La radiactividad o radioactividad1 es
un fenómeno físico por el cual los núcleos de algunos elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas
radiográficas, ionizar gases,
producirfluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria,
entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominarradiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser
electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien
corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones,protones u
otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos
elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer,
espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
La radiactividad ioniza el
medio que atraviesa. Una excepción la constituye el neutrón, que
posee carga neutra (igual carga positiva como negativa), pero ioniza la materia en
forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de
radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.
La radiactividad es una propiedad de los isótopos que
son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en
sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas
o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus
electrones (emitiendo rayos X) o de
sus nucleones (rayo
gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o
partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo
pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba
convirtiéndose en plomo.
Los rayos X son una radiación
electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son
radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor
energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos
X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica,
fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los
rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma
producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia
produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas
con carga (iones).
Descubrimiento
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico
británico William Crookes, que investigó en el siglo XIX los efectos de ciertos
gases al aplicarles descargas de energía. Estos experimentos se desarrollaban
en un tubo vacío, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. Él lo
llamó tubo de Crookes. Este tubo, al estar cerca de placas fotográficas,
generaba en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto
creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su
investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro para los
organismos biológicos que supone la exposición a estas radiaciones.
El físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X en 1895, mientras
experimentaba con los tubos de Hittorff-Crookes y la bobina de Ruhmkorff para investigar lafluorescencia violeta que producían los rayos catódicos. Tras cubrir el tubo con un cartón negro
para eliminar la luz visible, observó un débil resplandor amarillo-verdoso
proveniente de una pantalla con una capa de platino-cianuro de bario, que
desaparecía al apagar el tubo. Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que
atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas
fotográficas para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a
los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana,
usando la mano de su mujer. Los llamó "rayos incógnita", o
"rayos X" porque no sabía qué eran, solo que eran generados por los
rayos catódicos al chocar contra ciertos materiales. Pese a los descubrimientos
posteriores sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese
nombre.1 En Europa Central y Europa del Este, los
rayos se llaman rayos
Röntgen (en
alemán: Röntgenstrahlen).
La noticia del descubrimiento de los rayos X se divulgó con mucha
rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de múltiples reconocimientos: el
emperador Guillermo II de
Alemania le
concedió la Orden de la Corona y fue premiado con la medalla Rumford de la Real
Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de
Columbia y con el premio Nobel de
Física en 1901.
Producción de rayos X
Los rayos X se pueden observar cuando un haz de electrones muy
energéticos (del orden de 1 keV) se desaceleran al chocar con un blanco
metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite radiación
electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro continuo de rayos
X a partir de cierta longitud de onda mínima dependiente de la energía de los
electrones. Este tipo de radiación se denomina Bremsstrahlung, o ‘radiación de frenado’. Además, los
átomos del material metálico emiten también rayos X monocromáticos, lo que se
conoce como línea de emisión característica del material. Otra fuente de rayos X es la radiación
sincrotrón emitida
en aceleradores
de partículas.
Para la producción de rayos X en laboratorios, hospitales, etc. se usan
los tubos de rayos X, que pueden ser de dos clases: tubos con
filamento o tubos con gas.
El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se
encuentran dos electrodos en sus extremos. El cátodo es un filamento de
tungsteno y el ánodo es un bloque de metal con una línea característica de
emisión de la energía deseada. Los electrones generados en el cátodo son
enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una inclinación
de 45°) y los rayos X son generados como producto de la colisión. El total de
la radiación que se consigue equivale al 1% de la energía emitida; el resto son
electrones y energía térmica, por lo cual el ánodo debe estar refrigerado
para evitar el sobrecalentamiento de la estructura. A veces, el ánodo se monta
sobre un motor rotatorio; al girar continuamente el calentamiento se reparte
por toda la superficie del ánodo y se puede operar a mayor potencia. En este
caso el dispositivo se conoce como «ánodo rotatorio».2 Finalmente, el tubo de rayos X posee una
ventana transparente a los rayos X, elaborada en berilio, aluminio o mica.
Esquema de un tubo
de rayos X
El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es controlada mediante una válvula; posee
un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los electrones y un ánodo.
Las partículas ionizadas de nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son
atraídas hacia el cátodo y ánodo. Los iones positivos son atraídos hacia el
cátodo e inyectan electrones a este. Posteriormente los electrones son
acelerados hacia el ánodo (que contiene al blanco) a altas energías para luego
producir rayos X. El mecanismo de refrigeración y la ventana son los mismos que
se encuentran en el tubo con filamento.
Radiactividad natural
Rayos cósmicos
Radiación medida el 20 de enero
de 2005 a 12 ㎞ de altitud en un rango desde los 2 (tono verde claro) a los 160 μSV/h
(tono rojizo intenso).
Se denomina radiactividad
natural a la radiactividad que
existe en la naturaleza sin intervención humana. Su descubridor fue Henri Becquerel, en
1896.
Puede provenir de dos fuentes:
1. Materiales radiactivos existentes en la Tierra desde su formación, los llamados primigenios.
2. Materiales radiactivos generados por interacción de
rayos cósmicos con materiales de la Tierra que originalmente no eran
radiactivos, los llamados cosmogónicos.
Adicionadas las radiaciones de rayos cósmicos -que
provienen del exterior de la atmósfera- y las emitidas por estos materiales,
constituyen la fuente de 80% de la dosis recibida por las personas en el mundo
(en promedio). El resto lo provocan casi íntegramente los procedimientos
médicos que utilizan radiaciones (diagnósticos por rayos X, TAC, etcétera).
La dosis media soportada por un ser humano es de 2,4 mili sieverts (mSv) al
año. Puede haber gran variabilidad entre dos ubicaciones concretas. De todas
las fuentes de radiaciones ionizantes naturales (incluidos los rayos cósmicos),
la proveniente del 222Rn equivale a aproximadamente la mitad de la
dosis que reciben las personas.
En
este trabajo podremos observar que la tabla periódica no es solo eso, sino que
consta de sub-partes que nos ayudan a entender las distintas propiedades que
posee cada uno de sus elementos.
Podemos
encontrar y medir la distancia entre los núcleos en una molécula. Se pude
deducir el radio de un catión o un anión. Podemos deducir la habilidad del
átomo de cada elemento para atraer los electrones de un enlace químico. Se
puede sacar el cambio de energía cuando un átomo acepta un electrón en estado gaseoso.
Y la mínima energía que se requiere para quitar un átomo gaseoso en su estado
fundamental. Esto se explica más detallado dentro de la carpeta.
También
hay una segunda parte en la que podremos apreciar la radiactividad, sus tipos
ya sean artificiales, naturales, o con distintas cargas. Podremos apreciar cómo
fue descubierto, que se hizo años atrás para que se pudieran descubrir los
distintos elementos radiactivos. Como fueron descubiertos los distintos rayos
radiactivos. Para que los ocupa hoy la ciencia y la medicina. Podremos apreciar
también la energía nuclear, sus modelos, como se realiza una fisión nuclear y
una fusión nuclear, sus diversos usos para distintas cosas.
Y
si bien la radiactividad es beneficiosa para la curación de enfermedades en tratamientos,
también puede llegar a ser muy peligrosa para las personas, también hay una
parte en la que se podrá apreciar cómo afecta la radiactividad a neutro cuerpo
internamente.
Espero
Sr. Juan Carlos Caro que este trabajo pueda ser satisfactorio al momento de ser
revisado y que pueda responder a las distintas exigencias que usted requiere.
I.- Radio Atómico:
Numerosas
propiedades físicas, incluyendo la densidad, el punto de fusión y el punto de
ebullición, están relacionadas con el tamaño de los átomos, pero el tamaño
atómico es más difícil de definir. En la práctica por lo general se piensa en
el tamaño atómico como el volumen que contiene un 90% de la totalidad de la
densidad electrónica alrededor del núcleo.
Varias
técnicas permiten estimar el tamaño de un átomo. Considérese en primer lugar
los elementos metálicos. La estructura de los metales es muy variada, pero
todos ellos comparten una característica: sus átomos están enlazados uno a otro
en la extensa red tridimensional. Así es que el radio atómico de
un metal es la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos
átomos adyacentes (figura 1.a) Para elementos que existen como moléculas
diatomicas simples, el radio atómico es la mitad de la distancia entre los
núcleos de los dos átomos en una molécula especifica (figura 1.b)
La
figura dos muestra el radio atómico de muchos elementos de acuerdo con su
posición en la tabla periódica y la figura 3 es una gráfica del radio atómico
de estos elementos en función de sus números atómicos. Las tendencias periódicas
son evidentes. Al estudiar las tendencias conviene tener en mente que los
radios atómicos están determinados en gran medida por cuan fuertemente atrae el
núcleo a los electrones. A mayor carga nuclear efectiva, los electrones estarán
más fuertemente enlazados al núcleo y menos será el radio atómico. Considérese
el segundo período de elementos del Li al F. Al desplazarse de izquierda a
derecha, se encuentra que el número de electrones de la carga interna permanece
constante, mientras que la carga nuclear aumenta. Los electrones que se agregan
para balancear la creciente carga nuclear efectiva aumenta constantemente
mientras que el numero cuántico principal permanece constante. (n= 2). Ej.: el electrón externo 2s del
litio es protegido del núcleo (que tiene 3 protones) por los dos electrones 1s. Como una aproximación, se puede
suponer que el efecto de apantallamiento de los dos electrones 1s cancela dos cargas positivas del
núcleo. Entonces el electrón 2s solo siente la atracción debida a
un protón en el núcleo, o la carga nuclear efectiva el +1.enel berilio cada uno
de los electrones 2s es apantallado por los electrones
internos 1s, mismos que
cancelas dos de las cuatro cargas positivas del núcleo. Como los electrones 1s no se apantallan entre sí de modo
tan eficaz, el resultado neto es que la carga nuclear efectiva de cada electrón
2s es mayor de +1. Así. A medida que
aumenta la carga nuclear efectiva, el radio atómico disminuye constantemente
del litio al flúor.
A
medida que se desciende en un grupo- por ej., el grupo 1A- se encuentra que el
radio atómico aumenta según aumenta el numero atómico. Para los metales
alcalinos la carga nuclear efectiva sobre el electrón más externo permanece
constante (+1) pero n crece. Como el tamaño de los
orbitales aumenta con el incremento del numero cuántico principal n, el tamaño de los átomos
metálicos aumenta del Li al Cs. El mismo razonamiento se puede aplica a los
elementos de los otros grupos.
II.- Radio Iónico:
El Radio iónico es el
radio de un catión o de un anión. El radio ionico afecta las
propiedades físicas y químicas de un compuesto ionico. Por ej., la estructura
tridimensional de un compuesto ionico depende del tamaño relativo de sus
cationes y aniones.
Cuando
un átomo neutro se convierte en un ion, se espera un cambio en el tamaño. Si el
átomo forma un anion, su tamaño (o radio) aumenta, dado que la carga nuclear
permanece constante pero la repulsión resultante de la adición de electrón(es)
extiende el dominio de la nube electrónica. Por otro lado, un cation es más
pequeño que su átomo neutro, dado que quitar uno o más electrones reduce la
repulsión electron-electron y se contrae la nube electrónica. La figura 4
muestra los cambios de tamaño cuando los metales alcalinos se convierten en
cationes, y los halógenos en aniones; la figura 5 muestra los cambios de tamaño
cuando un átomo de litio reacciona con un átomo de flúor para formar una unidad
de LiF.
La
figura 6 muestra los radios ionicos de iones derivados de los elementos más
familiares, acomodados de acuerdo con su posición en la tabla periódica. Se
observa que en algunas regiones existen tendencias paralelas entre el radio
atómico y el radio ionico. Por ej., de la parte superior a la parte inferior de
la tabla periódica, ambos, el radio atómico y el radio ionico, aumentan. Para
iones derivados de elementos de diferentes grupos, la comparación solo tiene
significado si los iones son más grandes que los cationes. Por ej., el Na+ es
menor que F-. Ambos iones tienen el mismo número de electrones, pero el Na
(Z=11) tiene más protones que el F ( Z=9). La mayor carga nuclear efectiva del
Na+ produce menor radio.
Al
considerar los cationes isoelectronicos, se observa que los radios de iones
tripositivos (esto es, iones que tengan tres
cargas positivas), que a su vez son más pequeños que los iones
unipositivos (esto
es, iones con una carga positiva). Esta tendencia se aprecia en forma adecuada
con los tamaños de tres iones isoelectronicos del tercer periodo: Al3+, Mg2+ y
Na+ (ver figura 5). El ion Al3+ tiene el mismo número de electrones que el
Mg2+, pero tiene un protón de más, lo cual provoca que la nube electrónica del
Al3+ sea atraída hacia el núcleo más fuertemente que en el caso del ion Mg2+.
el radio menor del Mg2+ es comparado con el Sodio Na+ tiene una explicación
similar. Al revisar los aniones isoelectronicos, se encuentra que el radio
aumenta de los iones uninegativos (esto es, con carga 1-) a los de carga
dinegativa (2-), y así sucesivamente. Así el ion oxido es mayor que el ion
fluoruro, porque el oxígeno tiene menos protones que el fluoruro; la nube
electrónica se expande con una mayor extensión en el O2-.
III.- Electronegatividad:
La
electronegatividad nos permite distinguir entre elementos covalentes e ionicos.
Un
enlace covalente, es el compartimiento de un par de electrones entre dos
átomos. En una molécula como el H donde los átomos son idénticos, se espera que
los electrones sean igualmente compartidos; esto es, los electrones pasan la
misma cantidad de tiempo en la vecindad de cada átomo. La situación es
diferente para la molécula de HF. A pesar de que los átomos de H y F también
están unidos por un enlace cojamente, el compartimiento del par de electrones
pasan más tiempo
en la vecindad de un átomo que del otro. En tal caso, el enlace covalente se
denomina enlace
covalente polar, o simplemente un enlace
polar.
La
evidencia experimental indica que en la molécula de HF los electrones pasan más
tiempo cerca del átomo de F, se puede pensar en este compartimiento desigual de
electrones como una transferencia parcial de electrones (o más comúnmente
descrita como un desplazamiento de la densidad electrónica) del átomo de H
hacia el átomo de Flúor. Se puede representar la desviación de la densidad
electrónica colocando una flecha sobre la estructura de Lewis del HF:
Esta
“comparación no-equitativa” del par de electrones de enlace se manifiesta en
una densidad electrónica relativamente mayor cerca del átomo de Flúor y
correspondientemente una densidad electrónica menor cerca del átomo de
Hidrogeno. La distribución de carga se puede representar por:
δð
δ-
Donde
(delta) denota la separación parcial de la carga del electrón. La unión HF es
un enlace polar. Un enlace polar se puede considerar como un intermedio entre
un enlace
covalente (no polar), donde el
compartimiento de electrones es exactamente igual, y un enlace iónico, donde la
transferencia de electrón(es) es completa.
Una
propiedad que ayuda a distinguir el enlace covalente puro del polar es la electronegatividad de
los elementos, es decir, la
habilidad de un átomo para atraer hacia sí los electrones de un enlace químico. Como es de esperarse, la
electronegatividad de un elemento está relacionada con una afinidad y su
energía de ionización (que veremos más adelante). En tal forma que un átomo
como el Flúor, el cual tiene tanto valores altos de afinidad electrónica
(tiende a retener electrones fácilmente) como de energía de ionización (no
pierde electrones fácilmente) tiene electronegatividad alta. En contraste al
Sodio, que tiene valores bajos de afinidad electrónica y energía de ionización,
tiene electronegatividad baja.
Linus
Pauling desarrollo el método para calcular las electronegatividades relativas de
la mayoría de los elementos. Estos valores se muestran en la figura 7. Esta
tabla es importante porque muestra tendencias y relaciones entre los valores de
electronegatividad de diferentes elementos. La figura 8 muestra las tendencias
periódicas de la electronegatividad. En general, la electronegatividad aumenta
de izquierda a derecha a lo largo de un periodo en la tabla periódica
coincidiendo con la disminución del carácter metálico de los elementos. En cada
grupo, la electronegatividad disminuye al aumentar el número atómico, indicando
un aumento en el carácter metálico. Nótese que los metales de transición no siguen
estas tendencias. Los elementos más electronegativos (los halógenos, oxigeno,
nitrógeno y azufre) están ubicados en el ángulo superior derecho de la tabla
periódica, y los menos electronegativos (los metales alcalinos y
alcalinotérreos) se encuentran el ángulo inferior izquierdo.
Los
átomos de elementos con diferencias de electronegatividad grandes tienen a
formar enlaces ionicos unos con otros, dado que los elementos menos
electronegativos donan su(s) electrón(es) al átomo del elemento de mayor electronegatividad.
Los átomos de elementos con electronegatividades similares tienden a formar
entre sí enlaces covalentes o covalentes polares, dado que solo ocurre un
desplazamiento ligero de la densidad electrónica. Estas tendencias y
características son las que se esperan con base en el conocimiento de las
afinidades electrónicas y energías de ionización de los elementos.
Los
conceptos de electronegatividad y afinidad electrónica están relacionados pero
con diferentes. Ambas propiedades expresan la tendencia de un átomo a atraer
electrones.
Sin
embargo, la afinidad electrónica se refiere a la atracción de un átomo aislado
sobre un electrón adicional; mientras que la electronegatividad es la
manifestación de la atracción de un átomo por los electrones compartidos en un
enlace químico (con otro átomo). Sin embargo, la afinidad electrónica es una
cantidad experimental medible, mientras que la electronegatividad es un numero
relativo y no se puede medir.
A
pesar de que no hay distinción tajante entre un enlace covalente polar y un
enlace ionico, la siguiente regla es útil para distinguir entre ambos. Un
enlace ionico se forma cuando la diferencia de electronegatividad entre dos
átomos del enlace es 2.0 o mayor. Esta regla se aplica a la mayoría pero no a
todos los compuestos ionicos. En algunas ocasiones los químicos usan el
concepto de porcentaje de carácter iónicopara describir la naturaleza de
un enlace. Un enlace ionico puro tiene 100% de carácter ionico, mientras que un
enlace covalente puro tiene 0% de carácter ionico.
*electronegatividad y
número de oxidación:
En
esencia, el numero de oxidación se refiere al numero de cargas que tendría un
átomo en una molécula si los electrones fueran transferidos completamente en la
dirección
La Radiación alfa está formada por núcleos del
isótopo 4 de helio, es decir, está constituida por una radiación corpuscular,
en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones. Ello
significa que tiene una masa atómica de 4 unidades y una carga eléctrica de 2
unidades positivas. Estor protones y neutrones formaban antes parte del núcleo
que se ha desintegrado. Estas radiaciones son absorbidas fácilmente por todos
los cuerpos, basta para ello unos centímetros de aire o algunas centésimas de
milímetro de agua.
La Radiación beta está constituida por electrones,
lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada
corpúsculo tiene una masa atómica de 1/1800 aproximadamente, y una carga de 1
unidad negativa.
La Radiación gamma es de naturaleza electromagnética,
semejante a la luz ordinaria, pero con mucho menos longitud de onda. Es, por lo
tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta
radiación tampoco existía en el núcleo, sino que es una energía que se emite
como una consecuencia de un reajuste energético del núcleo.
Posteriormente,
se descubrió la radiación beta
positiva, semejante
a la radiación beta pero con carga positiva, a la que se le llamó Positrón,
pues está formada por positrones procedentes de transformación de un protón en
un neutrón.
Las
personas están expuestas continuamente a radiaciones ionizantes. 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
primeras constituyen el fondo radiactivo natural. Podemos distinguir tres
causas de este fondo natural radiactivo:
1.- Las radiaciones ionizantes
procedentes del espacio exterior (radiación cósmica) están originadas por los
procesos nucleares que tienen lugar fuera 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 el nivel del mar que en lo alto
de una montaña.
2.- Las radiaciones emitidas por las
sustancias radiactivas presentes en la corteza terrestre. Este 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 ej., el fondo
radiactivo terrestre de la sierra de Guadamarra, cuyas rocas graníticas poseen
una radiactividad relativamente alta, es mucho mayor que el correspondiente en
las zonas de la naturaleza calcárea.
3.- Las radiaciones de isótopos
radiactivos contenidos en el propio organismo humanos, principalmente isótopos
de carbono y del potasio. A de 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.
En
otro caso encontramos las Radiaciones
artificiales ésta
se produce cuando:
Todos
los isótopos naturales situados por encima del bismuto, el talio, el vanadio,
el indio, el neodimio, el gadolinio, el hafnio, el platino, el plomo, el renio,
el lutecio, el rubidio, el potasio, el hidrógeno, el carbono, el lantano y el
samario. En 1919, Rutherford provocó la primera reacción nuclear inducida
artificialmente al bombardear gas nitrógeno corriente (nitrógeno 14) con
partículas alfa; comprobó que los núcleos de nitrógeno capturaban estas
partículas y emitían protones muy rápidamente, con lo que formaban un isótopo
estable del oxígeno, el oxígeno 17. Esta reacción puede escribirse en notación
simbólica como:
MN + aHe o oO + mH
donde,
por convenio, se escriben los números atómicos de los núcleos implicados como
subíndices y a la izquierda de sus símbolos químicos, y números mágicos como
superíndices. En la reacción anterior, la partícula alfa se expresa como un
núcleo de helio, y el protón como un núcleo de hidrógeno.
Hasta
1933 no se demostró que estas reacciones nucleares podían llevar en ocasiones a
la formación de nuevos núcleos radiactivos.
El
estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos
radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al
descubrimiento de la fisión nuclear (que trataremos más adelante) y el
posterior desarrollo de la bomba atómica. También se descubrieron varios
elementos nuevos que no existen en la naturaleza. El desarrollo de reactores
nucleares hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de
casi todos los elementos de la tabla periódica, y la disponibilidad de estos
isótopos supone la ayuda incalculable para la investigación química y
biomédica. Entre los isótopos radiactivos producidos artificialmente tiene gran
importancia el carbono 14, con un periodo de semidesintegración de 5.730 + o -
40 años. La disponibilidad de esta sustancia ha permitido investigar con mayor
profundidad los numerosos aspectos de procesos vitales, como la fotosíntesis.
En
el análisis de activación de neutrones se coloca una muestra de una sustancia
en un reactor nuclear para hacerla radiactiva. Detectando los tipos de
radiactividad asociados con los radioisótopos correspondientes es posible
encontrar impurezas que no pueden ser detectadas por otros medios. Otras
aplicaciones de isótopos radiactivos se dan en la terapia médica, la
radiografía industrial, y ciertos dispositivos específicos como fuentes de luz
fosforescente, eliminadores estáticos, calibradores de espesor o pilar nucleares.
Otras
de las causas artificiales de la 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 a colores, 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 procedentes 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.
Las
exploraciones radiológicas son una de las mayores fuentes de radiaciones
artificiales, que en los países desarrollados dan lugar 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 las personas de la central.
Para
estudiar las acciones de la radiación sobre un objeto sometido a ella se ha
definido la magnitud dosis
absorbida, que se
define como la energía que transfiere la radiación a la unidad de masa del
material irradiado. La unidad de dosis absorbida en el Sistema Internacional es
de un gray, cuyo símbolo es Gy. Se define como
la dosis de radiación que transfiere una energía de 1julio a 1 kilogramos de
material irradiado.
En
el estudio sobre los efectos biológicos de las radiaciones se observa que tales
efectos no dependen sólo de la dosis absorbida sino del tipo de radiación
empleado, es decir, una dosis iguales de radiaciones diferentes producen unos
efectos distintos. Para tener en cuenta esto se define como una nueva magnitud,
la dosis
equivalente, que es
el producto de la dosis absorbida por un factor de ponderación para cada tipo
de radiación, con el objeto de homogeneizar las distintas clases de
radiaciones.
II.- Vida Media:
Puesto
que la radiactividad es un fenómeno nuclear, el proceso no es alterado por un
cambio a en la condición que lo muestra. Un nucleido radiactivo dado emitirá al
mismo tipo de radiación a la misma velocidad haciendo caso omiso al compuesto
del cual forma parte, de su temperamento de la presión aplicada, o de la
presencia de campos electrostáticos, magnéticos o gravitacionales.
Todos
los átomos radiactivos en una muestra dada no se desintegran simultáneamente.
La ruptura natural de un núcleo dado un evento estadístico, cuando esta
presente en grandes cantidades de 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 en proporcional al número de átomos
radiactivos presentes puesto que este número está 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.
Se
ha dicho que el núcleo está fuertemente unido y que es difícil de separar de él
un nucleón, debido a la energía de ligadura. La fuerza responsable de esta
energía de enlace tan grandes se denomina Fuerza o energía nuclear. La determinación de las
características de dicha fuerza es uno de los problemas fundamentales de la
física nuclear.
En
la física se conocen cuatro tipos de energías o fuerzas: la gravitatoria,
la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte.
La
fuerza de atracción entre neutrones y protones sería debida el intercambio de
meson:
Mientras
que las fuerzas entre protón y neutrón sería el resultado de intercambios.
*
Los mesones son nucleones que pueden ser positivos, negativos o neutros.
Hay
dos tipos de modelos nucleares: el modelo de la gota líquida y modelo de las capas concéntricas.
Modelos de la gota
líquida:
Se
considera el núcleo formado por nucleones mezclados al azar como moléculas del
agua en una gota. Este modelo fue propuesto por Bohr en el año 1936 y su
fundamento parece estar en la densidad casi uniforme de todos los núcleos de
los elementos, que es del orden de 10 gr/cm.
Modelos de las capas
concéntricas:
Fue
ideado en el año 1950 por Mayer y considera que los nucleones están situados en
capas dentro del núcleo, del mismo modo que en el modelo de Bohr los electrones
están colocados en la corteza del átomo, con la diferencia que ahora no hay
ningún objeto físico que haga núcleo atómico. Este modelo se explica con los
denominados números mágicos: número
de rareza, de paridad, de encanto, etc. La idea principal es que cuando un
núcleo tiene un número de protones o neutrones igual a 2, 8, 20, 50, 82 o 126,
presentan gran estabilidad; se dice entonces que las capas están completas como
se hacia con los niveles de electrones de un átomo.
Reacciones nucleares:
Las
reacciones nucleares artificiales tienen lugar cuando los núcleos, venciendo la
repulsión electrostática, queda muy cerca del otro, produciéndose un
reagrupamiento de los nucleones. Normalmente se bombardea un núcleo con un
proyectil ligero, un deuterón o partícula alfa, ya que para vencer la repulsión
electrostática entre núcleos pesados se necesitaría una gran energía cinética.
Los neutrones son especialmente atractivos como proyectiles, pues al no tener
carga no están sujetos a la repulsión electrostática.
En
las reacciones nucleares como son choques aislados, es decir, sin ninguna
fuerza exterior, deberá conservarse la cantidad de movimiento total del
sistema. Deberá conservarse también la carga, así como se deberá conservar el
número de nucleolos.
Pero
hay que resaltar que en las reacciones nucleares no se conserva la masa, es
decir, que la suma de las masas de los átomos reaccionantes no coincide con la
de los productos resultantes.
Hay
dos tipos de reacciones en los que se libera energía de ligadura: en la fisión
nuclear, que consiste en dividir núcleos pesados en núcleos de masa media. Se
puede afirmar que cuando la energía de ligadura total de los
productos es mayor que la de los reactivos, se libera energía.
1.- 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 en
núcleo se separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de radiación,
liberación de 2 o 3 nuevos neutrones y de una gran cantidad de energía que se
transforma finalmente en calor.
En
el año 1939 los alemanes Hahn y Stassman bombardearon uranio con neutrones
obteniendo dos átomos casi iguales, neutrones y rayos γ. Los dos átomos
obtenidos pueden pertenecer a unos 20 isótopos distintos pero comprendidos
entre los números atómicos 34 y 58. Una posible reacción sería:
En
cada fisión se producen 2 o 3 neutrones de gran energía cinética (neutrones
rápidos), y si alguno de ellos alcanza otro núcleo de uranio repite la fisión;
continuando el proceso se producirá una reacción
en cadena. Cuando un
neutrón alcanza un núcleo de uranio debe tener la energía cinética apropiada
por lo que debe ser frenado por un moderador (grafito, agua pesada…) para
convertirlo en un neutrón
lento, denominado neutrón térmico.
Una
central nuclear está constituida básicamente por el núcleo de la central, donde
se produce la reacción nuclear. En núcleo está integrado por:
-Combustible: normalmente U no es fisionable,
pero captura neutrones para evitar la reacción en cadena, enriquecido con U que
sí es fácilmente fisionable.
-Moderador: normalmente grafito o agua
pesada, que reduce la velocidad de los neutros para que sean capaces de
producir nuevas fisiones.
-Elementos de control: tiene por objetivo absorber
neutrones.
-Circuito primario de
refrigeración: circuito por el que circula agua
y extrae energía del interior del núcleo al exterior a una temperatura de
250°C.
2.- Fusión nuclear:
Esto
ocurre cuando dos núcleo 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
de las estrellas, pues tratan de gigantescas estructuras de mezclas de gases
calientes atrapados por las fuerzas de gravedad estelar.
El
confinamiento de las partículas de logra utilizando un “confinamiento magnético” o bien un “confinamiento inercial”. El
confinamiento magnético aprovecha el hecho que el plasma esta compuesto por
partículas (núcleos) con carga eléctrica. Se sabe que si una de estas
partículas interactua 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 los sólidos y líquidos. Cuando se logra la compresión deseada se eleva la
temperatura del elemento, lo que facilita aun más el proceso de fusión.
Aplicaciones de la
energía nuclear y radiación.
La
energía nuclear se puede utilizar de distintas maneras:
a.- como
radiación directa para esterilizar alimentos, tratar tumores, etc.
b.- enviando
radiaciones sobre un blanco y analizando las radiaciones reflejas, para el
estudio de materiales, estructura de compuestos, etc.
c.- aprovechando
un núcleo radiactivo tiene las mismas propiedades fisioquímicas que uno que no
lo sea, pero mediante sistemas de detección apropiados es posible seguir la
traza en diversos procesos.
d.- mediante
la magnitud semivida se puede determinar la edad de los fósiles o materiales.
Las
radiaciones pueden tener unos efectos beneficiosos en las personas:
Las
radiaciones X y gamma se usan con efectos curativos en el tratamiento de
tumores en la técnica denominada radioterapia;
también en medicina se emplean las radiaciones X o los isótopos radiactivos con
fines diagnósticos, en las especialidades de radiología y medicina nuclear.
Pueden
citarse otros ejemplos de la utilización biológica de las radiaciones que no
están relacionados con la salud de las personas peor sí con su bienestar; como
es el caos de la inducción de mutaciones genéticas en cereales para mejorar el
rendimiento de las cosechas o la calidad de las proteínas contenidas en el
grano.
El
mal uso de las radiaciones puede ser peligroso para los seres vivos, por lo que
en toda actividad en la que pueda producirse una irradiación a partir de una
fuente de radiación o de una contaminación radiactiva, es necesario asegurarse
que las personas otros seres vivos que se desea proteger no reciben dosis que
pueda originarles riesgos radiactivos. De esto se ocupa la protección
radiologica, que se define como el conjunto de normativas, métodos y acciones
que se toman para evitar dichos riesgos y daños. La protección radiologica se
ocupa también de establecer los limites de emisiones radiactivas el medio
ambiente y la medida de la radiactividad en éste.
