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QUÍMICA MENCIÓN
QM-02

RADIACTIVIDAD Y
EMISIONES ATÓMICAS

2013
INTRODUCCIÓN
En química nuclear se estudian las reacciones que implican modificaciones en el núcleo de los
átomos. La ciencia como tal comenzó con el descubrimiento de la Radiactividad (Henry
Becquerel) y los posteriores estudios realizados por los esposos Curie. Hoy en día es una ciencia
controversial, sus fines bélicos y los accidentes en centros nucleares (reactores) han puesto en
tela de juicio los beneficios de la radiactividad para el hombre. La fabricación de bombas
nucleares, bombas de hidrógeno, de neutrones y la complejidad en el tratamiento de desechos
radiactivos han movilizado por años a entidades ligadas al medio ambiente y gobiernos a
replantearse el uso masivo de la energía nuclear.
A pesar de lo anterior, su uso pacífico ha contribuido enormemente en campos como la medicina,
la agricultura y la paleontología. Junto con ello, los reactores de energía han permitido convertir
eficientemente la energía nuclear en energía eléctrica a un costo menor y sin el uso indiscriminado
de combustible fósil.
Las emisiones atómicas y los efectos de la radiación serán tratados en este capítulo. Ya se
analizaron los principales modelos atómicos de modo que la comprensión del fenómeno de la
radiactividad se hará más sencilla. En esta guía se anexa además el descubrimiento de los rayos X
y algunos conceptos preliminares que simplifican el análisis.

DEFINICIONES IMPORTANTES
NÚMERO ATÓMICO (Z)
Se define como la cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo. Se
designa con la letra Z y conceptualmente identifica e individualiza a un elemento
químico.
Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número de electrones.
El número atómico se anota en la parte inferior izquierda del símbolo elemental.

Notación representada:

zX:

13Al

;

8O

;

92U

NÚMERO DE MASA O NÚMERO MÁSICO (A)
Se define como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo
(nucleones).
El número másico es adimensional, no indica la masa de un átomo, sólo el
número de partículas (neutrones y protones), de modo que para calcular la masa
de los átomos debe considerarse su abundancia en la naturaleza.

A = Z + n

2
ISÓTOPOS
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de
neutrones.
Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo número atómico (Z).
Todos los isótopos de un elemento tienen distinto número másico (A).
Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo comportamiento químico
(coinciden en el número de electrones)
Ejemplos:
16
8O
12
C
6

;

;

17
8O
13
C
6

;

;

18
8O
14
C
6

Isótopos del Oxígeno
Isótopos del Carbono

Note que en ambos tríos de isótopos se conserva el número atómico y cambia el número másico
(hay diferencia en el número de neutrones).
De lo anterior se deduce que en la naturaleza coexisten distintos tipos de Carbono y Oxígeno, con
distinto número de masa y por lo tanto, distinta cantidad de partículas en el núcleo. Si la masa de
un átomo se concentra en el núcleo, se infiere que el Carbono-14 es más pesado que el carbono12 y por tanto, el más pesado será menos abundante (es más inestable). El promedio de
abundancia (masa atómica promedio) es el que aparece en la Tabla Periódica.

ISOBAROS
Son átomos de elementos distintos con el mismo número de partículas en el
núcleo (igual A).
Los isobaros coinciden sólo en el número A, no presentan el mismo
comportamiento químico y tampoco tienen la misma cantidad de electrones.
14
6C

Ejemplos:

14
7N

y

ISOTONOS
Son átomos con distinto Z (elementos distintos) que presentan el mismo número
de neutrones.
3
1H

Ejemplos:

y

4
2

He

IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS
Iones (especies con carga eléctrica) de elementos diferentes con el mismo
número de electrones (igual configuración electrónica).
Ejemplos:

24
12

Mg+2 y

3

16
8

O-2
DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X
En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubrió los
Estudiando las emisiones de luz de un tubo de
eléctrica observó que una pantalla cubierta con
fluorescente destellaba cada vez que conectaba el
descarga.

rayos X.
descarga
una sal
tubo de

Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones
que no podían atravesar el tubo de vidrio, sin embargo y por
alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes
e impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de
penetración era sorprendente. Puso ciertos obstáculos entre la
pantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin
embargo, persistía la luminosidad. Supuso que era radiación
de alta energía pero de naturaleza desconocida. Por esta razón
le denominó radiaciones X. Sólo en 1912 el físico alemán Max
Von Laue determinó la naturaleza electromagnética de los
rayos X.

La explicación al fenómeno es la siguiente:

Los rayos X que descubrió Röentgen se generan en el interior de un tubo
de descarga, cuando colisiona un haz de rayos catódicos con un blanco
metálico (trozo de metal) dispuesto entre ambos electrodos. Los
electrones provenientes del rayo catódico inciden sobre el metal,
excitando sus propios electrones, generando una radiación de frenado de
alta frecuencia denominada rayo X.

Un tubo de descarga eléctrica, otro con un blanco metálico y la mano de Roentgen plasmada en una mica

4
PROPIEDADES DE LOS RAYOS X

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Note la longitud de onda extremadamente corta de los rayos X y su alta frecuencia

5
RADIACTIVIDAD
La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine
Henry Becquerel. Es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayor
utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó
fosforescencia (propiedad de ciertos materiales que les permite absorber energía y emitirla
luego en forma de radiación) sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz.
Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de marcar una placa fotográfica.
Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fue
imposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayos
X, puesto que se emitían de manera espontánea del material de uranio.
Marie Curie y su esposo Pierre, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron que otros
minerales tenían la misma propiedad que la pechblenda. Determinaron que el fenómeno era
exclusivo del núcleo de los átomos.
Marie Curie (discípula de Becquerel), propuso el término radiactividad para estas radiaciones
espontáneas de partículas y energía. A fines de 1897 los esposos Curie descubrieron otros dos
elementos radiactivos, el polonio (Po) y el radio (Ra).
En 1902 Ernest Rutherford demostró que la radiactividad generaba transformaciones espontáneas
y de este modo un elemento puede transformarse en otro. En 1903 Marie, Pierre y Becquerel
recibieron el Nobel de Física por el descubrimiento de la radiactividad natural. Finalmente en 1911
Marie Curie aisló el Radio y obtuvo su masa atómica, el descubrimiento le significó un segundo
premio Nobel.

PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN
Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, emite radiaciones de forma espontánea, sin
embargo, en los reactores nucleares es posible generar emisiones en un átomo que no es
radiactivo. En ambos, el fenómeno ocurre con liberación de energía y los núcleos hijos generados
son siempre más estables que el predecesor. En el primer caso se les llama radiactividad
natural y en el segundo, radiactividad artificial.
La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:
196
84

27
13

Po

192
82

Al + 4He
2

Pb + 4He
2

EMISIÓN ESPONTÁNEA  radiactividad natural.

30
15

EMISIÓN ARTIFICIAL  radiactividad artificial.

1
P + 0n

Existen cinco tipos de desintegraciones radiactivas naturales:
Emisión de partículas alfa ( )
Emisión de partículas beta ( )
Emisión de rayos gamma (
Emisión de positrones (

)
)

Captura electrónica (CE)

6
DETALLE DE LAS EMISIONES

EMISIÓN ALFA ( 4He+2 ):
2
Corresponde a partículas con carga eléctrica positiva +2 y 4 unidades de masa atómica. Son
núcleos de Helio con poco poder de penetración y gran capacidad ionizante.
238
92

U

234
90

Th +

4
2

He

0
EMISIÓN BETA ( -1 e )

Son partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían
frente a un campo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las
emisiones beta provienen del núcleo debido a la desintegración de un neutrón*. El átomo que
queda de la desintegración aumenta en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa
(debemos recordar que protón y neutrón presentan masas similares).
234
90

Th

234
91

Pa +

0
-1

e

* Junto con las partículas beta también se emiten antineutrinos ( ), que carecen de carga
eléctrica y poseen una masa inferior a 4·10-5 veces la masa del electrón (energía).

7
EMISIÓN GAMMA ( )
Corresponde a radiación (electromagnética) de alta energía sin masa ni carga eléctrica. Se
conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma puede
ocurrir cuando un radioelemento existe en dos formas distintas (isómeros nucleares), ambas
con el mismo número atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de rayos
gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un
ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energía
diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.
234
91

234
91

Pa*

Pa+

En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleo
por lo tanto, no hay transmutación (cambio en el número Z de un elemento).

TRANSMUTACIÓN
Es el fenómeno donde un átomo se transforma en otro por cambio en el número de protones. Esta
transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones
, , positrones o captura
electrónica, o también puede producirse por medios artificiales (bombardeo de un núcleo estable
con neutrones). En ambos casos el nuevo elemento puede ser también radiactivo y seguirá
emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces, como sea necesario. Lo anterior se conoce
como serie radiactiva.
Serie del Uranio-238

8
0
EMISION DE POSITRONES ( +1 e o

)

La emisión de positrones se produce cuando un protón del núcleo se transforma en un neutrón
emitiendo una partícula denominada positrón (
8
5

).

8
4

B

0
1

Be

e

Cuando un positrón choca con un electrón, ambos desaparecen y se emiten dos fotones de
radiación gamma en un proceso llamado aniquilación.
0
1

e

0
1

e

2

0
0

CAPTURA ELECTRÓNICA (CE)
Se produce captura electrónica cuando un electrón proveniente de las capas más internas del
átomo cae dentro del núcleo con lo cual un protón se transforma en neutrón. Esto provoca una
disminución en el número atómico, pero se mantiene constante el número de masa.
7
4

Be

0
1

e

7
3

Li

ESTABILIDAD NUCLEAR
Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existan
varios átomos del mismo elemento con distinta masa (A).
En radiactividad se utiliza con frecuencia el término núclido para aquellas especies con un
número definido de protones (Z) y neutrones (n), de modo que cada átomo se considera un
núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z se consideran isótopos.
El objetivo de introducir esta nueva clasificación radica en que todos aquellos núclidos que emiten
radiaciones se denominan formalmente radionúclidos.
Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación a
medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la
naturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para las
pruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así,
ejemplo, son núclidos, mientras que

14
6C

12
6C

y

13
6 C,

por

es un radionúclido, (eso, además de que los tres son

isótopos del Carbono).

9
ESTABILIDAD ATÓMICA
Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicos
siempre surge la misma pregunta, ¿por qué unos
átomos son estables mientras que otros no?, la
respuesta se encuentra cuando se analiza el núcleo
atómico.
El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen
total del átomo, pero concentra casi toda la masa, así
entonces, la densidad del núcleo es unas 1012 veces más
grande que la del átomo.
La gran densidad complejiza el estudio de su estabilidad.
Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones se
mantienen unidos y cómo se mantiene la estabilidad (a
pesar de que el núcleo presenta partículas de gran masa
y carga eléctrica idénticas haciendo evidente la repulsión
entre ellas).
La explicación al fenómeno guarda relación con las
denominadas
interacciones
de
corto
alcance
(descritas en la guía anterior) que se establecen entre
neutrón-neutrón, neutrón-protón y por extraño que
parezca protón-protón. Estas interacciones de corto alcance (fuerzas atractivas) permiten
mantener unidos a los nucleones.
Como se aprecia en la gráfica, hasta Z=20 los átomos son estables, con igual cantidad de
neutrones y protones, a medida que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar al
núcleo puesto que las repulsiones aumentan.
Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más estables
que otros átomos. Por ejemplo, existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2 para
el antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidad
nuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gases
nobles.

DECAIMIENTO RADIACTIVO
Cuando un núcleo atómico es inestable, emite radiaciones o
partículas, con ello, cambia su número atómico y se vuelve
más estable, a esto se le llama decaimiento radiactivo.
En la gráfica se observa que aquellos núcleos sobre el
cinturón de estabilidad (parte superior) pueden estabilizarse
emitiendo partículas beta, pues así, disminuyen la cantidad
de neutrones.
Los núcleos bajo el cinturón de estabilidad (parte baja)
necesitan aumentar la cantidad de protones. Para esto,
emiten un positrón o bien realizan captura electrónica.
Los núcleos con Z sobre 84 emiten partículas alfa y con
esto se acercan a la estabilidad.
10
Proceso que disminuye la relación neutrón/protón
Neutrón

Protón + ē

Emisión beta

Procesos que aumentan la relación neutrón/protón
A
X Z 4 Y+ 4 He
2
2
Protón Neutrón+e+
Protón+Electrón Neutrón
A
Z

Emisión alfa
Emisión de positrones
Captura electrónica

ANÁLISIS DE LAS SERIES RADIACTIVAS
Cuando un núcleo radiactivo emite partículas y se
transforma en otro, se estabiliza, pero no siempre, de
modo que el nuevo núcleo sigue emitiendo partículas o
energía.
Al proceso completo que se inicia con el núcleo radiactivo y
que
termina
luego
de
sucesivas
emisiones
y
transmutaciones en otro más estable, se le denomina
serie radiactiva.
Una de las series radiactivas más estudiadas es la del 238U
(Uranio radiactivo) que decae sucesivamente hasta
terminar en plomo (Pb), un átomo totalmente estable.

PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN O TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½)
Si bien todos los elementos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, la
velocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo aunque se emita el
mismo tipo de partículas. Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constante
denominada t½, o tiempo de vida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elemento
radiactivo en emitir (desintegrar o transmutar) la mitad de su masa.

PORCENTAJE DE MASA RESIDUAL DE RADIONUCLIDO POR CADA VIDA PROMEDIO

t½
100%

50%

t½

t½

t½
25%

12.5%
11

t½
6.25%

3.125%
El tiempo t½, es absolutamente independiente de la cantidad de masa inicial del elemento, sólo
depende del tipo núcleo que se estudia. Además, para cada núcleo radiactivo estudiado el valor de
t½ es distinto.
238
92

214
84

Po

U

234
90

210
82

Th +

Pb +

4
2

4
2

t½ = 4.51·109 años

He

t½ = 1.6·10-4 segundos

He

ALGUNOS NÚCLEOS, SU EMISIÓN Y VIDA PROMEDIO DE DESINTEGRACIÓN

Núcleo

Emisión

t½

Tritio

-

β

12,33 años

Carbono-14

β-

5730 años

-

14,26 días

Fósforo-32

β

Potasio-40

β-

1.280 millones de años
-

Cobalto-60

γ, β

5,27 años

Yodo-123

γ

13,27 horas

Uranio-235

γ

7.040 millones de años

Las vidas medias de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de
millones de años. Por ejemplo, el 238 U tiene una vida media de 4,5·109 años, el 226 Ra tiene una
92
88
vida media de 1620 años y el

15
6

C tiene una vida media de 2,4 segundos.

Otros ejemplos:
Isótopo radiactivo

t½

C – 14

5.570 años

Po-214

10-6 segundos

U -238
Ra-222
Ac-228
Rn-220
Th-234

4,56·109 años
3,85 días
6,2 horas
55,3 segundos
24,5 días

Ra-226

1.610 años

12
FENÓMENOS RADIACTIVOS ARTIFICIALES
Cuando se compara la estabilidad de los núcleos atómicos con las masas que presentan se
evidencia una tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energía
que mantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar un
máximo (estabilidad) y luego desciende a medida que la masa nuclear aumenta.
Por lo tanto, si los núcleos tratan de estabilizarse entre sí, además de emitir partículas (radiación)
pueden combinarse formando núcleos más pesados. Este fenómeno se denomina, fusión (si es
que los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, si
es que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía es
considerable.

FISIÓN
La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico se
divide en varios núcleos más pequeños y en el proceso libera grandes cantidades de energía.
Muchos núcleos pesados pueden ser inducidos a desarrollar el fenómeno de la fisión pero sólo el
Uranio-235, Uranio-233 y Plutonio-239 tienen una real importancia práctica.
El proceso de fisión del Uranio-235 es el más estudiado pues es el combustible de los reactores
que producen electricidad.

13
El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse mediante el bombardeo con neutrones
1
0

n +

235
92

U

142
56

Ba +

91
36

1
Kr + 3 0 n

1
0

n +

235
92

U

137
52

Te +

97
40

1
Zr + 2 0 n

En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10-11 J por núcleo, esto es
algo así como 2·1013 Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a la
generada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón.
Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, la
característica que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan más
neutrones de los que son capturados al inicio de ésta. La cantidad de neutrones producidos hace
posible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Los
neutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, pues
mientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados.
Para que una reacción en cadena ocurra es necesario que exista una cantidad de masa de Uranio235 suficiente para que los neutrones sean capturados de lo contrario estos neutrones escapan de
la muestra, a esta cantidad mínima de de masa se le denomina masa crítica.

Bomba Atómica
La primera aplicación de la fisión fue la bomba atómica,
aquí la masa crítica de uranio se ubica separada y la
reacción de fisión se induce por medio de un explosivo
convencional. Al iniciarse la explosión química la masa
crítica de Uranio-235 se junta y la reacción en cadena
se produce.

14
REACTORES NUCLEARES

Los reactores nucleares son un ejemplo de la aplicación pacífica de la energía nuclear, funcionan
ocasionando la fisión y utilizando el calor liberado para hacer hervir agua. Una turbina convierte
este vapor en corriente eléctrica. Si bien el proceso es simple, la dificultad consiste en mantener
controlada la reacción, para ello se utilizan varillas de carbono o boro (sistema de control), estas
funcionan atrapando neutrones, con lo cual consiguen amortiguar la fisión cuando es necesario.
A pesar de su utilidad, el uso de reactores de energía genera contaminación, ya que se eliminan a
la atmósfera grandes cantidades de material radiactivo proveniente de los desechos nucleares,
(elementos hijos del Uranio-235), además, se necesitan grandes cantidades de agua para el
funcionamiento del reactor, que se saca de lagos, ríos, incluso del mar. Finalmente el aumento de
la temperatura del agua en un reactor causa modificaciones en el ecosistema.

FUSIÓN
La fusión es el proceso mediante el cual dos núcleos livianos se unen formando un solo núcleo
hijo. La fusión nuclear al igual que la fisión genera grandes cantidades de energía, pero tiene a su
favor el hecho de que sus productos no son radiactivos.
Las reacciones de fusión ocurren en el sol. Acá la colisión de dos isótopos del hidrógeno genera
helio con liberación de positrones
1
1

H +
1
1

3
2

H

H +

He +
3
2

1
1

3
2

He +

2
1
2
1

H

H +
3
2

0
1

e

He

He

4
2

He + 2 1 H
1

H

4
2

He +

1
1

15

0
1

e
Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen un
inconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer sus
fuerzas de repulsión y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius (la energía de
una estrella).
La mayor dificultad de construir un reactor de fusión recae precisamente en la construcción del
mismo, ningún material resiste temperaturas tan altas. Para solucionar este problema se ha
propuesto generar la temperatura necesaria y transformar los reactivos en plasma
manteniéndolos girando dentro de un reactor al vacío confinados con campos magnéticos y
eléctricos giratorios.

En el caso de poder construir este tipo de reactor el material a fusionar sería el deuterio dado que
en el planeta hay mucha agua, la cantidad disponible de deuterio es cercana a las 5·1015
toneladas. Cada reacción de fusión libera 6,3·10-13 J o 3,8·1011 J por cada 4 gramos de Deuterio
utilizado.
2
1

H +

2
1

3
1H

H

16

+

1
1H
RADIOPROTECCIÓN
Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio de
blindaje. Así, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndose
completamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa es
completamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta
tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidas por materiales poco densos
como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de alto
número atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma es
radiación de alta energía que se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Los
neutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón. En
el siguiente diagrama se observa el blindaje de estas radiaciones:

17
Aplicaciones de las reacciones nucleares
Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendo
la química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótopos
radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas,
para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del
cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.
En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producción
midiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes,
detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación de
alimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.
En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónica
para determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial,
geología, ecología, etc.).
En la agricultura: en trazadores para estudiar como absorben los vegetales a los
fertilizantes, insecticidas y otros productos, aumentar la conservación de los alimentos,
obtener, por mutaciones, cereales más resistentes y productivos, estudiar mejor la
alimentación de los animales, aumentando la producción de leche, huevos, etc.
En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte se
conserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado de
conservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.

Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como
marcadores en el cuerpo humano.
Isótopo

Vida media

Área del cuerpo que se estudia

I

8,1 días

Tiroides

59

Fe

45,1 días

Glóbulos rojos

99

Mo

67 horas

Metabolismo

P

14,3 días

Ojos, hígado, tumores

Cr

27,8 días

Glóbulos rojos

87

Sr

2,8 horas

Huesos

99

To

6,0 horas

Corazón, huesos, hígado, pulmones

Xe

5,3 días

Pulmones

Na

14,8 horas

Sistema circulatorio

131

32
51

133
24

18
LA DATACIÓN
La datación usando isótopos radiactivos es muy conocida, en especial los experimentos realizados
con 14C en arqueología. Este no es el único isótopo usado, también están el Uranio-238 y el
Potasio-40.
El carbono-14 se forma en la atmósfera superior por reacción entre átomos de nitrógeno y
neutrones.
14
7

N +

1
0

n

14
6

C +

1
1

H

Este carbono-14 se combina con oxígeno para producir 14CO2, el
que es incorporado por las plantas durante la fotosíntesis y por
todos los animales al ingerir alimentos. Mientras el animal o planta
vive se establece un equilibrio entre la cantidad de 14C y de 12C,
que es constante. Al morir el organismo, la cantidad de 14C
disminuye, pues este radioisótopo emite radiaciones del tipo β-.
La vida media del 14C es de 5730 años, por lo tanto, cada 5730
años la relación 14C/12C disminuye en un factor de dos. Esta
variación en la relación permite que con restos de cabello humano
o animal, restos de madera, carbón vegetal, lino, algodón o
papiro, o todo lo que contenga Carbono sea posible datar la
cantidad de 14C remanente. El límite de datación es de 60 mil
años.
El Uranio-238 y el Potasio-40 se utilizan en geología, puesto que
tienen vidas medias superiores a 5 mil años.
En particular, el Uranio-238, tiene un tiempo de vida promedio de
4,47·109 años y decae hasta 206Pb, entonces la edad de una roca que contiene algo de Uranio-238
puede determinarse a partir de la relación 238U/206Pb.

DMTR-QM02
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Radiactividad y Emisiones Atómicas (QM02-PDV 2013)

  • 2. INTRODUCCIÓN En química nuclear se estudian las reacciones que implican modificaciones en el núcleo de los átomos. La ciencia como tal comenzó con el descubrimiento de la Radiactividad (Henry Becquerel) y los posteriores estudios realizados por los esposos Curie. Hoy en día es una ciencia controversial, sus fines bélicos y los accidentes en centros nucleares (reactores) han puesto en tela de juicio los beneficios de la radiactividad para el hombre. La fabricación de bombas nucleares, bombas de hidrógeno, de neutrones y la complejidad en el tratamiento de desechos radiactivos han movilizado por años a entidades ligadas al medio ambiente y gobiernos a replantearse el uso masivo de la energía nuclear. A pesar de lo anterior, su uso pacífico ha contribuido enormemente en campos como la medicina, la agricultura y la paleontología. Junto con ello, los reactores de energía han permitido convertir eficientemente la energía nuclear en energía eléctrica a un costo menor y sin el uso indiscriminado de combustible fósil. Las emisiones atómicas y los efectos de la radiación serán tratados en este capítulo. Ya se analizaron los principales modelos atómicos de modo que la comprensión del fenómeno de la radiactividad se hará más sencilla. En esta guía se anexa además el descubrimiento de los rayos X y algunos conceptos preliminares que simplifican el análisis. DEFINICIONES IMPORTANTES NÚMERO ATÓMICO (Z) Se define como la cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo. Se designa con la letra Z y conceptualmente identifica e individualiza a un elemento químico. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número de electrones. El número atómico se anota en la parte inferior izquierda del símbolo elemental. Notación representada: zX: 13Al ; 8O ; 92U NÚMERO DE MASA O NÚMERO MÁSICO (A) Se define como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo (nucleones). El número másico es adimensional, no indica la masa de un átomo, sólo el número de partículas (neutrones y protones), de modo que para calcular la masa de los átomos debe considerarse su abundancia en la naturaleza. A = Z + n 2
  • 3. ISÓTOPOS Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones. Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo número atómico (Z). Todos los isótopos de un elemento tienen distinto número másico (A). Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo comportamiento químico (coinciden en el número de electrones) Ejemplos: 16 8O 12 C 6 ; ; 17 8O 13 C 6 ; ; 18 8O 14 C 6 Isótopos del Oxígeno Isótopos del Carbono Note que en ambos tríos de isótopos se conserva el número atómico y cambia el número másico (hay diferencia en el número de neutrones). De lo anterior se deduce que en la naturaleza coexisten distintos tipos de Carbono y Oxígeno, con distinto número de masa y por lo tanto, distinta cantidad de partículas en el núcleo. Si la masa de un átomo se concentra en el núcleo, se infiere que el Carbono-14 es más pesado que el carbono12 y por tanto, el más pesado será menos abundante (es más inestable). El promedio de abundancia (masa atómica promedio) es el que aparece en la Tabla Periódica. ISOBAROS Son átomos de elementos distintos con el mismo número de partículas en el núcleo (igual A). Los isobaros coinciden sólo en el número A, no presentan el mismo comportamiento químico y tampoco tienen la misma cantidad de electrones. 14 6C Ejemplos: 14 7N y ISOTONOS Son átomos con distinto Z (elementos distintos) que presentan el mismo número de neutrones. 3 1H Ejemplos: y 4 2 He IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS Iones (especies con carga eléctrica) de elementos diferentes con el mismo número de electrones (igual configuración electrónica). Ejemplos: 24 12 Mg+2 y 3 16 8 O-2
  • 4. DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubrió los Estudiando las emisiones de luz de un tubo de eléctrica observó que una pantalla cubierta con fluorescente destellaba cada vez que conectaba el descarga. rayos X. descarga una sal tubo de Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo de vidrio, sin embargo y por alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes e impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de penetración era sorprendente. Puso ciertos obstáculos entre la pantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin embargo, persistía la luminosidad. Supuso que era radiación de alta energía pero de naturaleza desconocida. Por esta razón le denominó radiaciones X. Sólo en 1912 el físico alemán Max Von Laue determinó la naturaleza electromagnética de los rayos X. La explicación al fenómeno es la siguiente: Los rayos X que descubrió Röentgen se generan en el interior de un tubo de descarga, cuando colisiona un haz de rayos catódicos con un blanco metálico (trozo de metal) dispuesto entre ambos electrodos. Los electrones provenientes del rayo catódico inciden sobre el metal, excitando sus propios electrones, generando una radiación de frenado de alta frecuencia denominada rayo X. Un tubo de descarga eléctrica, otro con un blanco metálico y la mano de Roentgen plasmada en una mica 4
  • 5. PROPIEDADES DE LOS RAYOS X ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Note la longitud de onda extremadamente corta de los rayos X y su alta frecuencia 5
  • 6. RADIACTIVIDAD La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine Henry Becquerel. Es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayor utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó fosforescencia (propiedad de ciertos materiales que les permite absorber energía y emitirla luego en forma de radiación) sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de marcar una placa fotográfica. Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fue imposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayos X, puesto que se emitían de manera espontánea del material de uranio. Marie Curie y su esposo Pierre, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron que otros minerales tenían la misma propiedad que la pechblenda. Determinaron que el fenómeno era exclusivo del núcleo de los átomos. Marie Curie (discípula de Becquerel), propuso el término radiactividad para estas radiaciones espontáneas de partículas y energía. A fines de 1897 los esposos Curie descubrieron otros dos elementos radiactivos, el polonio (Po) y el radio (Ra). En 1902 Ernest Rutherford demostró que la radiactividad generaba transformaciones espontáneas y de este modo un elemento puede transformarse en otro. En 1903 Marie, Pierre y Becquerel recibieron el Nobel de Física por el descubrimiento de la radiactividad natural. Finalmente en 1911 Marie Curie aisló el Radio y obtuvo su masa atómica, el descubrimiento le significó un segundo premio Nobel. PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, emite radiaciones de forma espontánea, sin embargo, en los reactores nucleares es posible generar emisiones en un átomo que no es radiactivo. En ambos, el fenómeno ocurre con liberación de energía y los núcleos hijos generados son siempre más estables que el predecesor. En el primer caso se les llama radiactividad natural y en el segundo, radiactividad artificial. La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente: 196 84 27 13 Po 192 82 Al + 4He 2 Pb + 4He 2 EMISIÓN ESPONTÁNEA  radiactividad natural. 30 15 EMISIÓN ARTIFICIAL  radiactividad artificial. 1 P + 0n Existen cinco tipos de desintegraciones radiactivas naturales: Emisión de partículas alfa ( ) Emisión de partículas beta ( ) Emisión de rayos gamma ( Emisión de positrones ( ) ) Captura electrónica (CE) 6
  • 7. DETALLE DE LAS EMISIONES EMISIÓN ALFA ( 4He+2 ): 2 Corresponde a partículas con carga eléctrica positiva +2 y 4 unidades de masa atómica. Son núcleos de Helio con poco poder de penetración y gran capacidad ionizante. 238 92 U 234 90 Th + 4 2 He 0 EMISIÓN BETA ( -1 e ) Son partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían frente a un campo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las emisiones beta provienen del núcleo debido a la desintegración de un neutrón*. El átomo que queda de la desintegración aumenta en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa (debemos recordar que protón y neutrón presentan masas similares). 234 90 Th 234 91 Pa + 0 -1 e * Junto con las partículas beta también se emiten antineutrinos ( ), que carecen de carga eléctrica y poseen una masa inferior a 4·10-5 veces la masa del electrón (energía). 7
  • 8. EMISIÓN GAMMA ( ) Corresponde a radiación (electromagnética) de alta energía sin masa ni carga eléctrica. Se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma puede ocurrir cuando un radioelemento existe en dos formas distintas (isómeros nucleares), ambas con el mismo número atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro. 234 91 234 91 Pa* Pa+ En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleo por lo tanto, no hay transmutación (cambio en el número Z de un elemento). TRANSMUTACIÓN Es el fenómeno donde un átomo se transforma en otro por cambio en el número de protones. Esta transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones , , positrones o captura electrónica, o también puede producirse por medios artificiales (bombardeo de un núcleo estable con neutrones). En ambos casos el nuevo elemento puede ser también radiactivo y seguirá emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces, como sea necesario. Lo anterior se conoce como serie radiactiva. Serie del Uranio-238 8
  • 9. 0 EMISION DE POSITRONES ( +1 e o ) La emisión de positrones se produce cuando un protón del núcleo se transforma en un neutrón emitiendo una partícula denominada positrón ( 8 5 ). 8 4 B 0 1 Be e Cuando un positrón choca con un electrón, ambos desaparecen y se emiten dos fotones de radiación gamma en un proceso llamado aniquilación. 0 1 e 0 1 e 2 0 0 CAPTURA ELECTRÓNICA (CE) Se produce captura electrónica cuando un electrón proveniente de las capas más internas del átomo cae dentro del núcleo con lo cual un protón se transforma en neutrón. Esto provoca una disminución en el número atómico, pero se mantiene constante el número de masa. 7 4 Be 0 1 e 7 3 Li ESTABILIDAD NUCLEAR Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existan varios átomos del mismo elemento con distinta masa (A). En radiactividad se utiliza con frecuencia el término núclido para aquellas especies con un número definido de protones (Z) y neutrones (n), de modo que cada átomo se considera un núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z se consideran isótopos. El objetivo de introducir esta nueva clasificación radica en que todos aquellos núclidos que emiten radiaciones se denominan formalmente radionúclidos. Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación a medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la naturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para las pruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así, ejemplo, son núclidos, mientras que 14 6C 12 6C y 13 6 C, por es un radionúclido, (eso, además de que los tres son isótopos del Carbono). 9
  • 10. ESTABILIDAD ATÓMICA Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicos siempre surge la misma pregunta, ¿por qué unos átomos son estables mientras que otros no?, la respuesta se encuentra cuando se analiza el núcleo atómico. El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total del átomo, pero concentra casi toda la masa, así entonces, la densidad del núcleo es unas 1012 veces más grande que la del átomo. La gran densidad complejiza el estudio de su estabilidad. Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones se mantienen unidos y cómo se mantiene la estabilidad (a pesar de que el núcleo presenta partículas de gran masa y carga eléctrica idénticas haciendo evidente la repulsión entre ellas). La explicación al fenómeno guarda relación con las denominadas interacciones de corto alcance (descritas en la guía anterior) que se establecen entre neutrón-neutrón, neutrón-protón y por extraño que parezca protón-protón. Estas interacciones de corto alcance (fuerzas atractivas) permiten mantener unidos a los nucleones. Como se aprecia en la gráfica, hasta Z=20 los átomos son estables, con igual cantidad de neutrones y protones, a medida que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar al núcleo puesto que las repulsiones aumentan. Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más estables que otros átomos. Por ejemplo, existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2 para el antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidad nuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gases nobles. DECAIMIENTO RADIACTIVO Cuando un núcleo atómico es inestable, emite radiaciones o partículas, con ello, cambia su número atómico y se vuelve más estable, a esto se le llama decaimiento radiactivo. En la gráfica se observa que aquellos núcleos sobre el cinturón de estabilidad (parte superior) pueden estabilizarse emitiendo partículas beta, pues así, disminuyen la cantidad de neutrones. Los núcleos bajo el cinturón de estabilidad (parte baja) necesitan aumentar la cantidad de protones. Para esto, emiten un positrón o bien realizan captura electrónica. Los núcleos con Z sobre 84 emiten partículas alfa y con esto se acercan a la estabilidad. 10
  • 11. Proceso que disminuye la relación neutrón/protón Neutrón Protón + ē Emisión beta Procesos que aumentan la relación neutrón/protón A X Z 4 Y+ 4 He 2 2 Protón Neutrón+e+ Protón+Electrón Neutrón A Z Emisión alfa Emisión de positrones Captura electrónica ANÁLISIS DE LAS SERIES RADIACTIVAS Cuando un núcleo radiactivo emite partículas y se transforma en otro, se estabiliza, pero no siempre, de modo que el nuevo núcleo sigue emitiendo partículas o energía. Al proceso completo que se inicia con el núcleo radiactivo y que termina luego de sucesivas emisiones y transmutaciones en otro más estable, se le denomina serie radiactiva. Una de las series radiactivas más estudiadas es la del 238U (Uranio radiactivo) que decae sucesivamente hasta terminar en plomo (Pb), un átomo totalmente estable. PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN O TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½) Si bien todos los elementos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, la velocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo aunque se emita el mismo tipo de partículas. Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constante denominada t½, o tiempo de vida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elemento radiactivo en emitir (desintegrar o transmutar) la mitad de su masa. PORCENTAJE DE MASA RESIDUAL DE RADIONUCLIDO POR CADA VIDA PROMEDIO t½ 100% 50% t½ t½ t½ 25% 12.5% 11 t½ 6.25% 3.125%
  • 12. El tiempo t½, es absolutamente independiente de la cantidad de masa inicial del elemento, sólo depende del tipo núcleo que se estudia. Además, para cada núcleo radiactivo estudiado el valor de t½ es distinto. 238 92 214 84 Po U 234 90 210 82 Th + Pb + 4 2 4 2 t½ = 4.51·109 años He t½ = 1.6·10-4 segundos He ALGUNOS NÚCLEOS, SU EMISIÓN Y VIDA PROMEDIO DE DESINTEGRACIÓN Núcleo Emisión t½ Tritio - β 12,33 años Carbono-14 β- 5730 años - 14,26 días Fósforo-32 β Potasio-40 β- 1.280 millones de años - Cobalto-60 γ, β 5,27 años Yodo-123 γ 13,27 horas Uranio-235 γ 7.040 millones de años Las vidas medias de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de millones de años. Por ejemplo, el 238 U tiene una vida media de 4,5·109 años, el 226 Ra tiene una 92 88 vida media de 1620 años y el 15 6 C tiene una vida media de 2,4 segundos. Otros ejemplos: Isótopo radiactivo t½ C – 14 5.570 años Po-214 10-6 segundos U -238 Ra-222 Ac-228 Rn-220 Th-234 4,56·109 años 3,85 días 6,2 horas 55,3 segundos 24,5 días Ra-226 1.610 años 12
  • 13. FENÓMENOS RADIACTIVOS ARTIFICIALES Cuando se compara la estabilidad de los núcleos atómicos con las masas que presentan se evidencia una tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energía que mantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar un máximo (estabilidad) y luego desciende a medida que la masa nuclear aumenta. Por lo tanto, si los núcleos tratan de estabilizarse entre sí, además de emitir partículas (radiación) pueden combinarse formando núcleos más pesados. Este fenómeno se denomina, fusión (si es que los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, si es que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía es considerable. FISIÓN La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico se divide en varios núcleos más pequeños y en el proceso libera grandes cantidades de energía. Muchos núcleos pesados pueden ser inducidos a desarrollar el fenómeno de la fisión pero sólo el Uranio-235, Uranio-233 y Plutonio-239 tienen una real importancia práctica. El proceso de fisión del Uranio-235 es el más estudiado pues es el combustible de los reactores que producen electricidad. 13
  • 14. El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse mediante el bombardeo con neutrones 1 0 n + 235 92 U 142 56 Ba + 91 36 1 Kr + 3 0 n 1 0 n + 235 92 U 137 52 Te + 97 40 1 Zr + 2 0 n En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10-11 J por núcleo, esto es algo así como 2·1013 Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a la generada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón. Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, la característica que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan más neutrones de los que son capturados al inicio de ésta. La cantidad de neutrones producidos hace posible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Los neutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, pues mientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados. Para que una reacción en cadena ocurra es necesario que exista una cantidad de masa de Uranio235 suficiente para que los neutrones sean capturados de lo contrario estos neutrones escapan de la muestra, a esta cantidad mínima de de masa se le denomina masa crítica. Bomba Atómica La primera aplicación de la fisión fue la bomba atómica, aquí la masa crítica de uranio se ubica separada y la reacción de fisión se induce por medio de un explosivo convencional. Al iniciarse la explosión química la masa crítica de Uranio-235 se junta y la reacción en cadena se produce. 14
  • 15. REACTORES NUCLEARES Los reactores nucleares son un ejemplo de la aplicación pacífica de la energía nuclear, funcionan ocasionando la fisión y utilizando el calor liberado para hacer hervir agua. Una turbina convierte este vapor en corriente eléctrica. Si bien el proceso es simple, la dificultad consiste en mantener controlada la reacción, para ello se utilizan varillas de carbono o boro (sistema de control), estas funcionan atrapando neutrones, con lo cual consiguen amortiguar la fisión cuando es necesario. A pesar de su utilidad, el uso de reactores de energía genera contaminación, ya que se eliminan a la atmósfera grandes cantidades de material radiactivo proveniente de los desechos nucleares, (elementos hijos del Uranio-235), además, se necesitan grandes cantidades de agua para el funcionamiento del reactor, que se saca de lagos, ríos, incluso del mar. Finalmente el aumento de la temperatura del agua en un reactor causa modificaciones en el ecosistema. FUSIÓN La fusión es el proceso mediante el cual dos núcleos livianos se unen formando un solo núcleo hijo. La fusión nuclear al igual que la fisión genera grandes cantidades de energía, pero tiene a su favor el hecho de que sus productos no son radiactivos. Las reacciones de fusión ocurren en el sol. Acá la colisión de dos isótopos del hidrógeno genera helio con liberación de positrones 1 1 H + 1 1 3 2 H H + He + 3 2 1 1 3 2 He + 2 1 2 1 H H + 3 2 0 1 e He He 4 2 He + 2 1 H 1 H 4 2 He + 1 1 15 0 1 e
  • 16. Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen un inconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer sus fuerzas de repulsión y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius (la energía de una estrella). La mayor dificultad de construir un reactor de fusión recae precisamente en la construcción del mismo, ningún material resiste temperaturas tan altas. Para solucionar este problema se ha propuesto generar la temperatura necesaria y transformar los reactivos en plasma manteniéndolos girando dentro de un reactor al vacío confinados con campos magnéticos y eléctricos giratorios. En el caso de poder construir este tipo de reactor el material a fusionar sería el deuterio dado que en el planeta hay mucha agua, la cantidad disponible de deuterio es cercana a las 5·1015 toneladas. Cada reacción de fusión libera 6,3·10-13 J o 3,8·1011 J por cada 4 gramos de Deuterio utilizado. 2 1 H + 2 1 3 1H H 16 + 1 1H
  • 17. RADIOPROTECCIÓN Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio de blindaje. Así, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndose completamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa es completamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidas por materiales poco densos como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de alto número atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma es radiación de alta energía que se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Los neutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón. En el siguiente diagrama se observa el blindaje de estas radiaciones: 17
  • 18. Aplicaciones de las reacciones nucleares Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendo la química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras. En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producción midiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes, detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación de alimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos. En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónica para determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial, geología, ecología, etc.). En la agricultura: en trazadores para estudiar como absorben los vegetales a los fertilizantes, insecticidas y otros productos, aumentar la conservación de los alimentos, obtener, por mutaciones, cereales más resistentes y productivos, estudiar mejor la alimentación de los animales, aumentando la producción de leche, huevos, etc. En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte se conserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado de conservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico. Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como marcadores en el cuerpo humano. Isótopo Vida media Área del cuerpo que se estudia I 8,1 días Tiroides 59 Fe 45,1 días Glóbulos rojos 99 Mo 67 horas Metabolismo P 14,3 días Ojos, hígado, tumores Cr 27,8 días Glóbulos rojos 87 Sr 2,8 horas Huesos 99 To 6,0 horas Corazón, huesos, hígado, pulmones Xe 5,3 días Pulmones Na 14,8 horas Sistema circulatorio 131 32 51 133 24 18
  • 19. LA DATACIÓN La datación usando isótopos radiactivos es muy conocida, en especial los experimentos realizados con 14C en arqueología. Este no es el único isótopo usado, también están el Uranio-238 y el Potasio-40. El carbono-14 se forma en la atmósfera superior por reacción entre átomos de nitrógeno y neutrones. 14 7 N + 1 0 n 14 6 C + 1 1 H Este carbono-14 se combina con oxígeno para producir 14CO2, el que es incorporado por las plantas durante la fotosíntesis y por todos los animales al ingerir alimentos. Mientras el animal o planta vive se establece un equilibrio entre la cantidad de 14C y de 12C, que es constante. Al morir el organismo, la cantidad de 14C disminuye, pues este radioisótopo emite radiaciones del tipo β-. La vida media del 14C es de 5730 años, por lo tanto, cada 5730 años la relación 14C/12C disminuye en un factor de dos. Esta variación en la relación permite que con restos de cabello humano o animal, restos de madera, carbón vegetal, lino, algodón o papiro, o todo lo que contenga Carbono sea posible datar la cantidad de 14C remanente. El límite de datación es de 60 mil años. El Uranio-238 y el Potasio-40 se utilizan en geología, puesto que tienen vidas medias superiores a 5 mil años. En particular, el Uranio-238, tiene un tiempo de vida promedio de 4,47·109 años y decae hasta 206Pb, entonces la edad de una roca que contiene algo de Uranio-238 puede determinarse a partir de la relación 238U/206Pb. DMTR-QM02 Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web http://www.pedrodevaldivia.cl/ 19