Radiactividad

Química. Aplicaciones. Átomo. Electrón. Protones. Neutrones. Rutherford. Carbono

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1. Objetivos

  • Caracterizar el fenómeno de la radiactividad natural y artificial de los elementos químicos.

  • Identificar los elementos isotópicos (isótopos) que el ser humano emplea en diferentes campos, tales como en la medicina, industria, agricultura, armamento, reactores nucleares y otros.

  • Identificar los procesos de fusión y fisión nucleares presentados en casos específicos, con el propósito de comprender la liberación y absorción de energía.

  • Comprender las aplicaciones de la radiactividad, así como los riesgos y alcances en el presente, mediano y largo plazo.

  • Sintetizar la problemática del tema de la radiactividad, usos y precauciones, tomando en cuenta la sostenibilidad humana.

  • 2. Introducción

    Aunque el tema de la radiactividad, se ha escuchado y leído, sobre la base de algunos acontecimientos ocurridos, desgraciadamente estos son relacionados con accidentes, como el de Chernobil donde hubo un escape de radiación y la sobredosis que sufrieron decenas de pacientes en el año 1996 en Costa Rica, también se habla mucho de la problemática de los desechos radiactivos y desde luego la historia resalta sobre las bombas atómicas utilizadas en la segunda guerra mundial. Pero realmente es poco lo que se conoce del tema. Hace falta conocer los beneficios que causa, los alcances científicos y las precauciones que se debe tener con el manejo de la radiactividad, además es interesante informarse sobre el por qué ocurren, más sabiendo que todos los seres vivos están involucrados, se quiera o no con ella, no importando el lugar en donde se encuentren, ya sea en la casa, en la oficina, en el campo, en la calle, o en el colegio.

    Al respecto se habla de las radiaciones cósmicas como los rayos ultravioleta, el calor y las electromagnéticas como la luz; otras radiaciones son las de radio, microondas, rayos alfa, beta y gama, para citar algunos.

    Son muchas las radiaciones que existen, por lo que se han clasificado en ionizantes y no ionizantes. Entre las primeras están los rayos X, rayos alfa, beta y gama, estas radiaciones son capaces de ionizar la materia por donde pasan, esto significa que provocan desprendimiento de electrones de los átomos, y si éstos están formando moléculas en células, afectará el comportamiento del organismo. Esto se debe a la gran cantidad de energía que poseen.

    A pesar que todas esas radiaciones se tienen a diario, esta unidad estudia las provenientes del proceso de la radiactividad.

    Actividad 1. ¿Qué es la radiactividad?, ¿dónde se encuentra?, ¿cómo nos afecta?

    La historia de la radiactividad, empieza con los alquimistas, quienes practicaban una química que a menudo era más arte que ciencia, más calentamiento de vasijas, que experimentación productiva y muy poca investigación, entre las tantas inquietudes de la época, estaba la transmutación de los metales en oro, asunto que los aferró por mucho tiempo, al deseo de enriquecerse rápidamente.

    Las investigaciones y los experimentos siguieron en el transcurso de la humanidad y se sigue trabajando para conocer mejor el átomo, ahora en lo más íntimo de su existencia, porque se cree que en su núcleo, está la fuente de energía que se necesita para hacerle frente a la demanda, tanto del presente, como para el futuro.

    La radiactividad está a nuestro alrededor, en las plantas que se comen, en el aire que se respira, en el hogar, en el suelo, haciendo el tema muy interesante.

    A.2. ¿Qué es la radiactividad?

    • ¿Quienes la emiten?

    • ¿Algunos ejemplos de radiaciones?

    • ¿Cómo beneficia y a la vez perjudica?

    Comentario 2. Existen ideas generalizadas sobre este tema que es importante conocer, por eso se debe hacer preguntas al grupo para “constatar” lo que saben al respecto; es posible que ellos asocien la radiactividad con peligros, con destrucción por los accidentes y lo ocurrido con las bombas atómicas. A este tipo de ideas muchas veces equivocadas, se llamarán ideas alternativas, al respecto se tendrá la oportunidad de investigar los alcances de la radiactividad tanto natural como la artificial. Al finalizar la unidad los estudiantes deben tener la información, cuestionarse, investigar, discutir en grupo la problemática y por que no, meditar sobre el futuro hipotético de la humanidad.

    La radiactividad no es nada nuevo. Existe desde que se formó la Tierra hace 4500 millones de años. No se puede percibir por el olfato, el gusto, el tacto, el oído ni la vista. Sólo en los últimos años se ha aprendido a detectarla, medirla y controlarla.

    Al contrario de la creencia popular, la radiación no sólo la produce la industria nuclear o las armas nucleares. En efecto, un 87% de la dosis de radiación que recibimos proviene de fuentes naturales. La radiación está en todas partes: en los hogares, en el aire que se respira, en los alimentos que se ingieren; incluso el cuerpo es radiactivo. La propia Tierra es radiactiva por naturaleza y expone a los habitantes a la radiación proveniente de las rocas superficiales y los suelos.

    El resto de la radiación proviene de las actividades humanas. La fuente más conocida y más amplia es la aplicación médica. Innumerables son los beneficios que reporta el uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos.

    Probablemente sea menos conocida la función que desempeña la radiación en la industria, la agricultura y la investigación. La inspección de soldaduras, la detección de grietas en metal forjado o fundido, el alumbrado de emergencia, la datación de antigüedades y la preservación de alimentos son algunas de sus numerosas aplicaciones.

    En promedio, la industria nuclear representa menos del 0,1% de la radiación total que el hombre recibe.

    Cuando se viaja en avión, se expone a recibir una radiación mayor, ya que hay menos protección contra los rayos cósmicos. Un pasajero que viaje en avión a una altitud normal recibe en una hora, una dosis de radiación cuatro veces mayor, que la que recibe de toda la industria nuclear en un año.

    La radiactividad puede ser peligrosa en determinadas circunstancias y sus riesgos no deben tomarse a la ligera. Puede dañar las células del organismo y la exposición a altos niveles, puede ser nociva e incluso fatal si se trata de manera inadecuada, por eso lleva un largo proceso de investigación y descubrimientos abriéndose las puertas de la era nuclear.

    3. Historia

    A.3. ¿Al respecto cuántos modelos de átomo se han dado en la historia y cuál es el más reciente?

    En la fig.1 se aprecia un modelo de átomo, aunque no es el último, es bastante explicativo para el objetivo que sobre el tema de la radiactividad interesa.

    A.4.Por qué se debe tener presente el modelo del átomo, para estudiar la radiactividad?

    En la fig.1, se enfatiza el núcleo. ¿Por qué?

    Radiactividad

    Descubrimiento de la Radiactividad

    Poco después de que se descubriera los rayos X, en 1895; Antoine Henri Becquerel (1852-1908) trató de demostrar la relación entre los rayos X y la fosforescencia de las sales de uranio. En uno de sus experimentos envolvió una placa fotográfica en papel negro, colocó una muestra de sal de uranio sobre ella y la expuso a la luz solar. Al revelar la placa apareció que los rayos emitidos por la sal habían penetrado a través del papel. Tiempo después, Becquerel se preparaba para repetir el experimento pero, como la luz solar era intermitente, colocó el conjunto en un cajón. Días después reveló la placa, esperando encontrarla sólo débilmente afectada. Se asombró al observar una imagen intensa en la placa. Repitió el experimento en la oscuridad total y obtuvo los mismos resultados, probando que la sal de uranio emitía rayos que afectaban la emulsión fotográfica, sin necesidad de ser expuesta a la luz solar. De este modo fue que Becquerel descubrió la radiactividad. Marie Curie, dos años después en 1898 dio a este fenómeno el nombre de radiactividad. Radiactividad es la emisión espontánea de partículas o rayos por el núcleo de un átomo. A los elementos que tienen esta propiedad se les llama radiactivos. Posteriormente, Becquerel mostró que los rayos provenientes del uranio podían ionizar el aire y también eran capaces de penetrar a través de láminas metálicas delgadas.

    En 1898, Marie Sklodowska Curie (1867-1934), con su esposo Pierre Curie (1859-1906), dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En corto tiempo los Curie descubrieron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, ambos radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el radio, procesaron una tonelada de residuos de mineral llamado pecblenda, para obtener 0.1 g de cloruro de radio puro, que usaron para efectuar más estudios sobre las propiedades del radio y determinar su masa atómica.

    Ernest Rutherford, en 1899, comenzó a investigar la naturaleza de los rayos emitidos por el uranio. Encontró dos tipos de rayos, a los que llamó rayos alfa y beta. Pronto se dio cuenta que el uranio, al emitir estos rayos, se transformaba en otro elemento. A la altura de 1912 se conocían ya más de 30 isótopos radiactivos y hoy se conocen mucho más. Paul Villard descubrió en 1900, los rayos gamma, un tercer tipo de rayos que emiten los materiales radiactivos y que es semejante a los rayos X. De acuerdo con la descripción del átomo nuclear, Rutherford se atribuyó el fenómeno de la radiactividad a reacciones que se efectúan en los núcleos de los átomos.

    A.5. En forma individual, lea el texto anterior y en él reconozca al menos cinco de las diferentes actividades propias de una persona científica, anótelas y compárelas con sus compañeros de grupo. Analiza en la actividad la evolución que ha experimentado el pensamiento de los científicos comparado con el pensamiento actual sobre el tema de la radiactividad.

    C.5. La historia no es para aprendérsela de memoria sino para conocer el proceso, saber las dificultades, los aciertos, incluso se sabe la manera de pensar de toda una época por medio de ella. En este caso, con esta actividad los estudiantes identifican la labor de los científicos, la perseverancia, lo observadores, paciencia, cuidadosos, si cuentan con un plan o diseño para lograr lo que creen, hipótesis y otros. Los educandos pueden deducir muchas más cualidades, actitudes y comportamientos de los científicos leyendo la historia, incluso el detalle que siendo esa época una mujer participara activamente en la actividad científica. Es importante resaltar que Marie Curie es muy conocida , ¿por qué?. ¿Qué otras mujeres conocen tan famosas como ella? Comente.

    A.6. ¿Por qué ocurre la radiactividad?

    En este sentido se repasa la simbología que se acostumbra para referirse a los diferentes átomos de cada elemento químico, muy útil en química nuclear. (Ver tabla periódica de los elementos).

    Radiactividad

    Por ejemplo, 23892U representa un isótopo de uranio con número atómico 92 y número de masa 238. A este se le llama U-238

    A.7. a- ¿Qué significa el número 92 en la expresión anterior?

    b- ¿Qué significa el número 238?,

    c- ¿Cómo se obtiene este número?

    d- Escriba una lista de toda la información que le da la tabla periódica.

    Teóricamente el átomo es neutro y el número de protones, electrones y neutrones es igual, como ocurre con los primeros elementos representados en la tabla periódica.

    C.7. Al estudiante le debe quedar bien claro lo qué indica el número atómico. La tabla periódica de los elementos es una herramienta para utilizar, porque nos da mucha información. Analizar las masas atómicas y compararlas con el número atómico es importante, así se entenderá el significado de los isótopos.

    El número de protones casi siempre se mantiene estable, pero el número de neutrones varía. ¿Por qué?

    En este sentido se debe recordar que los compuestos químicos se forman porque los elementos buscan estabilidad en su nube electrónica.

    Parecido ocurre en el núcleo, este busca la estabilidad y mientras esto ocurre, se desprenden radiaciones espontáneamente, que pueden ser rayos alfa , rayos beta o rayos gamma. A este fenómeno se le llama radiactividad.

    A.8. ¿A qué se debe que un elemento presente varios isótopos?, Al respecto se debe observar y analizar la tabla siguiente.

    De acuerdo con los datos. ¿Cuáles isótopos crees que son más estables?

    C.8. Es frecuente encontrar tablas de datos en la bibliografía de ciencias. Se recomienda el análisis para establecer diferencias, semejanzas, casos excepcionales y obtener conclusiones. El estudiante debe saber lo importante que son las tablas de datos, como dice el refrán “los números hablan”; aunque es importante saber las condiciones en que se dieron, como por ejemplo situaciones afectivas, sociales, económicas las tablas no se aprenden de memoria, solo nos dan parte de información, en este caso caracterizan los isótopos, indicando cuántos protones, electrones y neutrones tiene según el modelo atómico.

    Tabla 1

    Muestra algunos isótopos comunes

    ISÓTOPOS

    CARGA

    ABUNDANCIA

    Hidrógeno -1

    1+

    99,985

    Hidrógeno -2

    1+

    0,015

    Hidrógeno -3

    1+

    Helio -3

    2+

    1.3 x 10-4

    Helio -4

    2+

    100

    Berilio -9

    4+

    100

    Carbono -12

    6+

    98,89

    Carbono -13

    6+

    1,11

    Carbono -14

    6+

    1,2 x 10-10

    Nitrógeno -14

    7+

    99,64

    Nitrógeno -15

    7+

    0,36

    Oxígeno -16

    8+

    99,76

    Oxígeno -17

    8+

    0,04

    Oxígeno -18

    8+

    0,20

    A-9.¿Dónde están los isótopos radiactivos?

    El 87% de la radiactividad que hay en el planeta es natural. Al respecto, cómo se explica que la vida exista con esa dosis. Los elementos radiactivos no sólo se encuentran allá en los reactores y en las cabezas nucleares que se usan como misiles, se encuentran en el agua, en la leche, en el mar, en el aire, en plantas; podría decirse que en todo el planeta.

    Cuadro 1

    Niveles de radiactividad relativa en líquidos

    Agua corriente del grifo

    1

    Descargas de una central nuclear

    0.05 a 0.5

    Agua del río

    0.5 a 5

    Cerveza

    6.5

    Agua del mar

    17.5

    Whisky

    60

    Leche

    70

    4. Carbono -14

    El carbono -14 se produce de manera continua en la atmósfera, cuando neutrones de alta energía del espacio, chocan contra el nitrógeno -14, como se ilustra en la siguiente reacción.

    Radiactividad

    Al igual que el carbono -14, se produce continuamente por este proceso, se descompone en forma continua al emitir partículas beta con el transcurso de los años, estos dos procesos opuestos, han alcanzado casi equilibrio, por lo que la cantidad de 146C presente en la atmósfera, permanece aproximadamente constante.

    El carbono -14 artificial, que está actualmente en circulación por la Tierra, alcanza aproximadamente una tonelada y representa aproximadamente el 1% de la abundancia total natural. Durante los últimos siete años, el hombre lo ha producido a un ritmo considerablemente mayor que el resultante del proceso natural, mediante el cual se forma por la acción de los neutrones de los rayos cósmicos. La mayoría está todavía en la atmósfera combinado en dióxido de carbono. En los organismos vivientes se ha elevado el contenido de carbono 14, hasta el 10% por encima de lo normal, esta situación puede confundir a los futuros arqueólogos.

    A.10. Si el carbono -14 se encuentra en la atmósfera, ¿cómo se cree que llega a formar parte de plantas, animales y personas?

    Escriba su hipótesis para que luego comente con los compañeros.

    Ilustre el texto anterior de una forma creativa.

    C.10. El nuevo enfoque de la enseñanza de las ciencias pretende que se estimule a los estudiantes a ser investigadores junto con el profesor. El planteamiento de hipótesis y el tratar de verificarlas, si es del caso cambiarla, plantearse problemas de las cosas que parecen obvias es una manera de fomentar la actividad científica.

    El carbono - 14 como punto de referencia para certificar la edad aproximada de antigüedades como momias, pinturas, incluso el Manto Sagrado, y otros objetos valiosos requieren, incluso conocer si son auténticos o falsos; por lo que es un agradable tema de investigación.

    La ilustración se puede hacer con caricaturas, dibujos esquemas, con recortes de revistas o periódico. Los estudiantes son muy imaginativos. En este caso esta actividad puede ser optativa, para tomar en cuenta las aptitudes.

    Cuadro 2

    Partícula

    Símbolo

    Neutrón

    10n

    Protón

    11H

    Partícula beta (electrón)

    0-1e

    Positrón (electrón positivo)

    0+1e

    Partícula alfa (núcleo de helio)

    42He

    Deuterio (núcleo de hidrógeno pesado)

    21H

    Símbolos en notación isotópica, de varias partículas (e isótopos pequeños) relacionados con la química nuclear.

    Se ha descubierto más de una docena de radioisótopos naturales de vida larga y la lista continúa creciendo a medida que los métodos para detectarlos se hacen más sensibles. Sin embargo, son sólo tres de ellos: uranio 238, torio 232 y potasio 40, los que generan la mayor parte de la radiación natural presente en el medio ambiente.

    La localización de estos isótopos en la Tierra depende no de sus propiedades nucleares, sino de sus propiedades químicas. Los tres son metales fácilmente oxidables. Sus óxidos poseen una densidad relativamente baja y se presentan, por tanto, en la corteza terrestre en vez del manto y en el núcleo metálico. Quizá la mitad de la radiactividad de la Tierra procede de una región superficial, cuyo espesor es de unos 60 kilómetros. Esta distribución aumenta significativamente la radiación, a la que todos los seres vivientes están expuestos y hace que el hombre pueda disponer del uranio y del torio

    9. Usos de la radiactividad por la humanidad

    Desarrollar variedades de cultivos agrícolas y hortalizas de alto rendimiento, bien adaptadas y resistentes a enfermedades; induciendo mutaciones al alterar los genes con el empleo de radiación: a-) para erradicar o controlar las plagas de insectos esterilizando grandes cantidades de hembras, método que se ha aplicado con éxito para erradicar el gusano barrenador (tórsalo) del ganado, b-) mejorar el rendimiento reproductivo, c-) mejorar la nutrición y la salud de los animales empleando isótopos radiactivos en los alimentos y d-) reducir las perdidas posteriores a la cosecha mediante la eliminación de los brotes y la contaminación, todo esto con tratamiento radiactivo, son algunos de los usos que se le están dando actualmente a la radiactividad. Cada uno ocuparía un libro entero o por lo menos un capítulo especial, dada la importancia que tiene. Sin embargo no se va estudiar en detalle, pero sí comprendiendo que la idea popular de que la radiactividad está allá lejos de cada ser humano y que está en manos de muy pocos países, no es cierta.

    Las aplicaciones de la química nuclear son importantes en la medicina, la industria, las artes y la investigación. Su impacto amenaza y ensancha al mismo tiempo la vida del hombre y su futuro.

    Actualmente se desarrollan las nuevas aplicaciones y nuevos radiofármacos, con el fin de ampliar la gama de procedimientos, reducir las enfermedades contagiadas por los alimentos y prolongar el período de conservación mediante la utilización de radiaciones y estudiar los medios para reducir la contaminación originada por los plaguicidas y productos agroquímicos.

    A.18. Recolecte información, en diarios, revistas u otros medios, para comentar en grupos y discutir en un posible debate al finalizar el estudio de esta unidad. El material recolectado puede utilizarse en un mural informativo para el resto del colegio.

    C.18. Este material recolectado puede clasificarse, porque este tema es bastante polémico, habrá posiciones a favor y otras en contra; también manejo de desechos, precauciones... Es importante que los estudiantes sepan que el interés que han mostrado en el estudio sea valorado por el profesor y por que no, por el resto de la comunidad estudiantil.

    Por ejemplo el siguiente fragmento es recortado del periódico de oct. 98 en el periódico la Nación , “Varias centenas de personas que viven cerca de instalaciones nucleares norteamericanas o que trabajan en ellas sufren enfermedades respiratorias, neurológicas y problemas inmunológicos de origen desconocido, informó el diario The Tennessean.” EEUU.

    Tabla 3

    Algunos núclidos o isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como marcadores en el cuerpo humano.

    Núclido

    Vida media

    Área del cuerpo que se estudia

    131 I

    8.1 días

    Tiroides

    59 Fe

    45.1 días

    Glóbulos rojos

    99 Mo

    67 horas

    Metabolismo

    32 P

    14.3 días

    Ojos, hígado, tumores

    51 Cr

    27.8 días

    Glóbulos rojos

    87 Sr

    2.8 horas

    Huesos

    99 To

    6.0 horas

    Corazón, huesos, hígado, pulmones

    133 Xe

    5.3 días

    Pulmones

    24 Na

    14.8 horas

    Sistema circulatorio

    A.19.Investigar algunos compuestos químicos formados por los anteriores isótopos, que se usan en los hospitales que cuentan con medicina nuclear como el San Juan de Dios, el Hospital México, el Calderón Guardia y otros.

    C.19. Esta actividad sirve de enlace con lo visto durante el curso de Química, no es necesario que los educandos se desplacen a los hospitales, pueden obtener la información telefónicamente, vía fax u otra forma práctica donde no corran peligro o riesgo, ni se pierda mucho tiempo.

    A.20. El estudio de algunos usos de la radiactividad se desglosa a continuación:

    • 1- armas

    • 2- medicina

    • 3- agricultura

    • 4- industria

    • 5- reactores nucleares para producir electricidad

    • 6 - reactores para la investigación

    C.20. La sugerencia es que estos temas se trabajen en grupos durante la clase, por medio de fichas de estudio dirigido. Limitar el tiempo es necesario. Las exposiciones deben ser breves pero bien organizadas en donde se pueda preguntar y discutir al tema sin ningún temor de que algún aspecto quede fuera, porque se puede seguir investigando de acuerdo con las aptitudes de los alumnos.

    Fichas

    FICHA: 1.
    TEMA: Radiactividad aplicada en armas

    Objetivo:
    Lograr que el estudiante se plantee interrogantes tales como, ¿Por qué los países, a pesar de los acuerdos de desarme, siguen construyendo armas nucleares?
    ¿Es qué piensan autodestruir el planeta, ellos y sus familias?
    ¿Es que acaso es el poder lo que buscan?
    ¿Cambiar en un futuro armas por comida?
    ¿ Habrá una tercera guerra mundial?

    A.20. 1 Actividades: 1. Comentar en cada grupo de estudio estas interrogantes, plantearse otras y a manera de hipótesis dar una explicación de la problemática y las conclusiones al resto de la clase.
    2.Investigar en qué consiste la bomba atómica y de hidrógeno.
    3.Investigar el impacto humano y ambiental de las bombas lanzadas
    4. Leer y comentar el siguiente fragmento “El infierno que puede quemar al mundo entero..., tomando en cuenta la globalización, el aspecto humano y formular hipótesis al respecto.
    Ilustra el tema desarrollado con un dibujo o caricatura.
    Presentarlo a toda la clase con un tiempo de 10 o15 minutos.

    El infierno que puede quemar al mundo entero

    En Rusia quince millones de seres humanos padecen hambre. Las tres cuartas partes de la población apenas consiguen sobrevivir. La mal nutrición escolar se ha vuelto endémica. Regresan epidemias que se consideraban erradicadas. Desaparecen los servicios sociales que, así fuese mínimamente, proporcionaba el “antiguo régimen” comunista. Los profesionistas se ven obligados a cultivar sus propios jardines para sobrevivir.

    La oligarquía rusa se enriquece, también, mediante la venta de armas. Y cuando hablamos de venta de armas en Rusia, hablamos de un problema mundial de dimensión apocalíptica. Rusia posee siete mil cabezas nucleares, cinco mil armas nucleares tácticas, inmensos depósitos de uranio y doce mil soldados sin paga custodiándolo todo. Uno de los grandes peligros de la crisis rusa es que sea el inicio de un proceso de privatización de la guerra que rápidamente desborde las fronteras de la Federación tanto hacia el explosivo Medio Oriente como hacia Irán, Afganistán, India y China.” (Tomado del Periódico La Nación 20 septiembre- 1998 Costa Rica.)

    FICHA : 2.
    TEMA: La radiactividad aplicada a la Medicina.

    Objetivo:
    Valorar los aportes de la radiactividad aplicada en medicina para prolongar la vida, curar y diagnosticar a pacientes que la necesitan.

    A.20.2 Actividades:a.Investigar por medio de una entrevista a médicos de la C.C.S.S., relacionada con la medicina nuclear.
    b.Entrevistar personalmente o por teléfono a alguna persona que trabaje investigando con isótopos radiactivos en la Universidad de Costa Rica.
    c.Grabar o anotar testimonios de personas que han sido radiados, curados o que le han hecho algún diagnóstico con isótopos radiactivos.
    Con base en la investigación realizada en grupo, presentar alguna estadística al resto de la clase, si es posible en forma de gráfico con su respectivo análisis.

    Información anexa a la ficha número 2.

    Radioterapia y quimioterapia

    Durante muchos años se ha empleado el radio en tratamientos del cáncer. Hoy se usan exclusivamente el Co 60 y el Cs 137 en la radioterapia. La eficacia de esta terapia depende del hecho, que las células malignas, que crecen o se dividen rápidamente, son más susceptibles a los daños por radiación que las células normales. El cobalto 60 emite tanto partículas beta, como rayos gamma. Se enfoca la radiación hacia la zona donde se localiza el tumor, pero es muy difícil limitar la exposición sólo a las células malignas. Muchos pacientes sufren malestares ocasionados por la radiación después de este tipo de tratamiento.

    En 1963, en Costa Rica, se hizo una campaña para recoger dinero, para comprar la llamada bomba de cobalto, que aún está al servicio para curar el cáncer.

    Se puede emplear el yodo 131 para el tratamiento del hipertiroidismo. La dosis terapéutica es mayor que la que emplea en el diagnóstico. La glándula tiroides concentra selectivamente al Y 131. La sección de la glándula que es hiperactiva quedará expuesta a una gran dosis del isótopo y será la que se destruya específicamente. A Bárbara Bush, primera dama en Estados Unidos, se le aplicó este tratamiento en 1989. El mal funcionamiento de la glándula tiroides desarrolla el bocio en las personas y causa muchos trastornos en el metabolismo.

    Diagnóstico

    Se emplean los trazadores radiactivos normalmente en el diagnóstico médico. Al respecto de cómo se debe detectar la radiactividad fuera del cuerpo, generalmente se escogen isótopos radiactivos (radionúclidos) emisores de rayos gama. También, el radionúclido debe ser efectivo a bajas concentraciones y debe tener una semivida corta para reducir la posibilidad de daños al paciente.

    Se emplea el yodo radiactivo (I 131) para determinar la función tiroidea, que es donde el organismo concentra al yodo. En este proceso, se ingiere una pequeña cantidad de yoduro radiactivo de sodio o de potasio. Se enfoca un detector a la glándula tiroides y se mide la cantidad de yodo en la glándula. Este cuadro se puede comparar con el de una tiroides normal para detectar cualquier diferencia.

    Los médicos pueden examinar la eficiencia cardiaca en el bombeo y verificar la evidencia de una obstrucción en las arterias coronarias mediante el barrido nuclear. El radionúclido Tl 201, al inyectarse en el flujo sanguíneo, se aloja en el tejido sano del corazón. El talio 201 emite radiación gama, que se detecta mediante un dispositivo especial llamado cámara de centelleo. Los datos obtenidos se traducen simultáneamente en cifras mediante una computadora. Con esta técnica se puede observar si el tejido cardiaco ha muerto, después de un ataque al corazón y si la sangre fluye libremente a través de los conductores coronarios.

    Una de las últimas aplicaciones de la química nuclear es el uso de la tomografía de emisión de positrones en la medida de procesos dinámicos en el organismo, como el uso de oxígeno o el flujo sanguíneo. Para esta aplicación, se fabrica un compuesto que contiene un núclido emisor de positrones, como C 11, O 15 o N 13. Se inyecta el compuesto en el organismo y se coloca al paciente en un instrumento que detecta las emisiones de positrones. Una computadora produce una imagen tridimensional de la zona.

    Los barridos de emisión de positrones se han empleado para localizar las zonas del cerebro relacionadas con los ataques epilépticos. El cerebro emplea la glucosa a velocidad distinta del tejido normal.

    FICHA: 3.
    TEMA: Radiactividad aplicada a la agricultura

    Objetivo:
    Valorar la importancia de rastreadores radiactivos, radiaciones mutantes para la obtención de nuevas especies, realizadas en la UCR.
    Investigar que son mutaciones.

    A.20.3. Actividades. Preparar una entrevista para un ingeniero agrónomo y alguna persona del Departamento de Biología de la Universidad de Costa Rica, sobre los rastreadores radiactivos usados en las plantas y en el aire y agua. Sacar conclusiones, ilustrar en un afiche grande para presentar al resto de la clase.
    Plantearse alguna hipótesis pensando en el futuro.
    Investigar los adelantos que realiza el país en biotecnología.

    Información para la ficha número 3.

    Agricultura.

    Los científicos usan la radiación gama del Co 60 u otras fuentes en la investigación agrícola para desarrollar granos resistentes a las enfermedades, o altamente productivos. Las semillas se exponen a la radiación gama para inducir mutaciones. Las plantas más saludables y vigorosas que crecen de semillas irradiadas, se seleccionan y se propagan para obtener variedad nuevas y mejoradas para uso comercial. La preservación de alimentos mediante radiación es otra aplicación benéfica. El alimento se expone a radiación gama o un haz de partículas beta suministradas respectivamente por Co 60 o Cs 137. Se destruyen los microorganismos que pudieran causar deterioro del alimento, pero sólo se eleva ligeramente la temperatura de éste. El alimento no se vuelve radiactivo como resultado de este proceso, pero aumenta notablemente su duración en almacén.

    Trazadores isotópicos

    Los compuestos que contienen un radionúclido se dice que son trazadores o señaladores. Estos compuestos participan en sus reacciones químicas normales, pero se pueden detectar su ubicación debido a su radiactividad señaladora. Cuando se suministran otros compuestos a plantas o a animales, se pueden rastrear o trazar el movimiento del isótopo a través del organismo, mediante el uso de un contador Geiger o algún otro detector.

    Un uso importante de la técnica de rastreo o trazado fue la determinación del mecanismo mediante el cual CO2 se fija en forma de carbohidrato (C6H12O6), durante la fotosíntesis. La ecuación neta de la fotosíntesis es

    Radiactividad

    Se inyectó 14CO2 radioactivo en una colonia de algas verde. Las algas se colocaron en la oscuridad, se extrajeron muestras a determinados intervalos y se separaron los compuestos radiactivos mediante cromatografía en papel para analizarlos. A partir de estos resultados se dilucidaron varias reacciones fotosintéticas independientes de la luz.

    Se tienen algunos otros ejemplos en los que se emplearon técnicas de trazadores, como son (1) para determinar la velocidad de ingestión de fósforo por las plantas, con radiofósforo. (2) El flujo de nutrimento en el tracto digestivo con compuestos de bario radioactivo. (3) La acumulación de yodo en la glándula tiroides, con el empleo de yodo radioactivo y (4) la absorción de hierro por la hemoglobina de la sangre, con hierro radioactivo. En química, los usos son ilimitados. El estudio de mecanismos de reacción, la medición de las velocidades de reacciones químicas y la determinación de constantes físicas son sólo algunas de las áreas de aplicación.

    Control de plagas

    Se ha usado radiactividad para controlar y en algunas zonas, eliminar al gusano barrenador. Las larvas de este insecto se introducen en las heridas del ganado. La mosca hembra, como una abeja reina, sólo se aparea una vez. Cuando se sueltan gran número de moscas macho esterilizadas con rayos gama en el momento oportuno y en la zona infestada con el gusano barrenador, la mayor parte de las hembras se aparean con machos estériles. Como consecuencia, las moscas no pueden reproducirse lo suficiente para mantener su número. Esta técnica se ha usado para erradicar en algunas zonas la mosca mediterránea de las frutas.

    Para un buen cultivo se necesita un suelo con suficientes nutrientes y humedad. Las técnicas nucleares son ideales para medir la eficacia del aprovechamiento de los fertilizantes por los cultivos y para vigilar el contenido de humedad.

    En la agricultura moderna, el empleo de fertilizantes es esencial para aumentar al máximo los rendimientos de los cultivos; por ejemplo, es corriente alcanzar en muchos suelos un aumento del rendimiento de los cereales, de un 50 % gracias a una fertilización eficiente. Para brindar alimentos a la población mundial que crece sin cesar, se estima que el consumo de fertilizantes dentro de 20 años ha de ser cuatro o cinco veces superior al actual. Para reducir a un mínimo absoluto la necesidad de fertilizantes y de este modo rebajar los costos de producción de los agricultores y aminorar el daño al medio ambiente, se necesitan estudios que permitan conocer las virtudes relativas de los diferentes procedimientos de fertilización en los que respecta, por ejemplo, a los métodos para aplicar el fertilizante, la oportunidad de su aplicación y los tipos de fertilizantes que han de usarse. El método utilizado para resolver estos problemas exige introducir en el suelo cantidades conocidas de fertilizantes marcados con isótopos, en diversos tiempos y diferentes lugares. Como la planta no distingue entre los elementos provenientes del fertilizante marcado y los del suelo natural, es posible medir la cantidad exacta de nutrientes de fertilizante captados por la planta.

    Los resultados de esta investigación se han incorporado a las prácticas agrícolas relativas a los cereales y han permitido aumentar de manera importante la productividad de los cultivos, reducir la aplicación de fertilizantes por ende los costos y han sido favorables para el medio ambiente al reducir considerablemente los fertilizantes residuales en los suelos. Las recomendaciones basadas en los resultados de los experimentos realizados en este campo se han aplicado en los programas de fertilizantes organizados por la FAO en muchos países y han permitido ahorros importantes; un país que utiliza estas técnicas afirma haber ahorrado, contando únicamente los cultivos de maíz, nada menos que 36 millones de dólares de los Estados Unidos al año.

    Se han adaptado métodos naturales similares para evaluar los depósitos de fosfato de roca, que resulta barato como alternativa frente a los fertilizantes fosfatados caros y a menudo importados y para descubrir el modo más eficiente de utilización de esos depósitos de fertilizantes con miras a un máximo crecimiento de las plantas.

    Aunque el nitrógeno constituye un 80 % de los gases de la atmósfera, son pocas las plantas que pueden aprovecharlo directamente. Sin embargo, gracias a un proceso denominado fijación biológica del nitrógeno, las plantas son capaces de aprovechar el nitrógeno del aire. El proceso más importante es resultado de la simbiosis entre una planta y una bacteria y ha despertado gran interés en los últimos años.

    Las legumbres que fijan el nitrógeno pueden suministrar abundantes proteínas para el consumo humano y animal y también aumentar el nitrógeno del suelo. La planta acuática Azolla, por ejemplo, puede obtener de un 80 a un 90 % de su nitrógeno mediante fijación y es muy valiosa para suministrar nitrógeno a los cultivos de arroz con cáscara. Con el fin de obtener los máximos frutos de este proceso biológico único, se utilizan isótopos para descubrir la cantidad de nitrógeno que la planta puede fijar y las formas de aumentar esta fijación. Las técnicas isotópicas constituyen un medio ideal para distinguir el nitrógeno derivado de la atmósfera, el del suelo y del fertilizante aplicado.

    FICHA: 4.
    TEMA: Radiactividad aplicada a la industria

    Objetivo
    Conocer algunos de los usos de las radiaciones y marcadores isotópicos en la industria.

    A.20.4. Actividades. Lea y comente el texto correspondiente en su grupo de estudio. Valoren, emitan juicio sobre las ventajas posibles de comer alimentos radiados.
    Ilustrar en un cartel y exponer su contenido al resto de la clase.
    Realizar alguna creatividad alusiva al tema, para presentarlo al resto de la clase.
    Hacer una investigación de cuántos alimentos radiados se consumen en las casas de los miembros del grupo de estudio. Hacer un gráfico con los datos.

    Información de la ficha número 4

    Uno de los grandes retos en el mundo, es contar con suficientes alimentos sanos para toda la población. Se realizan grandes esfuerzos para fertilizar la tierra, desarrollar mutantes de cultivos básicos adecuados, ofrecer una infraestructura adaptada al país y, en general, crear las circunstancias apropiadas para una buena cosecha. Después de eso, hemos de hacer también esfuerzos para asegurarnos que los alimentos cultivados con esmero han de conservarse y protegerse contra contaminaciones y plagas, lo que constituye una importante prioridad para el mundo en desarrollo.

    Durante miles de años se ha convivido con este problema, de manera que los métodos de conservación han evolucionado a partir del desecado al sol, a la saladura, el ahumado, el envasado, la congelación, el calentamiento y la adición de productos químicos. El último método que se agrega a la lista es la irradiación, vale decir, la exposición de los alimentos a radiaciones ionizantes administradas en cantidades cuidadosamente controladas.

    A pesar de constituir un proceso comercial relativamente nuevo, la irradiación de alimentos se ha estudiado con más detalle que ninguna otra tecnología de los alimentos. Más de 40 años de investigaciones ha demostrado de forma definitiva que el consumo de alimentos irradiados no tiene consecuencias negativas. En realidad, en lo que respecta a muchos alimentos se ha demostrado que el mejor método de conservación es la irradiación.

    Tabla 3

    Aplicaciones generales de la irradiación de alimentos

    Finalidad

    Dosis absorbida (kGy)

    Productos

    Dosis baja (hasta 1 kGy)

    Inhibición de brotes

    0.05-0.15

    Papas, cebollas, ajos raíz de jengibre

    Desinfectación en relación con insectos y parásitos

    0.15-0.50

    Cereales y legumbres, frutas secas y desecadas, carne y pescado desecados, cerdo fresco

    Retardo de la maduración

    0.50-1.0

    Frutas y verduras frescas

    Dosis media (1-10 kGy)

    Prolongación del período de conservación

    1.50-3.0

    Pescado fresco, fresas y otros.

    Eliminación de la putrefacción y de los microorganismos patógenos

    2.0-7.0

    Mariscos frescos y congelados, aves y carne

    Mejoramiento de las cualidades tecnológicas de los alimentos

    2.0-7.0

    Uvas (aumento del jugo), verduras deshidratadas (reducción del tiempo de cocción)

    Dosis alta (10-50 kGy)

    Descontaminación de aditivos e ingredientes de alimentos

    0-50

    Especias, preparados de enzimas, chicle natural y otros.

    Esterilización comercial (en combinación con calor suave)

    30-50

    Carne, aves, mariscos, alimentos preparados, dietas hospitalarias.

    Tabla 4

    Ejemplos de las utilizaciones de alimentos y artículos irradiados aprobadas en el mundo

    País

    Producto

    Argentina

    Especias, espinacas, polvo de cacao

    Bangladesh

    Papas, cebolla, pescado desecado, legumbres, mariscos congelados, ancas de rana

    Bélgica

    Especias, verduras deshidratadas, alimentos congelados incluidos mariscos

    Brasil

    Especias, verduras deshidratadas

    Canadá

    Especias, papas, cebolla

    Chile

    Especias, verduras deshidratadas, cebollas, papas, pollos

    China

    Papas, ajos, manzanas, especias, cebollas, salchicha china, vino chino

    Cuba

    Papas, cebollas, granos de cacao

    Dinamarca

    Especias

    Finlandia

    Especias

    Francia

    Especias, aliños vegetales, pollos (pollo deshuesado congelado)

    Hungría

    Especias, cebollas, corchos para vino

    India

    Especias, cebollas, papas

    Indonesia

    Especias, tubérculos y raíces

    Israel

    Especias, cebollas, papas, granos

    Japón

    Papas

    República de Corea

    Polvo de ajo, papas, cebollas

    Países Bajos

    Especias, productos congelados, pollos, verduras deshidratadas, arroz, polvo de huevo, materiales de embalaje

    Noruega

    Especias

    Pakistán

    Papas, cebollas, ajos, especias

    Sudáfrica

    Papas, cebollas, frutas, especias, carne, pescado, pollos, productos procesados, verduras

    España

    Papas, cebollas

    Siria

    Papas, cebollas, pollos, frutas, especias

    Tailandia

    Cebollas, salchichas de cerdo fermentado, papas

    Unión Soviética

    Papas, cebollas, cereales, frutas y verduras frescas y desecadas, carne y productos cárnicos, aves, granos

    Estados Unidos

    Especias, aves, frutas

    Yugoslavia

    Especias, cereales, carne, aves

    Las autoridades internacionales competentes han aprobado todas las normas y reglamentaciones necesarias para la irradiación de determinados alimentos, pero existiendo cierta resistencia del público frente a esos alimentos. Se trata seguramente de una situación transitoria, y es innegable que en el futuro, la irradiación de alimentos se convertirá en un factor beneficioso para la humanidad y la conservación de alimentos por irradiación, adquirirá máxima importancia para los productos alimenticios de los países en desarrollo.

    ¿Qué ventaja tiene la utilización de la irradiación? Puede matar organismos virales y microorganismos patógenos específicos que no generen esporas, como la salmonela, o puede interferir en procesos fisiológicos, siendo posible utilizarla, por ejemplo, para inhibir los brotes de las papas o prolongar el período de conservación de la fruta fresca. En síntesis, la irradiación de alimentos constituye una opción y en algunos casos el único método para lo siguiente:

    • eliminar muchos riesgos para la salud provenientes de los alimentos

    • mejorar la calidad de los productos frescos

    • lograr que la producción y la distribución de alimentos sean más económicos

    • reducir las pérdidas durante el almacenamiento o transporte y

    • desinfectar productos almacenados, como granos, alubias o frijoles, frutas desecadas y pescado desecado.

    Desde el punto de vista económico, una de las aplicaciones más importantes se traduce en la prolongación del período de conservación, lo que tiene sumo valor para los países de clima cálido como muchos de los países en desarrollo. Lo mismo es cierto para la reducción de las pérdidas durante el almacenamiento, que son muy importantes en algunas zonas. Aunque resulte difícil de creer, algunos países registran pérdidas posteriores a la cosecha de un 40 a un 50%, debidas a la infestación de los alimentos básicos, como granos y el ñame o batata. Por eso, cuando no se les irradia, en su mayoría, los alimentos básicos almacenados se fumigan con productos químicos.

    En una conferencia internacional celebrada en Ginebra en diciembre de 1988 sobre “Aceptación, control y comercio de alimentos irradiados” se aprobó un documento que describe las ventajas de la irradiación de alimentos y recomienda armonizar los procedimientos nacionales, para facilitar el comercio internacional de esos productos.

    En consecuencia, parecería que finalmente se han removido todos los obstáculos prácticos que podían entorpecer el rápido desarrollo de esta aplicación de las radiaciones que ha de resultar sumamente provechosa para la humanidad en un futuro muy cercano.

    FICHA: 5.
    TEMA: Reactores nucleares para obtener energía eléctrica.

    Objetivos:
    Cuestionar el uso de reactores nucleares para el uso de electricidad.
    Valorar la energía hidráulica que tiene Costa Rica y proponer soluciones hipotéticas para el futuro de la humanidad.
    Comparar el mecanismo de obtención de la electricidad por medio de vapor, usando carbón, combustible gas y el nuclear.

    A.20.5. Actividades. Comente en su grupo, el uso de los reactores como solución de energía de presente y futuro.
    Plantear hipótesis a nivel de grupo.
    Presentar el tema al grupo, con un esquema en donde se pueda explicar el funcionamiento y plantear las interrogantes al grupo. Estimular para que el grupo medite sobre el asunto.

    Información de la ficha número 5.

    Energía Nuclear

    Casi toda la electricidad para uso comercial es producida por máquinas que consisten en una turbina que mueve un generador eléctrico mediante un eje. La energía necesaria para hacer girar a la turbina puede suministrarla una caída de agua, como en las plantas hidráulicas, o el vapor de agua generado en una caldera mediante el calor de un combustible, como en las plantas térmicas. Estas centrales generadoras queman combustibles fósiles, como son el carbón, el petróleo o el gas natural.

    La demanda mundial de energía, principalmente a partir de combustibles fósiles, ha continuado creciendo a una velocidad acelerada durante unos 250 años. Aún a las tasas actuales de consumo, la reserva mundial estimada de combustibles fósiles, es suficiente sólo para unos pocos siglos. Aunque Estados Unidos posee grandes depósitos de carbón y de esquistos petrolíferos, importa hoy aproximadamente 40 % de sus necesidades de petróleo. Es obvio que necesitan desarrollarse fuentes alternas de energía. Hoy el uranio constituye la alternativa más productiva y aproximadamente 12 % de la energía eléctrica que se consume en Estados Unidos es generada en plantas térmicas que operan con una reacción nuclear a base de uranio, como “combustible”.

    Una central nuclear es una planta térmica en la que el calor lo produce el reactor de fisión en vez de una cámara de combustión. Los principales componentes de un reactor nuclear son (1) una disposición de material reactivo fisionable, que constituye el núcleo del reactor, (2) un sistema de control, que regula la velocidad de fisión y por lo mismo la tasa de generación de calor y (3) un sistema de enfriamiento, que elimina el calor del reactor y también mantiene el núcleo a la temperatura adecuada. Un cierto tipo de reactor emplea pastillas metálicas que contienen uranio enriquecido con U 235, desde un nivel normal de 0.7 %, hasta aproximadamente 3 %. Se modera, o controla, la reacción autosostenida de fisión, mediante las barras o varillas de control de posición regulable. Estos elementos contienen sustancias que refrenan y capturan algo de los neutrones que se producen. Para enfriar se usan agua ordinaria, agua pesada, sodio fundido y otros. La energía obtenida de la reacción nuclear es en forma de calor, y se usa en la producción de vapor para impulsar las turbinas que impulsan a los generadores de electricidad.

    Dos eventos que demostraron los peligros potenciales de la energía nuclear fueron los accidentes en la isla Three Mile, en Pennsylvania, EUA (1979) y Chernobyl, URSS (1986). Ambos accidentes fueron originados por la pérdida de refrigerante en el núcleo del reactor. Los reactores en la isla Three Mile están envueltos por cascarones de concreto y por lo tanto dejaron escapar una cantidad relativamente pequeña de material radiactivo a la atmósfera. Como en la Unión Soviética no se usan estructuras de contención para las plantas nucleares, el accidente de Chernobyl ocasionó 31 muertes y la renunciación de 135000 pobladores. La descarga de grandes cantidades de Y 131, Cs 134 y Cs 137, podrían originar problemas de salud a largo plazo en esa población, que ya estuvo expuesta.

    Otra desventaja principal de las plantas nucleares es que producen desechos altamente radiactivos, algunos de los cuales tienen semividas de miles de años. Hasta ahora, no se ha logrado un acuerdo acerca de cómo disponer con seguridad de tales productos radiactivos.

    En Estados Unidos los reactores diseñados para la producción comercial de electricidad usan óxido de uranio, U3O8 , enriquecido con el isótopo fisionable U-235, relativamente escaso. Como es limitado el suministro de U 235, se ha desarrollado un tipo nuevo de reactor, llamado reactor de cría. Estos reactores están diseñados para producir más material fisionable a la vez que se lleva a cabo la reacción. En un reactor de cría, los neutrones convierten a isótopos no fisionables, como el U 238 o el Th 232, en isótopos fisionables Pu 239 o U 233.

    Estas transmutaciones hacen posible aumentar en gran medida el suministro de reactivo fisionable, para los reactores nucleares.