Radiactividad

Física nuclear. Partículas. Isótopos. Nucleones. Número atómico y másico. Fusión, fisión. Vida media. Reacción cadena. Series desintegración. Núclidos

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Radiactividad

  • Define cada uno de los siguientes términos:

  • a) Radiactividad: En Febrero de 1896, el físico francés Henri Becquerel investigando con cuerpos fluorescentes (entre ellos el Sulfato de Uranio y el Potasio), halló una nueva propiedad de la materia a la que posteriormente Marie Curie llamó "Radiactividad" que es el resultado de los cambios que ocurren en el núcleo de un átomo, como consecuencia de los cuales el núcleo mismo sufre cambios Se descubre que ciertos elementos tenían la propiedad de emitir radiaciones semejantes a los rayos X en forma espontánea. Tal radiación era penetrante y provenía del cristal de Uranio sobre el cual se investigaba.

    Marie y Pierre Curie al proseguir los estudios encontraron fuentes de radiación natural bastante más poderosas que el Uranio original, entre estos el Polonio y el Radio.

    La radiactividad del elemento no dependía de la naturaleza física o química de los átomos que lo componen, sino que era una propiedad radicada en el interior mismo del átomo.

    Hoy en día se conocen más de 40 elementos radiactivos naturales, que corresponden a los elementos más pesados. Por arriba del número atómico 83, todos los núcleos naturales son radiactivos.

    b) Isótopo, una de las dos o más variedades de un átomo que tienen el mismo número atómico, constituyendo por tanto el mismo elemento, pero que difieren en su número másico. Puesto que el número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número másico es la suma total de protones y neutrones en el núcleo, los isótopos del mismo elemento sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen.

    C) Reactor nuclear: Es una instalación con material fisionable, que mediante una reacción nuclear de fisión controlada produce energía y un flujo neutrónico.

    Es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción de energía generada por las sucesivas ¡Error! Marcador no definido.. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energía eléctrica.

    El primer reactor construido en el mundo fue operado en 1942, en dependencias de la Universidad de Chicago (USA), bajo la atenta dirección del famoso investigador Enrico Fermi. De ahí el nombre de "Pila de Fermi", como posteriormente se denominó a este reactor. Su estructura y composición eran básicas si se le compara con los reactores actuales existentes en el mundo, basando su confinamiento y seguridad en sólidas paredes de ladrillos de grafito

    d) Nucleones: son las partículas que forman el núcleo, los protones y los neutrones.

    Los estudios de los fenómenos nucleares se refieren a nucleidos específicos, y es importante dar el número de masa así como el número atómico

    e) Nº Atómico: es el número entero positivo que equivale al número total de protones existentes en el núcleo atómico, es característico de cada elemento químico y representa una propiedad fundamental del átomo(su carga nuclear). Representado por la letra Z, que acompaña . De acuerdo al número atómico se da posición a los elementos en la tabla periódica

    f) Nº Másico: representa la suma de protones y neutrones contenidos en el núcleo un átomo. Representado por la letra A, los átomos de un mismo elemento pueden tener diferentes números másicos, según el isoropo del que se trata.

    g) Fusión nuclear: La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones.

    La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas . Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.

    Para obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado Plasma Físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se tratan de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar.

    El confinamiento de las partículas se logra utilizando un "Confinamiento Magnético", o bien un "Confinamiento Inercial". El Confinamiento Magnético aprovecha el hecho que el plasma está compuesto por partículas (núcleos) con carga eléctrica. Se sabe que si una de estas partículas interactúa con un Campo Magnético su trayectoria y velocidad cambian, quedando atrapadas por dicho Campo. El Confinamiento Inercial permite comprimir el plasma hasta obtener densidades de 200 a 1000 veces mayor que la de sólidos y líquidos. Cuando se logra la compresión deseada se eleva la temperatura del elemento, lo que facilita aún más el proceso de la fusión.

    h) Fisión nuclear: Es una reacción nuclear que tiene lugar por la rotura de un núcleo pesado al ser bombardeado por neutrones de cierta velocidad. A raíz de esta división el núcleo se separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de radiación, liberación de 2 ó 3 nuevos neutrones y de una gran cantidad de energía (200 ¡Error! Marcador no definido.) que se transforma finalmente en calor.

    Los neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos pesados, produciendo una ¡Error! Marcador no definido.. Cabe señalar, que los núcleos atómicos utilizados son de Uranio - 235.

    El proceso de la fisión permite el funcionamiento de los ¡Error! Marcador no definido. que actualmente operan en el mundo.

    i) Reacción en cadena: es la reacción física o química auto mantenida en la que los productos de cada etapa proceso en el cual los neutrones procedentes de la fisión bombardean otros núcleos.

    j) Elementos transuránicos, elementos químicos con un número atómico mayor de 92, que es el correspondiente al uranio. Se han identificado 18 de esos elementos como mínimo. Entre ellos hay más de 100 isótopos, que se caracterizan por su inestabilidad radiactiva . Estos radioisótopos se producen artificialmente bombardeando átomos pesados con neutrones, producidos en reactores nucleares o en explosivos nucleares diseñados especialmente, o con partículas aceleradas, de gran energía, en ciclotrones o aceleradores lineales. Los 11 primeros elementos transuránicos, junto con el actinio, el torio, el protactinio y el uranio, constituyen la serie de los actínidos, químicamente análogos a los lantánidos. Estos elementos son, por orden creciente de número atómico: neptunio, plutonio, americio, curio, berquelio, californio, einstenio, fermio, mendelevio, nobelio y laurencio.

    k) Series de desintegración radiactiva

    Cuando el uranio 238 se desintegra mediante emisión alfa, se forma torio 234; éste es un emisor beta y se desintegra para formar protactinio 234, que a su vez, es un emisor beta que da lugar a un nuevo isótopo del uranio, el uranio 234. Este isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio 230, que también se desintegra mediante emisión alfa y produce el isótopo radio 226. Esta serie de desintegración radiactiva, denominada serie uranio-radio, continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo no radiactivo (estable) del plomo (el elemento 82) con número másico 206. En esta serie están representados todos los elementos de la tabla periódica situados entre el uranio y el plomo, y cada isótopo puede distinguirse por su periodo de semidesintegración característico. Todos los miembros de esta serie tienen un rasgo común: si se resta 2 a sus números másicos se obtienen números exactamente divisibles por 4, es decir, sus números másicos pueden expresarse mediante la sencilla fórmula 4n + 2, donde n es un número entero. Otras series radiactivas naturales son la serie del torio, llamada serie 4n porque los números másicos de todos sus miembros son exactamente divisibles por cuatro, y la serie del actinio o serie 4n + 3. El elemento original de la serie del torio es el isótopo torio 232, y su producto final es el isótopo estable plomo 208. La serie del actinio empieza con el uranio 235 (llamado originalmente actinouranio por los investigadores) y acaba en el plomo 207. En los últimos años se ha descubierto y estudiado en profundidad una cuarta serie, la serie 4n + 1, en la que todos son elementos radiactivos artificiales. Su miembro inicial es un isótopo del elemento artificial curio, el curio 241. Contiene el isótopo más duradero del elemento neptunio, y su producto final es el bismuto 209.

    l) Núclido: Cualquier especie de núcleo designada por un cierto número atómico y de neutrones se llama núclido.

    m) Masa crítica: Es la cantidad de combustible requerida para mantener una reacción en cadena.

    n) Núclido radiactivo: Los núclidos radiactivos son inestables y sufren una transformación espontánea en núclidos de otros elementos, liberando energía en el proceso

    o) Vida media: Puesto que la radiactividad es un fenómeno nuclear , el proceso no es alterado por un cambio o el la condición de la muestra. Un nucleido radiactivo dado emitirá el mismo tipo de radiación a la misma velocidad haciendo caso omiso el compuesto del cual forma parte, de su temperamento de la presión aplicada, o de la presencia de campos electroestáticos, magnéticos, o gravitacionales.

    Todos los átomos radiactivos en una muestra dada no se desintegran simultáneamente. La ruptura natural de un núcleo dado en un evento estadístico, cuando esta presente en grandes cantidades e núcleos, la velocidad de radiactividad sigue una ley de velocidad de primer orden. En consecuencia, la velocidad de emisión de las radiaciones en cualquier tiempo es proporcional al numero de átomos radiactivos presentes. Puesto que este numero esta disminuyendo continuamente el proceso se conoce como un decaimiento radiactivo.

    La vida media es una propiedad útil para la identificación de varias especies nucleídicas, porque cada nucleido radiactivo tiene una vida media característica.

  • Completa el siguiente cuadro relacionado con las radiaciones

  • Alfa

    Beta

    Gamma

    Positrón

    Símbolo

    a

    b

    g

    e

    Masa

    4

    0

    0

    0

    Carga

    +2

    -1

    0

    ++

    3) En cuantas unidades varía el número atómico y el número másico cuando un núcleo inestable emite:

    Unidades de Nº Atómico

    Unidades de Nº Másico

    Partícula Alfa

    -2

    -4

    Partícula Beta

    +1

    0

    Rayo Gamma

    0

    0

    Positrón

    -1

    0

  • En toda reacción nuclear el núcleo original recibe el nombre de banco, la partícula con la que se bombardea el blanco se denomina proyectil, el núcleo resultante es el núcleo producto y las partículas que se originan son partículas emitidas. Aplicando lo anterior reconoce: Blanco, proyectil, núclido producto y partículas emitidas en:

  • 55 Mn + 1 N ---------- 56Mn + 0

  • 25 0 25 0

    Blanco Proyectil N. Producto P. emitidas

    b) 7 Li + 1 P ------------------ 7 Be + 1 N

    3 1 4 0

    Blanco Proyectil N. Producto P. Emitidas

  • Escribe ecuaciones nucleares balanceadas para cada uno de los siguientes procesos:

  • 11

  • C - positrón -----------------

  • 6

  • 214 Bi - Partícula alfa ----------

  • 63

  • 237 Np - partícula beta--------

  • Completa la siguiente serie de desintegración radiactiva:

    • 234

    U - a Th -b -b -a -a -a -a -a

    92 ------ 90 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----

    -b -b -a -b -b -a

    ----- ----- ----- ----- ----- -----

  • En cada una de las siguientes reacciones nucleares indica la partícula que falta

  • 195 195

    a) Au -------- Au + x

    • 79 78

    201 201

    b) Hg + x ---------- Au

    80 79

    8) Escribe en ecuación nuclear balanceada para el bombardeo de:

    14 17

  • N con partículas alfa para producir O y un protón

    • 8

    27 30

    b) Al con partículas alfa para producir P y un neutrón

    • 15

    9) La vida media del 40K es de 1,3x109 años. Si tiene inicialmente 25g de 40k, que masa permanecerá después de 3 vidas medias

    10) Aplicaciones pacíficas de la radiactividad

    Las aplicaciones pacíficas de la energía nuclear son cada vez mayores y el hombre, urgido de la necesidad de enfrentar el problema energético de los combustibles tradicionales: carbón y petróleo, ha comenzado a darle múltiples usos; así por ejemplo:

    ð Las radiaciones ionizantes tienen múltiples aplicaciones en el campo de la medicina. La especialidad denominada radiología utiliza los rayos X procedentes de un tubo de rayos catódicos para la realización de múltiples tipos de exploraciones radiológicas diagnósticos. En la especialidad de medicina nuclear se manejan diferentes tipos de isótopos no encapsulados (en forma líquida o gaseosa) que son administrados al paciente o utilizados en laboratorio en pruebas analíticas con fines eminentemente diagnósticos. En el campo de la terapia las radiaciones ionizantes se emplean para el tratamiento de tumores malignos, dando lugar a la especialidad denominada radioterapia.

    Además de en estas tres especialidades las radiaciones ionizantes procedentes de isótopos radiactivos se utilizan ampliamente en el campo de la investigación médica, habiéndose realizado gran número de estudios cinéticos y metabólicos en fisiología humana y animal por medio de radiotrazadores.

    El gran desarrollo de estas especialidades se debe por una parte a un mejor conocimiento de la física y aplicaciones de las radiaciones y por otra a los continuos avances en los equipos de producción, detección y utilización de las mismas. Los equipos más sofisticados tienen un elevado costo y exigen para su manejo personal multidisciplinario altamente especializado, que incluye no sólo médicos sino también físicos, radiofarmacéuticos y químicos que trabajan en estrecha colaboración. Esto hace que en ocasiones sólo se disponga de estos servicios en grandes centros médicos que sirven a grandes núcleos de población. En la actualidad en España se cuenta, tanto a nivel de sanidad pública como privada, de múltiples centros que disponen de equipos de última generación y personal bien cualificado.

     

    ð En algunos centros se dispone de equipos denominados de PET (tomografía de emisión de positrones) que emplean radionucleidos que emiten positrones en vez de fotones como en los métodos clásicos de medicina nuclear. La calidad de las imágenes obtenidas con estos equipos es superior a la de los convencionales, pero en la actualidad debido a su alto coste y complicada tecnología, ya que es preciso disponer de un ciclotrón al pie del equipo para producir isótopos de vida media ultracorta del orden de minutos, sólo existen unos pocos equipos comercializados en el mundo, ninguno de ellos en España hasta la actualidad.

    Las ventajas fundamentales de los métodos exploratorios de medicina nuclear son el no ser peligrosos ni molestos para el paciente y el tener efectos secundarios mínimos, ya que la radiación que se recibe es igual o menor a la de estudios radiológicos de rutina.

    Las técnicas analíticas denominadas radínmunoanálisis permiten la detección y cuantificación de numerosas sustancias que están en cantidades muy pequeñas en sangre u orina y que son muy difíciles de detectar por medios analíticos convencionales. Se realizan gracias a un ingenioso sistema que combina una reacción de unión antígeno-anticuerpo con el marcado con un isótopo, generalmente el yodo-125, de uno de estos dos componentes.

    Aunque la medicina nuclear es una especialidad fundamentalmente diagnostica, los radisótopos no encapsulados pueden utilizarse como medio de tratamiento en aplicaciones puntuales, hablándose entonces de radioterapia metabólica. Esta consiste en administrar una dosis relativamente grande de sustancia radiactiva en forma líquida por medio de inyección o ingestión para que se acumule en el órgano o lugar tratado, donde actúa por medio de la radiación emitida sobre los tejidos en contacto próximo con ella. La aplicación más frecuente es el tratamiento de pacientes con cáncer de tiroides o hipertiroidismo y para la realización del mismo estos pacientes son generalmente ingresados en unidades de hospitalización especiales que disponen de habitaciones con medios de radioprotección y que son atendidos por personal especializado.

     

    ð Las radiaciones ionizantes emitidas por los radionucleidos tienen la propiedad de inhibir la reproducción celular y, con ello, causar la muerte de microorganismos, insectos y, en general, de cualquier ser viviente, si la dosis de radiación aplicada es suficiente. Esta propiedad biocida de las radiaciones tiene muchas aplicaciones prácticas, pero entre todas destaca, por su importancia para la salud humana, la esterilización de productos de uso frecuente en clínica y en cirugía, donde se requiere un alto grado de asepsia; tal es el caso de productos como guantes, jeringuillas, gasas, sondas, cánulas, pipetas, recipientes, etc., y, en general, de cuantos productos son de "usar y tirar".

    La gran ventaja de esta técnica reside en el poder de penetración que tiene la radiación gamma, como la emitida por el cobalto-60, que puede producir la esterilización de los productos a dosis relativamente bajas (25 kGy) una vez envasados y listos para el suministro, lo que evita toda posibilidad de recontaminación por manipulaciones previas al uso.

    Desde el punto de vista económico es importante, también, el hecho de que los productos puedan ser fabricados utilizando ambientes "normales", en lugar de ambientes estériles (mucho más costosos), a sabiendas que la radiesterilización posterior va a permitir alcanzar grados de asepsia mayores que los requeridos por la normativa sanitaria.

    Las mencionadas ventajas han hecho que la radiesterilización haya alcanzado pleno desarrollo industrial en los países más avanzados, utilizándose para ello irradiadores de cobalto-60 (y, a veces, de cesio-137) de varios millones de curios, que permiten tratar anualmente unos 3 millones de M3 de productos listos para el suministro. Con ello, la radiesterilización ha desplazado al clásico procedimiento de la fumigación con óxido de etileno, que ya ha sido prohibido en muchos países (EE.UU., Japón, Australia, y ahora en la CE), por haberse descubierto que da lugar a residuos cancerígenos, que pueden afectar a los pacientes y al personal sanitario.

    ð Las radiaciones nucleares son entes reales del mundo físico, que pueden ser utilizados en beneficio del hombre para mejorar su calidad de vida. De hecho, las radiaciones nucleares emitidas por los átomos radiactivos, dada la facilidad con que pueden ser detectadas, permiten utilizar dichos átomos como trazadores radiactivos de los elementos químicos a los que pertenecen, lo que conduce a su empleo en la visualización de los caminos que siguen los elementos en los sistemas físicos, químicos y biológicos en la naturaleza.

    Así pues, los trazadores radiactivos permiten desentrañar los mecanismos de funcionamiento o de transformación del mundo material, ahorrando la paciente tarea de laboratorio que tendría que realizarse mediante miles y miles de análisis para obtener un conocimiento semejante. Por ello, no resulta exagerado afirmar que, en los últimos cincuenta años, hemos más que duplicado el acervo de nuestros conocimientos actuales sobre el mundo físico, con la ayuda de los trazadores radiactivos, que son el gran paradigma de la investigación científica de los sistemas materiales.

    Pero las aplicaciones de los átomos radiactivos no se limitan exclusivamente a esta ampliación de nuestra capacidad perceptiva con el auxilio de un detector; los átomos radiactivos, confinados herméticamente, se transforman en fuentes emisoras de radiaciones, cuya interacción con la materia nos aporta señales para medir propiedades de los objetos circundantes. Las radiaciones pueden atravesar los objetos opacos, sufriendo un debilitamiento en proporción a la materia que encuentran en su camino (figura 47); o pueden ser reflejadas, dándonos información sobre la densidad del medio donde rebotan; o pueden excitar la emisión de otras radiaciones, características de los elementos presentes.

    Estos fenómenos de interacción son el fundamento de multitud de aparatos empleados en el control automático de procesos de fabricación de productos laminares (papel, plástico, chapas metálicas, etc.), de recubrimientos metálicos sobre sustratos plásticos o sobre otros metales (cincado, cromado, plateado, etc.), de interruptores de nivel en depósitos de líquidos, etc. Mediante estos aparatos de control, las radiaciones nucleares no sólo ahorran al hombre trabajos rutinarios de control "en diferido" de los procesos industriales, sino que permiten realizar el control "en tiempo real", con todas las ventajas que ello supone para la productividad, el ahorro de materias primas, o la calidad de los productos.

    En resumen, las radiaciones nucleares -partículas alfa, beta, neutrones y fotones gamma- ofrecen un amplio repertorio de posibilidades interactivas con la materia, de las cuales se derivan múltiples aplicaciones, ya sea ayudándonos a detectar fenómenos imperceptibles, ya sea "midiendo" por transmisión, reflexión o fluorescencia las propiedades materiales que "ve" la fuente radiactiva.

    11) Contaminación Radiactiva

    Las personas están expuestas continuamente a radiaciones ionizantes, y lo han estado desde los albores de la humanidad. De éstas radiaciones, unas proceden de la propia naturaleza, sin que el hombre haya intervenido en su producción; otras están originadas por acciones ocasionadas por el hombre las radiaciones pueden producir daños o implicar riesgos para los seres vivos, aunque también aquí hay que matizar que los efectos producidos por la radiación dependen de las dosis recibidas. Con dosis muy altas se produce la muerte del individuo; con dosis menores, pero todavía altas, se producen lesiones tanto más graves cuanto mayor es la dosis; las dosis bajas no producen necesariamente un daño sino que hacen aumentar la probabilidad de que se origine el daño, en función de la dosis recibida

    Los efectos biológicos de las radiaciones en el hombre y en el resto de los seres vivos varían, desde simples quemaduras o interrupción de ciertas funciones fisiológicas, hasta daños graves, como el desarrollo de leucemia o de un cáncer en la piel, reducción de la fertilidad y acortamiento en el período de vida, según el tiempo y la dosis de radiación a la que haya estado expuesto. Aparte de los efectos anteriores existen evidencias de que las radiaciones provocan alteraciones genéticas de que las radiaciones provocan alteraciones genéticas o mutaciones de los seres vivos.

    .

    Las primeras constituyen el fondo radiactivo natural. Podemos distinguir tres causas de este fondo radiactivo:

    Las radiaciones ionizantes procedentes del espacio exterior (radiación cósmica). Están originadas por los procesos nucleares que tienen lugar en el exterior de la Tierra. Puesto que la atmósfera absorbe parcialmente las radiaciones, el fondo natural debido a esta causa varía con la altitud de tal modo que es menor al nivel del mar que en lo alto de una montaña.

    Las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas presentes en la corteza terrestre. Esta componente del fondo radiactivo varía notablemente entre unos y otros puntos de la Tierra, ya que no es uniforme la distribución de los elementos químicos. Por ejemplo, el fondo radiactivo terrestre de la sierra de Guadarrama, cuyas rocas graníticas poseen una radiactividad relativamente alta, es mucho mayor que el correspondiente a las zonas de naturaleza calcárea.

    La radiación de los isótopos radiactivos contenidos en el propio organismo humano, principalmente isótopos del carbono y del potasio,. A ella hay que unir la radiación producida por el radón que inhalamos al respirar, el cual procede de la desintegración del radio y el torio.

    Como promedio, el 15% de la dosis procedente del fondo natural que recibe una persona en España se debe a la radiación cósmica; el 20% a la radiación terrestre, el 15% al propio organismo y el 50% al radón.

    Las causas artificiales de radiación se deben a la exposición a diversas fuentes de origen no natural, como son las exploraciones radiológicas con fines médicos, las esferas luminosas de relojes, la televisión en color, los viajes en avión (en este caso se debe a la mayor dosis de radiación cósmica que se recibe durante el vuelo a gran altura), el poso radiactivo procedente de las explosiones nucleares en la atmósfera que tuvieron lugar en el pasado, las emisiones de las centrales térmicas de carbón, cuyos humos contienen isótopos radiactivos; y las instalaciones nucleares.

    Dentro de las causas artificiales la principal fuente de irradiación son las exploraciones radiológicas, que en los países desarrollados dan lugar a unas dosis sobre la población semejantes a la radiación cósmica. Las centrales nucleares producen una dosis prácticamente nula sobre el público en general y una dosis muy pequeña y controlada sobre el personal de la central.