17 de octubre de 2008

Ciencias: Capítulo 9: Radiactividad

Capítulo 9:

Radiactividad

 

El núcleo atómico es 100000 más pequeño que el átomo.

La Física Nuclear estudia los componentes del núcleo, la naturaleza, la estructura, y el comportamiento de éstos.

La Química Nuclear estudia las reacciones y la energía que involucran los cambios en núcleos inestables, esta rama dio inicio con el descubrimiento de la radiactividad natural por Henry Becquerel.

 

Descubrimiento de la radiactividad: Henry Becquerel investigaba sobre la fluorescencia con sulfuro d zinc y sulfuro de cadmio. Descubrió que el mineral pecblenda, a causa de varios compuestos de uranio y potasio que posee, hacían oscurecer una placa fotográfica envuelta en negro, lo cual no tenía relación con la fluorescencia.

Luego de esto descubrió que también los compuestos de torio también hacían oscurecer placas fotográficas. Ya en 1912 había descubierto 30 elementos que emitían potente radiación por medio de rayos llamados rayos Becquerel. Por estas investigaciones Becquerel recibió el premio Nobel de la física en 1903.

Estos descubrimientos interesaron a muchos científicos, pero los que más lo estudiaron fueron Pierre y Marie Curie los cuales investigaron sobre la emisión de rayos Becquerel de todos los elementos y la intensidad de esta radiación.

Vieron que sólo los elementos de uranio y torio tenían radiactividad por lo que los llamaron elementos radiactivos.

Al ver que la radiación era proporcional a la cantidad del compuesto por lo que dedujeron que la radiactividad era una propiedad atómica y que la radiación no dependía de la clase de compuesto en que se encontrar el elemento, ni de su temperatura, estado físico. Por estos trabajos los esposos Curie recibieron el premio Nobel de la Física en conjunto con Becquerel en 1903.

También descubrieron un elemento radiactivo al que llamaron polonio y era análogo al bismuto. Y descubrieron otro parecido al bario al que llamaron radio por su abundante radiactividad.

Luego de todo esto se descubrió que las radiaciones daban lugar a muchas reacciones químicas y tenían efectos fisiológicos en el organismo. Un tubo con bromuro de radio cerca de la piel produce dolorosas llagas, las radiaciones del radio destruyen parcialmente las células vivas de la piel pero estas pueden volver a regenerarse a su estado sane lo cual se puede aplicar de muchas formas en la medicina como el tratamiento de tumores malignos, cáncer, úlceras, etc.

 

Estabilidad de los isótopos: no todos los elementos tienen radiactividad, las radiaciones son independientes de las propiedades químicas de cada elemento.

En un isótopo de cualquier elemento los protones siempre son la misma cantidad pero los neutrones varían, por lo que la masa varía. En un isótopo la masa atómica se pone arriba del símbolo y el número atómico abajo. El que exista una cantidad tan grande de partículas en un espacio tan reducido como el núcleo provoca mucha inestabilidad. A pesar de eso existen varios átomos estables. La razón entre protones y neutrones de un átomo es lo que determina si es estable o no, cuando la razón es cercana a uno es estable. A medida que aumenta el número atómico la relación se hace mayor a uno. Estos e da pues entre más protones (carga positiva) haya más se repelen entre sí por lo que aparecen más neutrones para estabilizarlo y  que no se desintegre. Los elementos con número par de protones son más abundantes, estables y ricos en isótopos que aquellos con números impares. Si el número atómico es impar los isótopos tienden a ser inestables. Los isótopos con número mayor a 84 son todos inestables.

 

Radiación Natural: proceso por el cual un núcleo inestable emite radiaciones hasta transformarse en otro estable. Cuando se da la radiación suelta partículas y al hacerlo se transmuta en otro elemento. La radiactividad natural o desintegración radiactiva se da de forma espontánea y los isótopos que la presentan se les llama radionucléidos o radioisótopos. Ernest Rutherford en Cambridge encontró que hay tres tipos de radiaciones a las que llamaron alfa (α), beta (β), y gamma (γ):

·        Alfa (α): si un radioisótopo emite un rayo alfa emite 2 protones y su masa reduce en 4, por lo que se transforma en otro elemento. Esta radiación no es dañina pues se mueven a velocidades muy bajas y su recorrido es de pocos centímetros por lo que su poder de penetración es muy bajo por lo que pueden ser detenidas por una hoja de papel y no pasan la capa de la piel, aunque si se expone por mucho tiempo se puede quemar la piel y si se respira os e digiera provoca la destrucción de las células pues e ionizan los átomos.

·        Beta (β): las partículas beta tiene una masa idéntica a la de un electrón y la misma carga. Cuando esto se da un neutrón crea un protón y un electrón desapareciendo éste mismo, por lo que la masa no es afectada pero el número atómico aumenta en uno. A pesar de que su masa es insignificante su poder de penetración es más alto que el de una alfa y su poder de ionización es más bajo que el de una alfa. Puede atravesar el papel pero es detenida por un pedazo de madera. Su trayectoria es de unos cuantos metros y no es peligrosa excepto si está expuesta a la piel directamente en cuyo caso producirá quemaduras.

·        Gamma (γ): son partículas similares a las de la luz visible pero más energéticas. Se producen en la mayoría de los procesos nucleares junto con la radiación alfa y beta. Cuando un isótopo emite radiaciones alfa o beta queda en un estado de alta energía entonces libera esa energía en forma de rayos gamma para hacerse más estable. No tiene carga eléctrica, ni masa medible, y no cambia el número atómico ni la masa atómica. Por ser radiación de alta energía viajan a la velocidad de la luz y tienen un alto poder de penetración. Atraviesan el papel y la madera pero son detenidos por un bloque de plomo o de concreto de un metro de grosor. Atraviesan el cuerpo humano y tiene el poder energético suficiente para destruir el protoplasma de las células.

 

Tiempo de vida media: la desintegración radiactiva se da con una intensidad y rapidez propia de cada isótopo y la velocidad es una medida de su estabilidad.

El tiempo de vida media es el tiempo que tarda una determinada cantidad de materia radiactiva en reducirse a la mitad. Es una propiedad de cada radioisótopo.  Uno de sus usos es la medición de períodos geológicos de la historia de la tierra y la edad de fósiles y cosas arqueológicas con carbono-14, uranio-238 y plomo-206.

 

Series radiactivas: el núcleo de un elemento necesita muchas emisiones radiactivas para poder ser estable, al tirar rayos radiactivos el resultado de la transmutación puede o no ser estable y se le llama derivado. Cuando es inestable se vuelve a transmutar lo que forma una cadena de transmutaciones o desintegraciones hasta llegar a un elemento estable, esto es lo llamado serie radiactiva o desintegración radiactiva.

 

Instrumentos para medir la radiactividad: a pesar de que la radiactividad es invisible y no se puede tocar si se expone por mucho tiempo el organismo puede sufrir graves consecuencias, para evitar estos e usan métodos de medición:

·        Registrando la ionización de un gas.

·        Considerando la magnitud de una reacción química producida.

·        Midiendo el calor provoca la radiación.

·        Midiendo la intensidad de luz que provoca en un  material luminiscente.

También existen los contadores Geiger que son un tubo o cámara ionizante llena de gas a baja presión con una ventanilla que permite el paso de la radiación y dos electrodos a los cuales se les aplica corriente continua. La radiación que entra al tubo provoca que se separen electrones de las moléculas del gas y formar iones generando una corriente eléctrica que va a dar en el circuito principal que puede llegar a generar un sonido o mover una aguja que indica el número de radiaciones.

Derivado del contador anterior está el contador de centelleo que indica el número de radiaciones y la velocidad de dosis y tiene una sustancia que produce destellos de luz, el número y brillantez de los destellos depende de la energía de la radiación.

Todas las personas que trabajan cerca de la radiación tienen dosímetros de bolsillo y gafetes fílmicos los cuales muestran que tan expuesto está el trabajador.

 

Radiación de fondo: es imposible escapar del todo de las radiaciones ya que existen radiaciones naturales como la cósmica o al terrestre, a esto se le llama radiación de fondo. La radiación cósmica tiene un componente de origen solar y otro de las estrellas, es de la misma naturaleza que los rayos gamma pero con más energía y no pueden ser detenidos por paredes de plomo ni concreto. La radiación cósmica es absorbida parcialmente en la atmósfera debido a que colisiona con núcleos de los átomos de oxígeno y nitrógeno por lo que los sitios alto reciben más que los bajos.

La radiación terrestre es provocada por los radioisótopos naturales presentes en la naturaleza.

Todos los humanos reciben una pequeña cantidad de radiación de la cual 80% es cósmica, 15% en usos médicos, 2% lluvia radiactiva y 3% de fuentes de  trabajo y otros.

 

Transmutación artificial: es cuando se usan partículas alfa y otros iones positivos para bombardear el núcleo de un átomo estable para que se transforme en otro. El núcleo bombardeado es llamado blanco y las partículas para bombardear se llaman proyectiles. En el siglo 20 los investigadores lograron hacer las primeras transmutaciones nucleares en laboratorios. La primera fue realizada por Rutherford en 1919 que bombardeó con partículas alfa los núcleos de átomos de nitrógeno y obtuvo oxígeno-17 y un protón. Rutherford dijo que la gran energía cinética del proyectil le permitió chocar con el núcleo de nitrógeno y fundirse con él y se forma un núcleo inestable de flúor-18.

Una reacción similar a esta con berilio-9 permitió a James Chadwick identificar el neutrón como partícula elemental.

Este experimento abrió puertas a muchos experimentos. Se usaron proyectiles de protones, neutrones, partículas alfa, positrones (de la naturaleza del electrón pero con carga positiva), electrones, etc.

 

Aceleradores de partículas: para poder bombardear núcleos con partículas cargadas se usan instrumentos que someten las partículas proyectiles a campos eléctricos y magnéticos donde se acelera su velocidad y energía. Aplicaciones: receptores de radio, rayos X, cinescopios de TV, osciloscopios, microscopía electrónica, espectroscopía de masas, estudio de reacciones, cristalografía, etc.

La primera transmutación con proyectiles acelerados artificialmente fue hecha por Cockcroft y Walton en 1932, este descubrimiento fue de gran utilidad para la química, biología, medicina y desarrollo de tecnología.

El ciclotrón, desarrollado por el Dr. Ernest Lawrence, acelera partículas con grandes cantidades de circuitos eléctricos y magnéticos que acelera la velocidad y energía de la partícula. Por necesidad durante las investigaciones se ocupaban partículas con más energía por lo que se inventaron los aceleradores lineales y circulares, el beatrón, los sincrotrones de protones y electrones.

 

Radiactividad artificial: se crearon procedimientos de bombardeo con partículas alfa desde el boro hasta el potasio descubriendo que todos, excepto el oxígeno y el carbono, se podían transmutar en un elemento estable. Además se descubrió que los protones emitidos tenían más energía que los proyectiles.

En 1934 Irene Juliot-Curie (hija de los esposos Curie) y su esposo Frederick Juliot observaron la primera transmutación artificial con un resultado radiactivo, por lo que ganaron el premio Nobel de química en 1935. Descubrieron que al bombardear aluminio-27 con una partícula alfa se obtiene fósforo-30, y a pesar de que detenían la fuente partículas alfa se seguían emitiendo partículas llamadas positrones, esto les sugirió que el fósforo-30 era radiactivo y que al emitir un positrón se convertía en silicio-30.

Cuando se forma un positrón el núcleo del átomos e transmuta en uno con un portón menos. La radiactividad producida por éstos es llamada radiactividad artificial o radiactividad inducida. Los radioisótopos son como los elementos radiactivos en que se desintegran de forma definida y tiene vida media definida. Estos experimentos produjeron descubrimiento como la fusión y fisión nuclear y al descubrimiento de elementos transuránicos.

 

Elementos Transuránicos: el uranio es el elemento de mayor número atómico presente en la tierra, los mayores a éste se llaman elementos transuránicos y son producidos por reacciones de bombardeo nuclear. Estos elementos pudieron haber existido en la tierra pero desaparecieron pues su vida media es muy corta. Se han encontrado trazas de plutonio (Z=94) como resultados de reacciones con uranio. El primer elemento transuránico obtenido artificialmente fue el neptunio (Z=94) bombardeando uranio con neutrones.

Desde 1940 se han encontrado 20 elementos transuránicos, la mayoría sintetizados en la Universidad de California bajo la dirección del Dr. Glenn Seaborg primero y luego de Albert Ghiorso. Por los aportes del Dr. Seaborg el elemento 106 se el puso el nombre de Seaborgio.

 

Bombardeo con Neutrones – Fisión Nuclear: en 1932 Enrico Fermi bombardeó uranio-235 con neutrones y obtuvo el elemento 93., lo que inició la era nuclear.

Los neutrones son ideales para bombardear átomos ya que no tiene carga por lo que no son rechazados, son muy energéticos, por lo que se reduce la energía para bombardear átomos, a estos se les llama neutrones lentos y son más eficaces que las partículas alfa.

Otto Hann hizo lo mismo que Fermi pero con neutrones lentos e identificó el cerio,  bario y lantano entre otros, pero descubrió que la masa de estos era menor por lo que dedujo que el uranio se dividió y a esto le llamó fisión nuclear. Durante este proceso se supo que había transformación de masa en energía como propuso Einstein con su fórmula E=mc² donde E es energía, m la masa y c la velocidad de la luz. Durante la fisión se pierde mucha masa pues se transforma en cantidades enormes de energía.

La energía en un núcleo atómico es enorme y si se usa mal puede ser devastador como las bombas atómicas pero puede ser bien usada en medicina, electricidad, agricultura y otros.

Cuando se bombardea con un neutrón uranio-235 este se convierte en uranio-236 y luego se fisiona en dos átomos, dos o tres neutrones y mucha energía. Los neutrones sueltos pueden ser captados por más átomos de uranio que vuelven a fisionarse y así sigue hasta provocar una reacción en cadena. Para que se dé la fisión tiene que haber una cantidad de masa mínima para que la reacción se dé, a esta masa se le llama masa crítica.

 

Bomba Atómica: durante la 2° guerra mundial las personas necesitaban encontrar un arma de guerra definitiva. Con ayuda de profesores de universidades, científicos particulares y famosos científicos de Estados Unidos, Canadá, Alemania, Dinamarca, Inglaterra y otros desarrollaron una bomba que durante su prueba descubrieron el poder destructor que crearon y luego al ser estallada en las ciudades japonesas decidiendo el fin de la guerra vieron que tenían un poder que se ocupaba saber controlar antes de terminar con el planeta entero.

 

Reactores Nucleares: un reactor nuclear se usa para crear una reacción en cadena y controlar su energía. El primero inventado fue en Chicago en reactor quemador que consumía combustible nuclear mientras tenía lugar la reacción. Los reactores pueden ser usados para: electricidad, crear plutonio-239, propulsión de cohetes, desalinización, desecación y evaporación. Ahora existen reactores regenerativos que produce combustible a gran encala con al fisión uranio-238 y torio-232 y ya que estos isótopos son muy abundantes producirían energía cientos de veces mayor a las reservas mundiales.

 

Fisión Nuclear: es lo contrario a la fusión. En este proceso se unen átomos livianos para formas átomos más pesados. En esta se libera más energía que  en las de fusión porque la suma de las masas de los núcleos que se unen es mayor a la masa del núcleo formado, por lo que hay conversión de masa en energía. Este procesos e da en las estrellas. También se les llama reacciones termonucleares. Se ha tratado de producir reacciones termonucleares controladas pero para lo único que se ha usado la fisión por el momento es para bombas termonucleares o de hidrógeno. Esta bomba para funcionar tiene que estar a temperaturas altísimas sólo logradas en el planeta tierra con una bomba de uranio, por lo que es el detonador.

 

Efectos Biológicos de la Radiación: desde que se descubrió el radio se supo que causaba daños al cuerpo humano por lo que  desde entonces se han preocupado para que la radiación no tenga estos efectos. A pesar de esto nadie está inexpuesto a la radiación natural.  Cuando una radiación choca con un tejido viviente puede provocar:

·        Que al chocar con las moléculas formen iones altamente cargados e inestables.

·        Que formen partículas sin carga muy reactivas llamadas radicales.

Estas nuevas moléculas pueden combinarse sin causar daños o formar una nueva sustancia ajena a la célula que puede provocar daños.

Cuando la radiación produce iones puede destruir el ADN  o modificarlo o se pueden alterar las funciones regulares.

La radiación también puede producir permeabilidad de la membrana celular, hinchazón, que las células se dejen de dividir, dilatación del núcleo, aumento de viscosidad… Para calcular los efectos que puede tener la radiación se toman en cuenta 3 aspectos: la actividad, el tiempo de exposición y la intensidad de la radiación.

El SI mide la radiactividad con el Becquerel (Bq).

Los efectos biológicos son llamados no estocásticos o somáticos.

La actividad es el número de átomos de una sustancia radiactiva que se desintegran durante un segundo. El rad es la dosis de radiación absorbida. El rem es el daño biológico producido. En el SI están el Gray (1Gy = 100 rad) y el Sievert (1Sv = 100 rem).

 

Usos de la radiación: la mayor parte de los usos que se le dan son para construcción de armas y producción de electricidad, etc.:

Medicina: trazadores radiactivos para el hígado, bazo, riñones y tiroides.  Se analiza el interior del cuerpo humano y se localizan tumores y coágulos con los rayos X. la radiación ionizante destruye células en las zonas cancerosas, las células humanas destruidas se pueden regenerar las cancerosas no.

·        Yodo-131: tratamiento de la glándula tiroides.

·        Fósforo-32: tratamiento de policitemia vera.

·        Talio-121: evaluar el daño del músculo cardíaco.

·        Cobalto-60: investigación agrícola y radiación por tratamiento de cáncer.

·        Iridio-192: tratamiento de cáncer de mama.

 

Agricultura:

·        Cobalto-60: se usa para desarrollar granos resistentes a enfermedades, alzar la producción y en control de plagas.

·        Cesio-137: control de plagas.

·        Nitrógeno-15: mide el balance de nitrógeno.

 

Otros Usos:

·        Carbono-14: mide la antigüedad de restos arqueológicos.

·        Estroncio-90: en industrias como fuente de radiación. Geología.

 

Algunos isótopos pueden emplearse en investigación de procesos biológicos.