¿Por qué algunos gases transfieren radiactividad y otros no?

Químicamente, el helio es inerte porque tiene una "capa de valencia llena" de electrones, que es muy estable; es extremadamente difícil cambiar esta estructura, ya que hacerlo requiere mucha energía y produce un sistema que probablemente vuelva rápidamente a su estado fundamental en condiciones normales.

El núcleo de helio-4 se encuentra en una situación muy similar: en cierto sentido, tiene "cáscaras llenas" de protones y neutrones. En relación con sus vecinos en la tabla nuclear, es una de las configuraciones nucleares más estables que hemos medido. Cambiar esta estructura nuclear de alguna manera es difícil, por lo que es poco probable que el helio-4 se vuelva radiactivo en primer lugar, y las configuraciones que se crean cuando sucede son tan inestables que se descomponen casi instantáneamente. La captura de neutrones (con mucho, la principal causa de la radiactividad secundaria) crea helio-5, que se desintegra con una vida media de$7\times 10^{-22}$segundos, por lo que apenas existe, y ciertamente no se encontrará fuera del reactor. También es básicamente imposible excitar el núcleo de helio-4 a un nivel de energía más alto usando radiación gamma de un reactor de fisión, ya que el siguiente nivel de energía es de 20 MeV por encima del estado fundamental (como referencia, la mayoría de los pasos de la cadena de desintegración del uranio tienen una energía total liberada de sólo 4-7 MeV). Entonces es seguro decir que el helio-4 es radiológicamente inerte.

El término "conducción" probablemente* se refiere al siguiente proceso: un núcleo radiactivo predispuesto a emitir neutrones se desintegra, y los neutrones emitidos son capturados por otro núcleo, lo que podría volverlo inestable y por lo tanto radiactivo. En este sentido, lo que determina la facilidad con la que una sustancia "conduce" la radiactividad es su voluntad de capturar neutrones (también conocida como sección transversal de captura de neutrones ), que depende en gran medida de la estructura nuclear específica. (Hay otras formas de inducir radiactividad, como la desintegración beta de un núcleo seguida de la captura de electrones por otro, o la emisión y absorción de rayos gamma, pero las condiciones requeridas para esos procesos son más raras).

Para otras sustancias radiológicamente inertes, uno podría buscar otros núcleos que tengan "cáscaras llenas" de protones y neutrones. En la estructura nuclear, estos se denominan núcleos "doblemente mágicos" (que tienen un número "mágico" de protones y un número "mágico" de neutrones), y de hecho tienen una reputación de estabilidad, aunque ninguno es tan estable como el helio-4. . Los núcleos doblemente mágicos incluyen oxígeno-16, calcio-40 y hierro-56.

*Permítanme enfatizar que "conducción" es una terminología muy poco estándar; el término para el proceso que describo aquí es "radiactividad inducida".

Un átomo estable en las inmediaciones de un reactor de fisión puede volverse radiactivo si su núcleo absorbe una partícula energética. La partícula energética dominante producida por la reacción de fisión es el neutrón.

Cuando un neutrón golpea un núcleo, simplemente puede rebotar en él, impartiendo algo de energía cinética al átomo. Esto puede causar defectos estructurales en los sólidos y es un tema importante en el diseño del reactor, ya que demasiados defectos pueden debilitar seriamente los materiales con los que está construido el reactor. Pero, por supuesto, esto no es un problema para los gases o líquidos, la energía simplemente aumentará su temperatura.

Si el neutrón no rebota sino que es absorbido por el núcleo, el átomo se transmuta en un isótopo más pesado del mismo elemento. En algunos casos, el nuevo isótopo también es estable, pero en otros casos será inestable, es decir, radiactivo. Para átomos con un número atómico pequeño (Z, el número de protones en el núcleo), las combinaciones más estables tienen un número igual (o casi igual) de protones y neutrones. Si la relación protón:neutrón se desvía de esto, se producen reacciones para tratar de lograr una relación más estable.

si es normal$^4He$núcleo logra absorber un neutrón que transmuta en$^5He$. La probabilidad de que esto suceda es muy baja, pero incluso si sucede no hay de qué preocuparse porque$^5He$es muy inestable: se descompone de nuevo en$^4He$, con una vida media de alrededor$7\times 10^{-22}$segundos, emitiendo (por supuesto) un neutrón. Entonces, el resultado final es prácticamente indistinguible del neutrón que simplemente se dispersa del núcleo.

Los propios neutrones libres tienen una vida media de alrededor de 10,3 minutos, descomponiéndose en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico, por lo que es posible que nuestro núcleo de helio sea golpeado por un protón. Pero es mucho más difícil que un núcleo absorba un protón porque las cargas positivas se repelen entre sí. Normalmente se necesita una gran cantidad de energía (alta temperatura) para que ocurran tales reacciones de fusión nuclear. E incluso si por algún milagro un protón es absorbido por un$^4He$, el resultado es el altamente inestable$^5Li$, que tiene una vida media aún más corta que$^5He$, y que se desintegra emitiendo (lo has adivinado) un protón y volviendo a$^4He$.

En realidad, hay otro isótopo estable de helio,$^3He$, pero es muy raro y, por supuesto, si absorbe un neutrón, solo obtiene regular$^4He$.

Entonces, en resumen, cuando el helio está en un reactor de fisión, no puede volverse radiactivo, solo se calentará, lo que lo hace muy útil como refrigerante.

los elementos no "conducen" la radiactividad. algunos son capaces de transmutarse en isótopos radiactivos del mismo elemento o en nuevos elementos que sean radiactivos, al ser expuestos a una intensa radiación de neutrones. El helio es resistente a la transmutación y, por lo tanto, no se vuelve radiactivo al ser irradiado.