¿Cuáles son las vidas medias de los isótopos y por qué son importantes?
Aprender cómo funcionaban las vidas medias transformó nuestra capacidad para medir edades e identificar enfermedades.
Las vidas medias, en particular la del carbono 14, nos han permitido establecer las edades de huesos como los de esta excavación galesa.
Crédito de la imagen: Llywelyn2000, CC BY-SA 4.0 vía Wikimedia Commons
El hecho de que los isótopos tengan una vida media única ha demostrado ser quizás la herramienta más poderosa de la humanidad para comprender la historia profunda de nuestro planeta. Pero, ¿qué es una vida media, cómo la utilizamos y, de hecho, qué es un isótopo?
El núcleo de un átomo está formado por protones y (aparte de la mayor parte del hidrógeno) neutrones. El número de protones define de qué elemento se trata: 8 para el oxígeno, 26 para el hierro y 79 para el oro. Sin embargo, la cantidad de neutrones puede variar. Si dos átomos tienen el mismo número de protones y neutrones, son el mismo isótopo. Si tienen el mismo número de protones y diferente número de neutrones son isótopos diferentes del mismo elemento. Los isótopos se designan por su elemento y por el número total de neutrones y protones combinados.
Algunos isótopos son estables: mientras no les suceda nada, como un encuentro con un neutrón solitario que pasa, durarán toda la vida del universo. Sin embargo, la mayoría de los elementos tienen múltiples isótopos inestables que se desintegrarán lentamente con el tiempo, liberando radiación y convirtiéndose en algo bastante diferente.
Por ejemplo, el carbono más común es el carbono 12, formado por seis protones y seis neutrones. Se trata de un equilibrio adecuado entre ambos para la estabilidad, y cada átomo de carbono 12 durará para siempre en la mayoría de los entornos. Eso es mejor para nosotros, ya que sería un problema que uno de los elementos más comunes de nuestro cuerpo fuera radiactivo. El carbono-13, con un séptimo neutrón, se forma con menos frecuencia pero también es estable.
Sin embargo, el carbono-14 también existe en la naturaleza y podemos producir carbono-11 en el laboratorio. Ambos son radiactivos, lo que significa que se desintegrarán, pero el carbono-11 lo hace mucho más rápidamente. Es aquí donde entra en juego el concepto de vida media.
Nunca se puede predecir el tiempo que tardará un átomo individual en desintegrarse, pero las predicciones estadísticas de muestras grandes pueden ser muy precisas.
Para cualquier muestra sustancial de un isótopo radiactivo, la mitad de los átomos se desintegrarán en un período conocido como vida media de ese isótopo. Si almacenas adecuadamente un kilogramo de carbono-14, 5.700 años después tus herederos tendrán 500 gramos de carbono-14 y 500 gramos de nitrógeno-14. En el medio, se liberarán grandes cantidades de partículas beta (electrones que se mueven rápidamente) a medida que la mitad de los átomos se transforman de un átomo a otro.
La mitad de una muestra de carbono 11, por el contrario, se convierte en boro-11 en sólo 20 minutos, por lo que tenemos que fabricarla nosotros mismos. Cualquiera que se forme naturalmente va muy rápido.
Se podría esperar que en otros 5.700 años, el resto del carbono 14 también se hubiera desintegrado, dejándonos nada más que nitrógeno, pero no es así como funciona. En cambio, la mitad del carbono 14 restante se desintegrará en ese tiempo, dejando atrás 250 gramos. Dentro de 5,7 milenios más habrá 125 gramos, y así sucesivamente.
Sólo cuando han pasado millones de años y ya te quedan unos pocos átomos de carbono, comienza a volverse impredecible: con un tamaño de muestra tan pequeño, podrías perder la mayor parte del carbono restante, o significativamente menos de la mitad, aunque la mitad sea la mitad. resultado más probable.
Por qué es importante
Científicamente, las vidas medias son cruciales para nuestra capacidad de determinar la edad de los objetos. Las plantas y las algas fotosintéticas absorben carbono de la atmósfera, y se capturan pequeñas cantidades de carbono-14 en proporción a su presencia allí. Hasta hace poco, esto significaba que el carbono-14 en el tejido vegetal vivo y en los animales vivos que se alimentaban de esas plantas era constante. Sin embargo, una vez que la planta o el animal muere, el carbono 14 comienza a descomponerse, mientras que el carbono 12 y el carbono 13 permanecen igual. Si encuentra un objeto con la mitad de carbono-14 en relación con isótopos de carbono estables que en la atmósfera histórica, significa que tiene 5.700 años. Una cuarta parte significa que tiene 10.400 años.
Al medir la cantidad de carbono-14 pudimos datar por primera vez los fósiles de nuestros antepasados, un paso crucial para comprender nuestra evolución. También se utiliza para probar la autenticidad de objetos que se dice que son reliquias antiguas.
Sin embargo, la datación por carbono tiene sus límites. No se puede utilizar para medir la edad de objetos que tienen millones de años, porque quedará muy poco carbono-14. Por otro lado, en los últimos años la humanidad ha alterado las proporciones de carbono atmosférico. Anteriormente, la mayor parte del carbono 14 se formaba a través de los productos de los rayos cósmicos que impactaban en los átomos de nitrógeno atmosféricos. El carbono liberado al quemar combustibles fósiles tiene poco carbono-14, lo que reduce la proporción atmosférica, mientras que las pruebas nucleares producen lo suficiente como para elevar el promedio global. Estas dos actividades humanas han ido en contra de la otra, pero ambas cambiaron las proporciones, lo que en el futuro hará difícil estimar las edades de los objetos de nuestra época utilizando únicamente el carbono.
Afortunadamente, sin embargo, existen muchos otros isótopos radiactivos que pueden usarse para datar, algunos de los cuales se desintegran mucho más lentamente, lo que nos permite estimar la edad de objetos mucho más antiguos.
Con una vida media de miles de años, tan pocos átomos de carbono 14 se desintegran en un año determinado que no sufrimos mucho por su presencia en nuestros órganos. Sin embargo, no ocurre lo mismo con algunos átomos con vidas medias más cortas. Isótopos como el estroncio-90, el cesio-137 y el cobalto-60 tienen vidas medias lo suficientemente cortas como para producir mucha radiación, pero lo suficientemente largas como para que cuando un accidente provoque su liberación no podamos esperar fácilmente a que la radiación desaparezca. lejos. Cuando la radiación liberada en sus desintegraciones es lo suficientemente potente como para ser peligrosa, como lo es para estos isótopos o los productos en los que se desintegran, se trata de un problema importante.
Por otro lado, también pueden resultar útiles los isótopos con vidas medias cortas. Los usamos para obtener imágenes médicas, rastreando la radiación que liberan para identificar problemas en el cuerpo humano o para liberar partículas que necesitamos para experimentos científicos. A menudo, se trata de buscar un isótopo con la vida media adecuada para el trabajo.
El concepto de vida media también tiene otras aplicaciones. Los medicamentos, las vitaminas y los venenos pueden tener una vida media en el cuerpo, y la mitad se elimina o se descompone en un período de tiempo específico. Para los dos primeros, esto nos permite calcular la rapidez con la que debemos reemplazarlos.