RADIACIONES: NATURALEZA Y PROPIEDADES

Al estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió que la radiación emitida por una desintegración radiactiva podía ser de tres clases: alfa, beta, y gamma; además también hay que considerar hoy la emisión de neutrones.

– La radiación alfa (?) está formada por núcleos del isótopo 4 del 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. Estos protones y neutrones formaban antes parte del núcleo que se ha desintegrado.

– 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. A diferencia del caso anterior, el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el electrón, que es eyectado. Posteriormente se descubrió la radiación beta positiva, semejante a la beta pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de la transformación de un protón en un neutrón.

– La radiación gamma (?) es de naturaleza electromagnética, semejante a la luz ordinaria o a la radiación X, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como 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.