¿Cómo averiguan los científicos cuándo se cortó un trozo de madera de un árbol que murió hace miles de años? El secreto está en los átomos de carbono de la madera. Entre ellos hay variantes de carbono ligeramente más pesadas, y algunas de ellas desaparecen a un ritmo constante. Es como si cada átomo llevara un reloj dentro.
Los átomos de un mismo elemento que tienen distinto peso se llaman «isótopos» (Isotope). Sus propiedades químicas son casi idénticas, pero el número de neutrones de su núcleo varía. Por eso, algunos permanecen estables para siempre y otros emiten radiación y se transforman en otro elemento.
En este artículo veremos qué son los isótopos y cómo se estructura el átomo, en qué se diferencian los isótopos estables de los radiactivos, cómo se mide el tiempo con el carbono y qué aplicaciones tienen los isótopos en la medicina, la energía y la investigación del clima.
Átomos gemelos de distinto peso: principios y aplicaciones de los isótopos
Átomos distintos en la misma casilla
El átomo está formado por un núcleo central y por los electrones que giran a su alrededor. El núcleo, a su vez, se compone de protones y neutrones. El número de protones determina de qué elemento se trata. Si tiene 6 protones, es carbono. Si tiene 8 protones, es oxígeno.
- Número atómico (Atomic Number). Es el número de protones del núcleo y determina de qué elemento se trata.
- Número másico (Mass Number). Es la suma de protones y neutrones e indica aproximadamente cuánto pesa el átomo.
- Isótopos (Isotope). Son átomos que tienen el mismo número de protones y solo difieren en el número de neutrones, por lo que su número másico es distinto.
Como las reacciones químicas dependen principalmente de los electrones, los isótopos con el mismo número de electrones reaccionan de forma casi idéntica. La palabra «isótopo» viene del griego isos, que significa «igual», y topos, que significa «lugar». Alude a que los isótopos ocupan la misma casilla en la tabla periódica. En 1913, el químico británico Frederick Soddy presentó el concepto, y la médica y escritora escocesa Margaret Todd propuso el nombre en una conversación con él.
Átomos estables y átomos que se transforman
Los isótopos se dividen en dos grandes grupos según la estabilidad de su núcleo. El hidrógeno es el mejor ejemplo.
(1) Isótopos estables
Son isótopos que permanecen inalterados con el paso del tiempo. El hidrógeno común carece de neutrones, mientras que el deuterio tiene un neutrón y pesa el doble. El químico estadounidense Harold Urey descubrió el deuterio en 1931. La mayor parte del carbono es carbono-12, y alrededor del 1.1 % es carbono-13, que tiene un neutrón más.
(2) El período de semidesintegración como reloj
Son isótopos cuyo núcleo es inestable, por lo que emiten radiación y se transforman en otros átomos. Al cabo de unos 12 años, la mitad del tritio, que tiene dos neutrones, se convierte en helio.
(3) El período de semidesintegración como reloj
El tiempo que tarda la cantidad de un isótopo radiactivo en reducirse a la mitad de la inicial se llama período de semidesintegración (Half-life). Como apenas varía con los cambios de temperatura o presión, sirve de reloj preciso para medir el tiempo. Tras un período queda la mitad, tras dos queda 1/4 y tras tres queda 1/8. Así, la cantidad disminuye de forma regular.
Cómo medir el tiempo con el carbono
En lo alto de la atmósfera, la radiación cósmica (Cosmic Ray) procedente del espacio choca con el aire y produce continuamente carbono-14, una forma radiactiva del carbono. Las plantas lo incorporan al hacer la fotosíntesis y los animales lo acumulan en su organismo al comer plantas.
Cuando cesa la respiración, el reloj se pone en marcha
Mientras un organismo está vivo, la proporción de carbono-14 en su interior se mantiene en un nivel similar al de la atmósfera. Al morir, deja de incorporar carbono nuevo y el carbono-14 que queda se reduce a la mitad aproximadamente cada 5,730 años. Midiendo la cantidad restante, se puede calcular retrospectivamente cuándo murió el organismo.
El descubrimiento que cambió la arqueología
Willard Libby, de la Universidad de Chicago, en Estados Unidos, desarrolló este método de datación por radiocarbono (Radiocarbon Dating) a finales de la década de 1940. Por este trabajo recibió el Premio Nobel de Química en 1960. Cuanto más antigua es la muestra, menor es la cantidad restante, de modo que el límite habitual para obtener una datación fiable se sitúa en unos 5 por diez mil años de antigüedad.
Los isótopos en la vida cotidiana y en la ciencia
Los isótopos también se usan mucho fuera del laboratorio. Su utilidad se debe precisamente a que tienen las mismas propiedades químicas y solo difieren en el peso o en la radiación.
(1) Diagnóstico y tratamiento de enfermedades
Al introducir una pequeña cantidad de un isótopo radiactivo en el organismo, se puede rastrear mediante imágenes dónde se acumula. El tecnecio-99m, cuyo período de semidesintegración es de unas 6 horas, se utiliza ampliamente en pruebas diagnósticas, y el yodo-131 se emplea para tratar la tiroides.
(2) Combustible para la generación de energía nuclear
El uranio-235, que se fisiona con facilidad, representa apenas el 0.7 % del uranio natural. Para usarlo como combustible en una central nuclear, se somete a un proceso de enriquecimiento que aumenta esa proporción.
(3) El hielo como registro del clima pasado
El agua que contiene el isótopo pesado oxígeno-18 se evapora menos que el agua más ligera y precipita antes en forma de lluvia o nieve. Por eso, medir la proporción de isótopos de oxígeno en el hielo de los glaciares antárticos permite estimar la temperatura del aire en la época en que cayó esa nieve.
(4) Una etiqueta que revela el origen
Las proporciones de isótopos en plantas y animales varían ligeramente según el agua, el suelo y el clima de la región donde crecieron. Al analizar estas diferencias, se puede determinar si se han añadido ingredientes baratos a alimentos como la miel o el vino y si realmente se produjeron en la región indicada.
Los isótopos nos muestran que, si miramos en su interior, incluso los átomos que parecen idénticos guardan historias distintas. Una diferencia de unos pocos neutrones permite determinar la antigüedad de objetos del pasado, detectar enfermedades en el organismo y hasta conocer el tiempo que hacía hace cientos de miles de años.
Comprender que incluso los átomos con un mismo nombre encierran pesos y tiempos distintos es el primer paso para conocer a fondo el mundo invisible de los átomos.
