martes, 4 de junio de 2013
NÚCLEO, RADIOACTIVIDAD, FISIÓN NUCLEAR Y FUSIÓN NUCLEAR
RADIOACTIVIDAD
La radiactividad es una propiedad de ciertos elementos químicos cuyos núcleos atómicos son inestables: con el tiempo, para cada núcleo llega un momento en que alcanza su estabilidad al producirse un cambio interno, llamado desintegración radiactiva, que implica un desprendimiento de energía conocido de forma general como "radiación". La energía que interviene es muy grande si se compara con la desprendida en las reacciones químicas en que pueden intervenir las mismas cantidades de materiales, y el mecanismo por el cual se libera esta energía es totalmente diferente.
La radiactividad fue descubierta en 1896 por el químico francés Becquerel durante sus estudios sobre la fluorescencia. Observó que una placa fotográfica no expuesta a la luz y envuelta en papel negro era impresionada como por la luz visible o ultravioleta (o por los rayos X recientemente descubiertos por Röntgen), cuando el paquete se ponía en contacto con compuestos del elemento pesado uranio.
Dedujo (correctamente) que este elemento debía producir algún tipo de radiación la cual atravesaba el papel hasta alcanzar y afectar a la emulsión fotográfica. Un cuidadoso estudio emprendido por Becquerel y otros científicos, entre ellos los Curie, Joliot, Soddy, Rutherford, Chadvick y Geiger, reveló que cierto número de elementos químicos pesados (muchos de ellos no descubiertos antes a causa de su rareza) parecían ser interiormente inestables y daban a origen a radiaciones penetrantes. Con ello, esos mismos elementos se transformaban en otros diferentes, siguiendo caminos complicados, pero bien definidos, en busca de una estabilidad final. Este fenómeno totalmente distinto de cualquier otro estudiado hasta entonces, recibió el nombre de radiactividad, y el proceso de transformación fue llamado desintegración radiactiva.
EL ÁTOMO NUCLEAR
Se define el número atómico del elemento como la cantidad de protones que contiene el núcleo en uno de sus átomos.
La masa atómica es el peso comparado de un núcleo atómico. Su unidad es la u.m.a (unidad de masa atómica) que se define como la doceava parte del peso del carbono –12. Un elemento es él y no otro por su número atómico.
Así, el uranio lo es porque tiene 92 protones; si no fuera así dejaría de ser uranio. Sin embargo, un mismo elemento puede tener átomos de distinto número de neutrones. A los núcleos que tienen igual número de protones y distinto el de neutrones se les denominas isótopos. La existencia de isótopos de un mismo elemento es una razón por la que los pesos atómicos expresados en las tablas químicas no son números enteros.
Una anotación aceptada para indicar el número y la masa atómica de un núcleo es colocando la masa atómica en la parte superior izquierda del símbolo del elemento, y el número atómico en la inferior izquierda.
El número que indica la masa atómica se representa por A mayúscula y el que indica el número atómico se representa por una Z mayúscula.
Únicamente ciertas combinaciones de Z y A forman núcleos estables: si hay demasiados neutrones, o demasiados pocos, el núcleo sufrirá más pronto o más tarde un cambio, una desintegración radiactiva, que la llevará a la estabilidad en uno o varios pasos. El grado de es inestabilidad se pone de manifiesto por la energía emitida en la desintegración, así como en la velocidad de ésta. Tal velocidad de desintegración se mide por la vida media o período de semidesintegración, que es el tiempo necesario para que el número de átomos inicialmente presente se reduzca a la mitad por desintegración. Los tiempos de semidesintegración varían desde fracciones de segundo hasta millones de años. La desintegración radiactiva puede tener lugar de varias maneras diferentes.
Desintegración Alfa
Un núcleo demasiado pesado para ser estable expulsa un grupo compacto (una partícula alfa), consistente en dos protones, y dos neutrones, que deja al núcleo con una A cuatro unidades menor y una Z dos unidades más bajas, es decir, dos pasos atrás en la tabla periódica. Estructuralmente una partícula alfa es idéntica a un núcleo de Helio – 4. la desintegración alfa es frecuente entre los elementos naturales más pesados (uranio, polonio, y radio, por ejemplo), pero no conduce directamente a núcleos estables: antes se producen isótopos intermedios que experimentan nuevas desintegraciones.
Las partículas alfa tienen una energía de hasta 5.000.000 de electrovoltios, pero son tan voluminosas que sólo pueden atravesar unos 25 mm de aire y se ven detenidas por una simple hoja de papel o por la parte más externa de la piel humana. Sin embargo, por esta misma razón produce serios daños en el interior del cuerpo humano cuando son emitidas por materiales alfa – activos absorbidos inadvertidamente como polvo transportado por el aire, o través de heridas contaminadas. Los emisores naturales de partículas alfa, como el radio, son de uso práctico limitado, ahora que se dispone libremente de gran variedad de radioisótopos artificiales. No obstante, el uranio y su subproducto artificial, el plutonio (otro emisor alfa), son ambos fisibles y, por lo tanto, de importancia primordial en la producción de energía nuclear.
Desintegración Beta
Es un núcleo con demasiados neutrones, uno de estos puede transformarse en un protón más un electrón, que es expulsado en el núcleo. El electrón emitido de esta forma recibe el nombre de partícula β. El núcleo queda con una carga positiva más, con su Z en una unidad más alta y, por lo tanto, un lugar más arriba en la tabla periódica.
Las partículas β son capaces de penetrar varios metros de aire, unos cuantos centímetros de tejido corporal o varios mm de metal o de plástico (que proporcionan un apantallamiento adecuado). Puede producir serias quemaduras superficiales o importantes daños internos sobre todo si son emitidos dentro del cuerpo durante periodos de tiempo algo prolongados. La desintegración β es el tipo mas frecuente de desintegración radiactiva tanto entre los isótopos artificiales como entre productos radiactivos procedentes de la desintegración alfa. Algunos de los radioisótopos artificiales obtenidos en aceleradores de partículas o separados en los productos de fisión formados en reactores nucleares tienen pocos neutrones, en lugar de demasiados. Estos se desintegran emitiendo positrones (partículas como los electrones pero cargadas positivamente), que se neutralizan casi de inmediato con los electrones ordinarios para producir una "radiación de aniquilación", con las cualidades de los rayos gamma. Los isótopos que emiten positrones tienen aplicaciones en diagnosis médica.
Emisión de rayos gamma
Esta emisión tiene lugar siempre que la desintegración beta no ha disipado suficiente energía para dar completa estabilidad al núcleo. Muchos isótopos naturales y artificiales con actividad alfa y beta son también emisores de rayos gamma. Los rayos gamma son una radiación electromagnética como los rayos X. Su intensidad se reduce al pasar a través de la materia en un grado que dependerá de su propia energía y de la densidad física del material absorbente. Los rayos gamma no son detenidos como las partículas alfa o beta, ni existen materiales opacos a ellos, como en el caso de la luz. Pueden necesitarse entre 5 y 25 centímetros de plomo o hasta 3 m de hormigón para conseguir una protección adecuada contra los rayos gamma de alta energía. El exceso de radiación gamma externa puede causar graves daños internos al organismo humano, peor no puede inducir radioactividad en él, ni en ningún otro material.
Otras formas de desintegración radiactiva son la transformación interna, en al que una reorganización interior del núcleo da como resultado la emisión de rayos X, o la captura de electrones, en la que un núcleo con demasiados protones captura un electrón de una orbita interna del propio átomo, convirtiendo así un protón en un neutrón, con emisión de rayos X y descenso de un lugar en la tabla periódica los núcleos de uranio – 235 y del U – 238 (emisores de partículas alfa), se desintegran alguna que otra vez por fisión nuclear espontánea, produciendo cualquier par de una gama de posibles núcleos de fisión, además de neutrones libres. El radioisótopo artificial californio – 252 se desintegra exclusivamente por fisión espontánea, proporcionando una fuente utilizable de neutrones. Unos pocos isótopos producto de fisión, en particular el yodo – 122, se desintegran con emisión retardada de neutrones poco después de haber sido formados y desempeñan un importante papel en el control de reactores.
La forma de desintegración, los tiempos de semidesintegración y las energías de emisión (energía máximas en el caso de partículas alfa y beta) son, en conjunto, características especificas que distinguen a un isótopo determinado y se pueden emplear para la identificación y medida de los propios emisores y, por tanto, de sus precursores, mediante la técnica de análisis por activación.
VELOCIDAD DE DESINTEGRACIÓN
La velocidad de desintegración de un isótopo puede caracterizarse mediante una constante denominada período de semidesintegración, que se define como el espacio de tiempo que debe transcurrir que una determinada masa de isótopo se hayan desintegrado la mitad de los átomos que la forman. Esta constante tiene carácter estadístico, ya que es imposible predecir en que momento se va a producir la desintegración de un determinado átomo.
Otra constante que también se utiliza es la vida media que se define como el valor medio de la vida de los átomos del isótopo. No deben confundirse ambos conceptos, ya que ha menudo se utilizan de forma errónea.
FISIÓN NUCLEAR
Se entiende por fisión, la división de un núcleo muy pesado en un par de núcleos de masa próxima a 60, proceso en el cual se libera gran cantidad de energía.
A finales de 1938, O.Hann y F. Strassmann descubrieron en uranio bombardeado con neutrones, la presencia del radioisótopo 139Ba, formado necesariamente por escisión del núcleo de uranio. Este proceso se denominó Fisión nuclear.
Según el modelo de la gota líquida, la fisión se produce porque al captar un neutrón, el núcleo oscila y se deforma, con lo que pierde su forma esférica adquiriendo la figura de un elipsoide entre cuyos extremos se produce una repulsión electrostática que puede llegar a provocar la rotura del núcleo pesado en dos fragmentos. En el caso del uranio-235, los fragmentos que se forman son núcleos de masas próximas a 95, el menor, y a 139, el mayor.
Puesto que la relación neutrones/ protones es más elevada en el uranio que en los dos núcleos formados en la fisión, quedan dos neutrones en exceso que se liberan con gran energía. Si estos neutrones no son captados por núcleos de otros elementos y no escapan de la masa escindible, pueden provocar nuevas fisiones, siempre y cuando se hayan convertido en neutrones lentos mediante moderadores. Se logra así un proceso auto sostenido.
La energía liberada en la fisión de 1 g de uranio-235 es del orden de 108 kJ, es decir unos dos millones de veces la energía que se obtiene por combustiónde 1 g de petróleo.
El primer reactor nuclear fue construido por Fermi en 1942, utilizando grafito como moderador. Así, los neutrones liberados al escindirse un núcleo de uranio-235 provocaban la escisión de nuevos núcleos de uranio-235 o la transmutación del uranio-238 en plutonio-239, que es así mismo fisionable.
En las bombas atómicas de fisión, la explosión se produce al unir dos masas de material fisionable de tamaño inferior al crítico. Es decir, que el recorrido medio que debe atravesar un neutrón liberado, en una fisión espontánea para provocar una nueva fisión, es mayor que el diámetro de esas masas. Al unirlas, se supera el tamaño crítico, con lo que se produce una reacción en cadena.
FUSIÓN NUCLEAR
En palabras sencillas, fusión nuclear es la unión de dos núcleos livianos acompañada por una liberación de energía.
Además de en la fisión de núcleos de átomos pesados, también se libera energía en la formación de núcleos intermedios a partir de núcleos muy ligeros, por ejemplo, de deuterio, 21H, y de tritio, 31H. Este proceso se conoce como fusión nuclear.
A diferencia de lo que ocurre con la fisión, los productos que se forman en las reacciones de fusión no son radiactivos y, además, los isótopos ligeros necesarios para la fusión son comunes (por ejemplo el deuterio existe en el mar), de ahí las grandes esperanzas depositadas en llegar a producir energía a partir de un proceso de fusión. El problema más importante planteado estriba en que los núcleos que se fusionan deben poseer suficiente energía para vencer las fuerzas electrostáticas de repulsión, lo que exige temperaturas de millones de grados. El material se hallará así en estado de plasma, y este plasma debe confinarse durante un tiempo suficientemente largo en un volumen no muy grande para que se produzca una reacción auto sostenida.
En las bombas termonucleares (bombas de hidrógeno) la temperatura necesaria se alcanza mediante la explosión de una o más bombas atómicas que actúan como detonantes de la fusión subsiguiente.
USOS DE LA RADIACTIVIDAD
- El trazado isotópico en biología y en medicina
Los diferentes isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. El reemplazo de uno por otro en una molécula no modifica, por consiguiente, la función de la misma. Sin embargo, la radiación emitida permite detectarla, localizarla, seguir su movimiento e, incluso, dosificarla a distancia. El trazado isotópico ha permitido estudiar así, sin perturbarlo, el funcionamiento de todo lo que tiene vida, de la célula al organismo entero. En biología, numerosos adelantos realizados en el transcurso de la segunda mitad del siglo XX están vinculados a la utilización de la radioactividad: funcionamiento del genoma (soporte de la herencia), metabolismo de la célula, fotosíntesis, transmisión de mensajes químicos (hormonas, neurotransmisores) en el organismo.
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.
- Las radiaciones y la radioterapia
Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz contra el cáncer, la radioterapia, que fue una de las primeras aplicaciones del descubrimiento de la radioactividad.
En Francia, entre el 40 y el 50% de los cánceres se tratan por radioterapia, a menudo asociada a la quimioterapia o la cirugía. La radioactividad permite curar un gran número de personas cada año.
Las diferentes formas de radioterapia:
- La curioterapia, utiliza pequeñas fuentes radioactivas (hilos de platino - iridio, granos de cesio) colocados cerca del tumor.
- La tele radioterapia, consiste en concentrar en los tumores la radiación emitida por una fuente exterior.
- La inmunorradioterapia, utiliza vectores radio marcados cuyos isótopos reconocen específicamente los tumores a los que se fijan para destruirlos.
- La esterilización
La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío los microorganismos: hongos, bacterias, virus... Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de los objetos, especialmente para el material médico-quirúrgico, en alimentos, etc.
