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.
