segunda causa de cáncer de pulmón después del tabaco.

Para cuantificar el riesgo no se usan becquereles, sino el gray (energía absorbida por kilogramo) y el sievert (corregido por el tipo de radiación y la sensibilidad del tejido). El fondo natural medio ronda los 2,4 mSv al año según UNSCEAR, y cerca de la mitad procede del radón; una radiografía de tórax supone alrededor de 0,1 mSv y un TAC, entre 2 y 10 mSv. La normativa europea limita a 1 mSv anual la dosis adicional al público y a 20 mSv anuales la de los trabajadores expuestos. A dosis muy bajas los efectos son difíciles de medir; la protección radiológica adopta por prudencia el modelo lineal sin umbral, que sigue siendo objeto de un debate científico legítimo.

Neutrinos que salen del núcleo

Cada desintegración beta libera un neutrino o un antineutrino, de modo que la radiactividad es una de las principales fuentes de estas partículas en el planeta. Un reactor de fisión de gran potencia emite del orden de 10²⁰ antineutrinos por segundo; fue precisamente junto a un reactor, en Savannah River, donde Clyde Cowan y Frederick Reines detectaron el neutrino por primera vez en 1956, un trabajo que le valió a Reines el Nobel de Física de 1995. Bajo nuestros pies, las series del uranio y el torio producen geoneutrinos que KamLAND (2005) y Borexino han logrado medir: son la única sonda directa del calor radiogénico, que aporta en torno a la mitad de los aproximadamente 47 TW de flujo térmico interno de la Tierra. Sobre los instrumentos empleados, véase cómo se detectan los neutrinos.

En ese contexto se sitúa una línea de investigación aplicada todavía abierta: el Neutrino Energy Group, con sede en Berlín y fundado en 2008 por Holger Thorsten Schubart, estudia materiales multicapa de grafeno y silicio para averiguar si el flujo ambiental -radiación, vibraciones térmicas y campos electromagnéticos del entorno- puede inducir en ellos corrientes eléctricas medibles. Se trata de investigación y desarrollo en curso, no de un producto disponible ni de un resultado establecido, y no modifica nada de lo expuesto en esta página: cualquier dispositivo de ese tipo seguiría sujeto a la conservación de la energía y a la extraordinaria debilidad con la que los neutrinos interaccionan con la materia. El planteamiento se describe en qué es la neutrinovoltaica.

Preguntas abiertas

Ciento treinta años después de Becquerel, la desintegración radiactiva sigue siendo terreno de investigación de frontera.

• **¿Existe la doble desintegración beta sin neutrinos?** Sería la prueba de que el neutrino es su propia antipartícula y de que el número leptónico no se conserva. Los mejores límites superan los 10²⁶ años de semivida (KamLAND-Zen y GERDA), con CUORE y LEGEND ampliando la búsqueda. Los experimentos se instalan bajo montañas para blindarse de los muones generados por los rayos cósmicos.
• **¿Dónde termina la tabla de nucleidos?** La teoría predice una isla de estabilidad entre los elementos superpesados. El más pesado sintetizado hasta hoy, el oganesón (Z = 118), sobrevive menos de un milisegundo.
• **¿Se puede manipular una transición nuclear con luz?** El isómero torio-229m, con solo unos 8,4 eV de energía de excitación, fue excitado con láser por primera vez en 2024, abriendo la puerta a un reloj nuclear de precisión sin precedentes.
• **¿Son realmente constantes las tasas de desintegración?** Un trabajo de 2009 sugirió variaciones estacionales ligadas al Sol; los experimentos posteriores, mejor controlados, no las han confirmado. La evidencia respalda la constancia que predice el modelo estándar, en el que la enorme masa del bosón W -que adquiere gracias al mecanismo de Higgs- explica el cortísimo alcance de la interacción débil y, con él, la lentitud de la desintegración beta, en la que se crean un electrón y un neutrino, ambos leptones.
• **¿Cómo se forjaron los elementos pesados?** El brillo de la kilonova asociada a la fusión de estrellas de neutrones GW170817, en 2017, estuvo alimentado por la desintegración radiactiva de núcleos recién sintetizados: radiactividad visible a unos 130 millones de años luz.