El concepto de isótopo fue un avance muy significativo en la comprensión de la radiactividad. Pero aun estaban sobre la mesa dos cuestiones fundamentales, a saber, ¿cómo se producen los cambios en la naturaleza química cuando un átomo sufre una desintegración radiactiva? y ¿qué determina si el número atómico Z aumenta o disminuye en una transformación radiactiva dada?

En 1913, Soddy en Inglaterra y Kazimierz Fajans [1] en Alemania respondieron estas preguntas de forma independiente. Ambos propusieron dos reglas que sistematizaban todas las observaciones relevantes de la radiactividad natural. Se llaman reglas (hay quien las llama leyes) de Fajans-Soddy, reglas de transformación de la radiactividad o reglas de desplazamiento radiactivo.

Para 1913 el modelo nuclear del átomo de Rutherford estaba generalmente aceptado. Usando este modelo se podía considerar que un átomo radiactivo tiene un núcleo inestable que emite una partícula alfa o una partícula beta (a veces con emisión de un rayo gamma). Cada núcleo tiene una carga positiva dada por Ze, donde Z es el número atómico y e es la magnitud de la carga de un electrón. El núcleo está rodeado por Z electrones que hacen que el átomo en su conjunto sea eléctricamente neutro y determinan el comportamiento químico del átomo.

Por otra parte, sabemos que una partícula alfa tiene una masa atómica de aproximadamente cuatro unidades y una carga positiva de dos unidades, +2e. Una partícula beta tiene una carga negativa de una unidad, -e, y muy poca masa en comparación con una partícula alfa.

Con esta información en mente, las reglas de transformación radiactiva [2] dicen lo siguiente:

1. Cuando un núcleo emite una partícula alfa, la masa del átomo disminuye en cuatro unidades de masa atómica y el número atómico Z del núcleo disminuye en dos unidades; el átomo resultante pertenece a un elemento dos espacios hacia atrás en la tabla periódica.

2. Cuando un núcleo emite una partícula beta, la masa del átomo cambia muy poco, pero el número atómico Z aumenta en una unidad; el átomo resultante pertenece a un elemento un espacio hacia delante en la tabla periódica.

3. Cuando solo se emite un rayo gamma, no hay cambio en el número correspondiente a la masa atómica, ni en el número atómico.

Estas reglas, usando ahora el modelo del átomo de Rutherford-Bohr-Sommerfeld, ayudan a explicar por qué se produce un cambio en la naturaleza química como resultado de la emisión de una partícula alfa o beta. La emisión de una partícula alfa requiere dos cargas positivas del núcleo y cuatro unidades de masa atómica del átomo. Un ejemplo es el siguiente:

²¹⁸₈₄Po → ²¹⁴₈₂Pb + α

El nuevo átomo resultante (₈₂Pb) con su núcleo menos positivo puede contener en sus capas externas dos electrones menos que antes, por lo que los dos electrones en exceso se pierden. El comportamiento químico de los átomos está controlado por el número de electrones; por lo tanto, el nuevo átomo actúa químicamente como un átomo de un elemento con un número atómico dos unidades menor que el del átomo original.

Por otro lado, en el caso de la emisión beta, el núcleo, y con él todo el átomo, adquiere una carga positiva. Un ejemplo es el siguiente:

²³⁴₉₀Th → ²³⁴₉₁Pa + β

El número de electrones que el átomo puede contener alrededor del núcleo ha aumentado en uno. Después de que ha recogido un electrón extra para volverse neutral nuevamente, el átomo actúa químicamente como un átomo con un número atómico una unidad mayor que el del átomo antes de que ocurriera el cambio radiactivo.

Usando estas reglas de transformación, Soddy y Fajans pudieron determinar el lugar en la tabla periódica para cada una de las sustancias (o nucleidos) en la serie radiactiva; no era necesaria ninguna revisión de la tabla periódica existente. Ahora se sabe que muchos de los elementos entre Z = 82 (plomo) y Z = 92 (uranio) contienen varios isótopos cada uno. Estos resultados se podían deducir de la hipótesis de la existencia de isótopos, pero también se buscaron, y se obtuvieron, pruebas directas e independientes en 1914.

Notas:

[1] Unos de esos científicos olvidados de la primera mitad del siglo XX , a los que el Nobel pasó rozando y que lo hubieran merecido. Hoy sus descubrimientos están en libros de texto de física y química, muchas veces de forma anónima.

[2] A estas alturas de la serie, la lectora atenta posiblemente encontrará las reglas dignas de Pero Grullo, pero en 1913 fueron un gran avance.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance