126. A continuación se dará cuenta de algunos experimentos que han arrojado mucha luz, no solo sobre la naturaleza de los procesos que sirven para mantener la radiactividad de los cuerpos radiactivos, sino también sobre la fuente de la energía emitida continuamente por dichos cuerpos. En este capítulo, por simplicidad, se considerará únicamente la radiactividad del uranio y del torio, pues más adelante se verá que los cambios que tienen lugar en estas dos sustancias son típicos de los que ocurren en todas las sustancias radiactivas.

Hemos visto (sección 23) que existe cierta duda sobre si la radiactividad del torio se debe a ese mismo elemento o a un constituyente radiactivo desconocido asociado a él. Esta incertidumbre, sin embargo, no presentará ninguna dificultad seria cuando discutamos la radiactividad del torio, ya que las conclusiones generales son, en su mayor parte, independientes de si el torio es el constituyente radiactivo primario o no.

Por simplicidad, sin embargo, se asumirá por el momento que la radiactividad se debe al propio torio. Si futuras investigaciones demostrasen definitivamente que la radiactividad que se observa ordinariamente en el torio se debe a un nuevo elemento radiactivo mezclado con él, los procesos radiactivos considerados se referirán a este nuevo elemento.

127. Uranio X. Los experimentos de Mme Curie demuestran que la radiactividad del uranio y del radio es un fenómeno atómico. La actividad de cualquier compuesto de uranio depende únicamente de la cantidad de dicho elemento presente, no se ve afectada por su combinación química con otras sustancias, ni se ve afectada de manera apreciable por amplias variaciones de temperatura. Por lo tanto, parecería probable, dado que la actividad del uranio es una propiedad específica del elemento, que dicha actividad no pudiera separarse de este mediante agentes químicos.

En 1900, sin embargo, sir William Crookes¹ demostró que, mediante una sola operación química, se podía obtener uranio fotográficamente inactivo mientras que toda la actividad podía concentrarse en un pequeño residuo libre de uranio. Este residuo, al que dio el nombre de Ur X, era varios cientos de veces más activo fotográficamente, peso por peso, que el uranio del cual se había separado.

El método empleado para esta separación consistía en precipitar una disolución del uranio con carbonato amónico.

Al disolver el precipitado en un exceso del reactivo, quedó un precipitado ligero. Este se filtró y constituyó el Ur X. La sustancia activa Ur X probablemente estaba presente en una cantidad muy pequeña, mezclada con impurezas derivadas del uranio. No se observaron líneas nuevas en su espectro.

También se logró una separación parcial de la actividad del uranio mediante otro método. Se disolvió nitrato de uranio cristalizado en éter, y se descubrió entonces que el uranio se dividía entre el éter y el agua presentes en dos fracciones desiguales. Al examinarla mediante el método fotográfico, se halló que la pequeña parte disuelta en la capa de agua contenía prácticamente toda la actividad, mientras que la otra fracción era casi inactiva.

Estos resultados, tomados por sí mismos, apuntaban con mucha fuerza a la conclusión de que la actividad del uranio no se debía al elemento en sí, sino a alguna otra sustancia, asociada con él, que poseía propiedades químicas distintas.

Resultados de carácter similar fueron observados por Becquerel².

Se descubrió que el bario podía volverse fotográficamente muy activo añadiendo cloruro de bario a la solución de uranio y precipitando el bario como sulfato. Mediante una sucesión de precipitaciones, el uranio quedó fotográficamente casi inactivo, mientras que el bario resultó fuertemente activo.

El uranio inactivo y el bario activo fueron dejados a un lado; pero, al examinarlos un año después, se descubrió que el uranio había recuperado por completo su actividad, mientras que la del bario había desaparecido por completo. La pérdida de actividad del uranio era, por tanto, de carácter meramente temporal.

En los experimentos anteriores, la actividad del uranio fue examinada mediante el método fotográfico. La acción fotográfica producida por el uranio se debe casi en su totalidad a los rayos $β$ . Los rayos $α$ , en comparación, tienen poco efecto, si es que tienen alguno. Ahora bien, la radiación del Ur X consiste enteramente en rayos $β$ y, en consecuencia, es fotográficamente muy activa.

Si la actividad del uranio se hubiera medido eléctricamente sin ninguna pantalla encima, la corriente observada se habría debido en gran parte a los rayos $α$ , y se habrían observado pocos cambios tras la eliminación del Ur X, ya que solo se eliminó el componente responsable de los rayos $β$ . Este importante punto se analiza con más detalle en la sección 205.

128. Torio X. Rutherford y Soddy³, trabajando con compuestos de torio, descubrieron que se podía separar un constituyente intensamente activo del torio mediante una sola operación química.

Si se añade amoníaco a una disolución de torio, este precipita, pero una gran parte de la actividad permanece en el filtrado, el cual está químicamente libre de torio. Dicho filtrado se evaporó hasta sequedad y las sales de amonio se eliminaron por calcinación. Se obtuvo un pequeño residuo que, peso por peso, era en algunos casos varios miles de veces más activo que el torio del cual se había obtenido, mientras que la actividad del torio precipitado se redujo a menos de la mitad de su valor original. Este constituyente activo fue denominado Th X por analogía con el Ur X de Crookes.

Se halló que el residuo activo consistía principalmente en impurezas del torio; el Th X no pudo ser examinado químicamente y, probablemente, solo estaba presente en una cantidad diminuta.

También se descubrió que un componente activo podía separarse parcialmente del óxido de torio agitándolo con agua durante un tiempo. Al filtrar el agua y evaporarla, se obtuvo un residuo muy activo que era análogo en todos los aspectos al Th X.

Al examぬいぐるみar los productos un mes más tarde, se vio que el Th X ya no estaba activo, mientras que el torio había recuperado por completo su actividad.

Se emprendió entonces una larga serie de mediciones para examinar la velocidad temporal de estos procesos de descomposición y recuperación de la actividad.

Los resultados se muestran gráficamente en la Fig. 47, donde la actividad final del torio y la actividad inicial del Th X se toman en cada caso como 100. Las ordenadas representan las actividades determinadas mediante la corriente de ionización, y las abscisas representan el tiempo en días.

Se observará que ambas curvas son irregulares durante los primeros dos días. La actividad del Th X aumentó al principio, mientras que la actividad del torio disminuyó.

Si se desprecian estas irregularidades iniciales de las curvas, que se explicarán en detalle en la sección 208, se verá que, transcurridos los primeros dos días, el tiempo que tarda el torio en recuperar la mitad de su actividad perdida es aproximadamente igual al tiempo que tarda el Th X en perder la mitad de su actividad. Este tiempo en cada caso es de unos cuatro días. La proporción porcentual de la actividad recuperada por el torio, en cualquier intervalo dado, es aproximadamente igual a la proporción porcentual de la actividad perdida por el Th X durante el mismo intervalo.

Si la curva de recuperación se prolonga hacia atrás hasta cortar el eje vertical, lo hace en un mínimo de un 25 por ciento, y las conclusiones anteriores se cumplen con mayor exactitud si se supone que la recuperación comienza a partir de este mínimo. Esto se muestra claramente en la Fig. 48, donde los porcentajes de actividad recuperada, calculados a partir del mínimo del 25 por ciento, se representan como ordenadas. En la misma figura, la curva de desintegración, después del segundo día, se muestra a la misma escala. La actividad del Th X decrece con el tiempo según una ley exponencial, reduciéndose a la mitad en unos cuatro días. Si I₀ es la actividad inicial e I_t es la actividad transcurrido un tiempo t, entonces

donde $λ$ es una constante y e la base de los logaritmos naturales. La curva experimental del aumento de actividad desde un valor mínimo hasta un valor máximo se expresa por lo tanto mediante la ecuación

I₀ es la cantidad de actividad recuperada cuando se alcanza el estado de actividad constante,
I_t es la actividad recuperada después de un tiempo t, y
λ es la misma constante que antes.

129. Uranio X. Se obtuvieron resultados similares al examinar el uranio. El Ur X se separó mediante el método de precipitaciones sucesivas con bario de Becquerel. La descomposición de la actividad separada y la recuperación de la actividad perdida se muestran gráficamente en la Fig. 49. En la sección 205 se ofrece una discusión más detallada de este experimento.

Las curvas de decaimiento y recuperación presentan las mismas peculiaridades y pueden expresarse mediante las mismas ecuaciones que en el caso del torio. La velocidad temporal de decaimiento y recuperación es, sin embargo, mucho más lenta que para el torio, y la actividad del Ur X se reduce a la mitad en unos 22 días.

Un gran número de resultados de un carácter similar se han obtenido de otros productos radiactivos, separados de los radioelementos, pero los casos del torio y del uranio serán suficientes por el momento para constituir una base para la discusión de los procesos que tienen lugar en los cuerpos radiactivos.

130. Teoría de los fenómenos.

Estos procesos de descomposición y recuperación se desarrollan exactamente a la misma velocidad si las sustancias se separan unas de otras, o se encierran en plomo, o se colocan en un tubo de vacío. A primera vista, es un fenómeno notable que los procesos de descomposición y recuperación estén tan íntimamente conectados, aunque no existe la posibilidad de una interacción mutua entre ellos. Sin embargo, estos resultados reciben una explicación completa mediante las siguientes hipótesis:

(1) Que existe una tasa constante de producción de materia radiactiva nueva por parte del cuerpo radiactivo;

(2) Que la actividad de la materia así formada decrece según una ley exponencial con el tiempo a partir del momento de su formación.

Supóngase que se producen q₀ partículas de materia nueva por segundo a partir de una masa dada de materia. La tasa de emisión de energía debida a las partículas producidas en el tiempo dt es, en el momento de su formación, igual a Kq₀dt, donde K es una constante.

Se requiere hallar la actividad debida a toda la materia producida después de que el proceso ha continuado durante un tiempo T.

La actividad dI, debida a la materia producida durante el tiempo dt en el tiempo t, decrece de acuerdo con una ley exponencial durante el tiempo T – t que transcurre antes de que su actividad sea estimada, y en consecuencia viene dada por

donde λ es la constante de desintegración de la actividad de la materia activa.

La actividad I_T debida a toda la materia producida en el tiempo T viene dada por lo tanto por

La actividad alcanza un valor máximo I₀ cuando T es muy grande, y viene dada entonces de este modo

Esta ecuación concuerda con los resultados experimentales para la recuperación de la actividad perdida. Más adelante, en la sección 133, se presenta otro método para obtener esta ecuación.

Se alcanza un estado de equilibrio cuando la velocidad de pérdida de actividad de la materia ya producida se equilibra con la actividad aportada por la producción de nueva materia activa. Según este punto de vista, los cuerpos radiactivos están experimentando un cambio, pero la actividad permanece constante debido a la acción de dos procesos opuestos. Ahora bien, si esta materia activa puede separarse en cualquier momento de la sustancia en la que se produce, el decaimiento de su actividad, en su conjunto, debería seguir una ley exponencial con el tiempo, ya que cada porción de la materia disminuye en actividad según una ley exponencial con el tiempo, sea cual fuere su edad.

Si I₀ es la actividad inicial del producto separado, la actividad I_t tras un intervalo t viene dada por

Por lo tanto, las dos hipótesis —la de la producción uniforme de materia activa y la del decaimiento de su actividad según una ley exponencial desde el momento de su formación— explican satisfactoriamente la relación entre las curvas de decaimiento y recuperación de la actividad.

131. Evidencia experimental.

Resta ahora considerar más evidencia experimental en apoyo de estas hipótesis.

La concepción principal es que los cuerpos radiactivos son capaces de producir a partir de sí mismos materia con propiedades químicas diferentes a las de la sustancia madre, y que este proceso ocurre a un ritmo constante.

Esta nueva materia posee inicialmente la propiedad de actividad y la pierde de acuerdo con una ley definida.

El hecho de que una parte de la actividad del radio y del torio pueda concentrarse en pequeñas cantidades de materia activa como el Th X o el Ur X no prueba, por sí mismo y de manera directa, que se haya separado químicamente un componente material responsable de la actividad.

Por ejemplo, en el caso de la separación del Th X del torio, podría suponerse que la parte de la disolución ajena al torio se vuelve temporalmente activa debido a su asociación con este, y que dicha propiedad se retiene a través de los procesos de precipitación, evaporación e ignición, manifestándose finalmente en el residuo restante.

Según este punto de vista, cabría esperar que cualquier precipitado capaz de eliminar por completo el torio de su disolución produjera residuos activos similares a los obtenidos a partir del amoníaco. Sin embargo, no se ha observado ningún caso de este tipo.

Por ejemplo, cuando se precipita nitrato de torio mediante carbonato de sodio o de amonio, el residuo del filtrado tras la evaporación y la ignición carece de actividad y el carbonato de torio obtenido tiene la cantidad normal de actividad.

De hecho, el amoníaco es el único reactivo que se ha encontrado hasta ahora capaz de separar completamente el Th X del torio.

Se puede lograr una separación parcial del Th X agitando óxido de torio con agua debido a la mayor solubilidad del Th X en agua.

El torio y el uranio se comportan de manera bastante diferente con respecto a la acción del amoníaco y del carbonato de amonio.

El Ur X se precipita por completo con el uranio en una solución de amoníaco y el filtrado es inactivo. El Ur X se separa mediante el carbonato de amonio, mientras que el Th X, bajo las mismas condiciones, se precipita por completo con el torio.

El Ur X y el Th X se comportan así como tipos distintos de materia con propiedades químicas bien marcadas, bastante diferentes de las de las sustancias en las que se producen.

La eliminación del Ur X mediante la precipitación de bario probablemente no esté directamente relacionada con las propiedades químicas del Ur X. La separación se debe probablemente al arrastre del Ur X con el denso precipitado de bario.

Sir William Crookes descubrió que el Ur X era arrastrado por los precipitados cuando no mediaba ninguna cuestión de insolubilidad, y cabe esperar un resultado de este tipo si el Ur X existe en una cantidad extremadamente pequeña.

Hay que tener en cuenta que la cantidad real de los constituyentes activos Th X y Ur X, separados del torio y del uranio, es probablemente infinitesimal, y que la mayor proporción de los residuos se debe a las impurezas presentes en la sal y en los reactivos, estando mezclada con ellos una cantidad muy pequeña de materia activa.

132. Velocidad de producción del Th X.

Si la recuperación de la actividad del uranio o del torio se debe a la producción continua de nueva materia activa, debería ser posible obtener evidencia experimental del proceso. Como el caso del torio es el que se ha investigado con mayor profundidad, se dará una breve descripción de algunos experimentos realizados por Rutherford y Soddy⁴ para demostrar que el Th X se produce de forma continua a una velocidad constante.

Los experimentos preliminares demostraron que tres precipitaciones sucesivas eran suficientes para eliminar el Th X casi por completo del torio. El método general empleado consistió en precipitar una solución de 5 gramos de nitrato de torio con amoníaco. A continuación, el precipitado se redisolvió en ácido nítrico y el torio se volvió a precipitar como antes, tan rápidamente como fuera posible, de modo que el Th X producido en el tiempo transcurrido entre precipitaciones sucesivas no afectara apreciablemente a los resultados.

La eliminación del Th X fue seguida mediante mediciones de la actividad de los residuos obtenidos de los filtrados sucesivos. En tres precipitaciones sucesivas, las actividades de los residuos fueron proporcionales a 100, 8 y 1·6 respectivamente. Por lo tanto, dos precipitaciones son casi suficientes para liberar al torio del Th X.

El torio liberado de Th X se dejó reposar durante un tiempo determinado, y la cantidad de Th X formada durante ese tiempo se halló precipitando y midiendo su radioactividad.

De acuerdo con la teoría, la actividad I_t del torio formado en el tiempo t viene dada por

donde * I₀ es la actividad total del Th X, cuando hay equilibrio radiactivo.

Si $λ * t$ es pequeño,

Como la actividad del Th X reduce su valor a la mitad en 4 días, el valor de $λ$ expresado en horas = ·0072. Después de transcurrir un periodo de 1 hora se debería obtener aproximadamente ¹⁄₁₄₀, después de 1 día ⅙, y después de 4 días ½ del máximo. Los resultados experimentales obtenidos mostraron una concordancia, tan buena como cabría esperar, con la ecuación que expresa el resultado de que el Th X se estaba produciendo a una velocidad constante.

El nitrato de torio que había sido liberado del Th X se dejó reposar durante un mes y, a continuación, se sometió de nuevo al mismo proceso.

Se encontró que la actividad del Th X era la misma que la obtenida a partir de una cantidad igual del nitrato de torio original. En un mes, por lo tanto, el Th X se había regenerado y había alcanzado un valor máximo.

Al dejar pasar el tiempo para que el torio recuperara plenamente su actividad, este proceso puede repetirse indefinidamente, y se obtienen cantidades iguales de Th X en cada precipitación.

El nitrato de torio comercial ordinario y el nitrato más puro que se pudo obtener mostraron exactamente la misma acción, y se pudieron obtener cantidades iguales de Th X a partir de pesos iguales. Estos procesos parecen ser, por tanto, independientes de la pureza química de la sustancia⁵.

El proceso de la producción del Th X es continuo, y no se ha observado ninguna alteración en la cantidad producida en el tiempo dado tras separaciones repetidas. Tras 23 precipitaciones a lo largo de 9 días, la cantidad producida en un intervalo dado fue aproximadamente la misma que al principio del proceso.

Todos estos resultados concuerdan con la opinión de que el Th X se produce continuamente a partir del compuesto de torio a una velocidad constante.

La cantidad de materia activa producida a partir de 1 gramo de torio es probablemente extremadamente minúscula, pero los efectos eléctricos debidos a su actividad son tan grandes que el proceso de producción puede seguirse tras intervalos extremadamente cortos.

Con un electrómetro sensible, la cantidad de Th X producida por minuto en 10 gramos de nitrato de torio imparte un movimiento rápido a la aguja del electrómetro. Para intervalos mayores es necesario añadir capacidad adicional al sistema para mantener los efectos dentro del rango del instrumento.

133. Ritodo de decaimiento de la actividad. Se ha demostrado que la actividad del Ur X y del Th X decae según una ley exponencial con el tiempo. Esta, como veremos más adelante, es la ley general de decaimiento de la actividad en cualquier tipo de materia activa, obtenida por sí misma y libre de cualquier producto activo secundario que ella misma pueda producir. En cualquier caso, cuando no se cumple esta ley, puede demostrarse que la actividad se debe a la superposición de dos o más efectos, cada uno de los cuales decae según una ley exponencial con el tiempo. La interpretación física de esta ley aún queda por discutir.

Se ha demostrado que en los compuestos de uranio y torio hay una producción continua de materia activa que mantiene al compuesto en equilibrio radiactivo. Los cambios mediante los cuales se produce la materia activa deben ser de naturaleza química, ya que los productos de la acción tienen propiedades químicas diferentes de la materia en la que ocurren dichos cambios. La actividad de los productos ha proporcionado los medios para seguir los cambios que en ellos se producen. Queda ahora por considerar la conexión entre la actividad en un momento dado y la cantidad de cambio químico que tiene lugar en ese momento.

En primer lugar, se encuentra experimentalmente que la corriente de ionización de saturación i_t, después de haber dejado decaer el producto activo durante un tiempo t, viene dada por

donde i₀ es la corriente de saturación inicial y λ la constante de decaimiento.

Ahora la corriente de saturación es una medida del número total de iones producidos por segundo en el recipiente de prueba. Ya se ha demostrado que los rayos α, que producen la mayor proporción de ionización en el gas, consisten en partículas cargadas positivamente proyectadas con gran velocidad.

Supongamos por simplicidad que cada átomo de materia activa, en el curso de su cambio, da lugar a una partícula α proyectada. Cada partícula α producirá un cierto número promedio de iones en su trayectoria antes de chocar con los límites o ser absorbida en el gas.

Dado que el número de partículas proyectadas por segundo es igual al número de átomos que cambian por segundo, el número de átomos n_t que cambian por segundo en el instante t viene dado por

donde n₀ es el número inicial que cambia por segundo. Desde este punto de vista, por tanto, la ley de desintegración expresa el resultado de que el número de átomos que cambian por unidad de tiempo disminuye según una ley exponencial con el tiempo. El número de átomos N_t que permanecen sin cambiar tras un intervalo t viene dado por

Si * N₀ es el número de átomos al principio,

Así

o la ley de desintegración expresa el hecho de que la actividad de un producto en cualquier momento es proporcional al número de átomos que permanecen inalterados en ese momento.

Esto es lo mismo que la ley del cambio monomolecular en química, y expresa el hecho de que solo hay un sistema cambiante.

Si el cambio dependiera de la acción mutua de dos sistemas, la ley de desintegración sería diferente, ya que la tasa de desintegración en ese caso dependería de la concentración relativa de las dos sustancias reaccionantes.

Esto no es así, pues hasta ahora no se ha observado ni un solo caso en el que la ley de desintegración se viera afectada por la cantidad de materia activa presente.

A partir de la ecuación anterior (1)

o el número de sistemas que cambian por unidad de tiempo es proporcional al número de los que no han cambiado en ese momento.

En el caso de la recuperación de actividad, después de que un producto activo ha sido eliminado, el número de sistemas que cambian en la unidad de tiempo, cuando se produce el equilibrio radiactivo, es igual a λN₀.

Esto debe ser igual al número q₀ de nuevos sistemas aplicados en la unidad de tiempo, o sea que λ tiene así un significado físico bien definido, y puede definirse como la proporción del número total de sistemas presentes que cambian por segundo. Tiene diferentes valores para los distintos tipos de materia activa, pero es invariable para cualquier tipo particular de materia.

Por esta razón, λ se denominará la «constante radiactiva» del producto.

Nos encontramos ahora en condiciones de discutir con mayor precisión física el crecimiento gradual del Th X en el torio, después de que este le ha sido completamente retirado.

Sean q₀ partículas de Th X producidas por segundo por el torio, y sea N el número de partículas de Th X presentes en cualquier momento t después de que se retiró el Th X original.

El número de partículas de Th X que se desintegran cada segundo es λN, donde λ es la constante radiactiva del Th X.

Ahora bien, en cualquier momento durante el proceso de recuperación, la tasa de aumento del número de partículas de Th X = la tasa de producción – la tasa de cambio; es decir

La solución de esta ecuación es de la forma

donde a y b son constantes.

Ahora bien, cuando t es muy grande, el número de partículas de Th X presentes alcanza un valor máximo N₀.

y la ecuación se convierte en

Esto es equivalente a la ecuación ya obtenida en la sección 130, ya que la intensidad de la radiación es siempre proporcional al número de partículas presentes.

134. Influencia de las condiciones en la velocidad de desintegración.

Dado que la actividad de cualquier producto, en un momento dado, puede tomarse como una medida de la velocidad a la que tiene lugar el cambio químico, puede utilizarse como un medio para determinar el efecto de las condiciones sobre los cambios que ocurren en la materia radiactiva. Si la velocidad de cambio debiera acelerarse o retardarse, es de esperar que el valor de la constante radiactiva $λ$ aumente o disminuya, es decir, que la curva de desintegración sea diferente bajo diferentes condiciones.

Sin embargo, no se ha observado todavía tal efecto en ningún caso de cambio radiactivo, en el que no se permita escapar del sistema a ninguno de los productos activos producidos.

La velocidad de desintegración no se ve alterada por ningún agente químico o físico, y en este aspecto los cambios en la materia radiactiva se distinguen claramente de los cambios químicos ordinarios.

Por ejemplo, la velocidad de desintegración de la actividad de cualquier producto se produce a la misma velocidad cuando la sustancia está expuesta a la luz que cuando se mantiene en la oscuridad, y a la misma velocidad en el vacío que en el aire o en cualquier otro gas a presión atmosférica.

Su velocidad de desintegración no se altera al rodear la materia activa con una capa gruesa de plomo en condiciones en las que ninguna radiación ordinaria procedente del exterior pueda afectarla.

La actividad de la materia no se ve afectada por la ignición o el tratamiento químico. El material que da origen a la actividad puede disolverse en ácido y volverse a obtener mediante la evaporación de la solución sin alterar la actividad. La velocidad de desintegración es la misma, ya sea que la materia activa se mantenga en estado sólido o se conserve en solución.

Cuando un producto ha perdido su actividad, ni la resolución ni el calor lo regeneran y, como veremos más adelante, la velocidad de descomposición de los productos activos examinados hasta ahora es la misma al rojo vivo que a la temperatura del aire líquido.

De hecho, ninguna variación de las condiciones físicas o químicas ha dado lugar a ninguna diferencia observable en la descomposición de la actividad de ninguno de los numerosos tipos de materia activa que se han examinado.

135. Efecto de las condiciones sobre la velocidad de recuperación de la actividad.

La recuperación de la actividad de un radioelemento con el tiempo, cuando se separa de él un producto activo, está regida por la velocidad de producción de materia activa nueva y por la descomposición de la actividad de la que ya ha sido producida. Puesto que la velocidad de descomposición de la actividad del producto separado es independiente de las condiciones, la velocidad de recuperación de la actividad solo puede modificarse mediante un cambio en la velocidad de producción de materia activa nueva.

Hasta donde han llegado los experimentos, la velocidad de producción, al igual que la velocidad de descomposición, es independiente de las condiciones químicas o físicas. De hecho, existen ciertos casos que son excepciones aparentes a esta regla. Por ejemplo, el escape de las emanaciones radiactivas del torio y del radio se ve fácilmente afectado por el calor, la humedad y la disolución.

Una investigación más exhaustiva, sin embargo, muestra que la excepción es solo aparente y no real. Estos casos se discutirán con más detalle en el capítulo VII, pero puede afirmarse aquí que las diferencias observadas se deben a diferencias en la velocidad de escape de las emanaciones hacia el gas circundante, y no a diferencias en la velocidad de producción. Por esta razón es difícil comprobar la cuestión en discusión en el caso de los compuestos de torio, los cuales en la mayoría de los casos permiten fácilmente que la emanación producida por ellos escape al aire.

Para demostrar que la velocidad de producción es independiente del estado molecular, la temperatura, etc., es necesario en tal caso emprender una larga serie de mediciones que abarquen todo el tiempo de recuperación.

Es imposible hacer comparaciones relativas precisas para ver si la actividad se altera por la conversión de un compuesto en otro. La actividad relativa en tal caso, cuando se mide extendiendo un peso determinado de material uniformemente sobre una placa metálica, varía enormemente con las condiciones físicas del precipitado, aunque la actividad total de dos compuestos pueda ser la misma.

El siguiente método⁶ ofrece un medio preciso y sencillo para estudiar si la velocidad de producción de materia activa está influenciada por el estado molecular.

La sustancia se convierte químicamente en cualquier compuesto requerido, teniendo cuidado de que los productos activos se recuperen durante el proceso. El nuevo compuesto se extiende luego sobre una placa metálica y se compara con una muestra estándar de uranio durante varios días o semanas según sea necesario.

Si la velocidad de producción de materia activa se ve alterada por la conversión, debería producirse un aumento o disminución de la actividad hasta un nuevo valor estacionario, en el que la producción de materia activa vuelva a estar equilibrada por la velocidad de desintegración. Este método tiene la gran ventaja de ser independiente de la condición física del precipitado.

Puede aplicarse satisfactoriamente a un compuesto de torio como el nitrato y el óxido que ha sido calentado al rojo blanco, tras cuyo tratamiento solo escapa una ligera cantidad de emanación. El nitrato se convirtió en el óxido en un crisol de platino mediante tratamiento con ácido sulfúrico e calcinación al rojo blanco. El óxido así obtenido se extendió sobre una placa, pero no se observó ningún cambio en su actividad con el tiempo, lo que demuestra que en este caso la velocidad de producción era independiente del estado molecular.

Este método, que es limitado en el caso del torio, puede aplicarse de manera general a los compuestos de uranio donde los resultados no se ven complicados por la presencia de una emanación.

Aún no se han observado diferencias en las curvas de recuperación de los diferentes compuestos de torio tras la eliminación del Th X. Por ejemplo, la velocidad de recuperación es la misma tanto si el hidróxido precipitado se convierte en óxido como en sulfato.

136. Hipótesis de desintegración. En la discusión de los cambios en los cuerpos radiactivos, solo se han considerado los productos activos Ur X y Th X. Sin embargo, más adelante se mostrará que estos dos productos son solo ejemplos de muchos otros tipos de materia activa que son producidos por los elementos radiactivos, y que cada uno de estos tipos de materia activa posee propiedades químicas definidas, así como radiactivas, que lo distinguen, no solo de los otros productos activos, sino también de la sustancia a partir de la cual es producido.

La investigación completa de estos cambios se mostrará para verificar en cada detalle la hipótesis de que la radiactividad es el acompañamiento de cambios químicos de una clase especial que ocurren en la materia, y que la actividad constante de los radioelementos se debe a un proceso de equilibrio, en el cual la velocidad de producción de materia activa nueva equilibra la velocidad de cambio de la ya formada.

Ahora se considerará la naturaleza del proceso que tiene lugar en los radioelementos, con el fin de dar lugar a la producción, a un ritmo constante, de nuevos tipos de materia activa. Dado que en los compuestos de torio o uranio hay una producción continua de materia radiactiva, que difiere en sus propiedades químicas de la sustancia madre, debe estar ocurriendo algún tipo de cambio en el radioelemento.

Este cambio, mediante el cual se produce nueva materia, es muy diferente en su carácter de los cambios moleculares tratados en química, ya que no se conoce ningún cambio químico que transcurra a la misma velocidad a temperaturas correspondientes al rojo vivo y al aire líquido, y que sea independiente de toda acción física y química.

Si, no obstante, se supone que la producción de materia activa es el resultado de cambios, no en la molécula, sino en el propio átomo, no es de esperar que la temperatura ejerza mucha influencia. La experiencia general de la química al no lograr transformar los elementos por la acción de la temperatura es por sí misma una prueba contundente de que amplios rangos de temperatura no tienen gran efecto en alterar la estabilidad del átomo químico.

La hipótesis de que los átomos de los radioelementos sufren una desintegración espontánea fue propuesta por Rutherford y Soddy como resultado de evidencias de esta índole. El descubrimiento de la naturaleza material de los rayos $α$ añadió una sólida confirmación a la hipótesis; pues se ha señalado (sección 95) que la expulsión de partículas $α$ debe ser el resultado de una desintegración de los átomos del radioelemento.

Tomando el caso del torio como ejemplo, los procesos que ocurren en el átomo pueden imaginarse de la siguiente manera.

Debe suponerse que los átomos de torio no son sistemas permanentemente estables, sino que, en promedio, una pequeña proporción constante de ellos —aproximadamente un átomo de cada 10¹⁶ será suficiente— se desintegra por segundo.

La desintegración consiste en la expulsión del átomo de una o más partículas $α$ con gran velocidad. Para mayor simplicidad, se supondrá que cada átomo expulsa una partícula $α$ .

Se ha demostrado que la partícula $α$ del radio tiene una masa aproximadamente igual al doble de la del átomo de hidrógeno. Por la similitud de los rayos $α$ del torio y del radio, es probable que la partícula $α$ del torio no difiera mucho en masa de la del radio, y que pueda ser igual a ella.

Las partículas $α$ expulsadas de los átomos de torio al desintegrarse constituyen lo que se conoce como la «actividad no separable» del torio. Esta actividad, medida por los rayos $α$ , es de aproximadamente el 25 por ciento del máximo.

Tras la huida de una partícula $α$ , la parte del átomo que queda atrás, cuya masa es ligeramente menor que la del átomo de torio, tiende a reorganizar sus componentes para formar un sistema temporalmente estable. Es de esperar que difiera en sus propiedades químicas del átomo de torio del cual se derivó. El átomo de la sustancia Th X es, desde este punto de vista, el átomo de torio menos una partícula $α$ .

Los átomos de Th X son mucho más inestables que los átomos de torio, y uno tras otro se desintegran, expulsando cada átomo una partícula $α$ como antes. Estas partículas $α$ proyectadas dan lugar a la radiación del Th X.

Dado que la actividad del Th X se reduce a la mitad de su valor original en unos cuatro días, por término medio la mitad de los átomos de Th X se desintegran en cuatro días, siendo el número que se desintegra por segundo siempre proporcional al número presente.

Después de que un átomo de Th X ha expulsado una partícula $α$ , la masa del sistema se reduce de nuevo y sus propiedades químicas cambian. Se demostrará (sección 154) que el Th X produce la emanación de torio, la cual existe como un gas radiactivo, y que esta a su vez se transforma en materia que se deposita sobre cuerpos sólidos y da lugar a los fenómenos de actividad inducida.

Los primeros cambios sucesivos que ocurren en el torio se muestran en el diagrama siguiente (Fig. 50).

Así, como resultado de la desintegración del átomo de torio, se produce una serie de sustancias químicas, cada una de las cuales posee propiedades químicas distintivas. Cada uno de estos productos es radiactivo y pierde su actividad de acuerdo con una ley definida. Dado que el torio tiene un peso atómico de 237, y el peso de la partícula $α$ es aproximadamente 2, es evidente que, si solo se expulsa una partícula $α$ en cada cambio, el proceso de desintegración podría atravesar una serie de etapas sucesivas y aun así dejar atrás, al final del proceso, una masa comparable a la del átomo progenitor.

Más adelante se demostrará que debe suponerse que también tiene lugar en el uranio, el actinio y el radio un proceso de desintegración muy similar al ya descrito para el torio. La discusión completa de este tema no puede exponerse convenientemente hasta que se hayan considerado en detalle dos de los productos más importantes de las tres sustancias torio, radio y actinio, a saber: las emanaciones radiactivas y la materia que causa la actividad inducida.

137. Magnitud de los cambios. Puede calcularse por varios métodos independientes (véase la sección 246) que, para dar cuenta de la radiactividad observada en el torio, unos 3 × 10⁴ átomos de cada gramo de torio sufren desintegración por segundo. Es bien sabido (sección 39) que 1 centímetro cúbico de hidrógeno a presión y temperatura atmosféricas contiene unos 3,6 × 10¹⁹ moléculas. De esto se deduce que un gramo de torio contiene 3,6 × 10²¹ átomos. La fracción que se desintegra por segundo es, por tanto, de aproximadamente 10^-17. Esta es una proporción extremadamente pequeña, y es evidente que el proceso podría continuar durante largos intervalos de tiempo antes de que la cantidad de materia modificada fuera capaz de ser detectada por el espectroscopio o por la balanza.

Con el electroscopio es posible detectar la radiación de $10^{- 5}$ gramos de torio, es decir, el electroscopio es capaz de detectar la ionización que acompaña a la desintegración de un solo átomo de torio por segundo.

El electroscopio es, por lo tanto, un medio extraordinariamente delicado para la detección de cambios diminutos en la materia, los cuales van acompañados, como en el caso de los radioelementos, por la expulsión de partículas cargadas a gran velocidad.

Es posible detectar mediante su radiación la cantidad de Th X producida en un segundo por 1 gramo de torio, aunque el proceso probablemente tendría que continuar durante miles de años antes de poder ser detectado por la balanza o el espectroscopio.

Es evidente, por tanto, que los cambios que se producen en el torio son de un orden de magnitud muy diferente al de los cambios químicos ordinarios, y no sorprende que nunca hayan sido observados por métodos químicos directos.