ELEMENTOS RADIACTIVOS
 

Propiedad que tienen ciertos cuerpos como el radio, polonio, uranio, etc. de emitir espontáneamente partículas o rayos por desintegración del núcleo atómico. El fenómeno fue descubierto en 1896 por el francés Antoine Henri Becquerel, que lo observó en el uranio contenido en una sustancia llamada sulfato uranilopotásico.

El nombre se lo dio Marie Curie quién con su esposo Pierre prosiguió las investigaciones de Becquerel y descubrió nuevos elementos radiactivos el torio, el polonio, y el radio. Rutherford descubrió que la radiación de los cuerpos radiactivos es de tres clases, alfa, beta y gama. Las partículas alfa son núcleos de Helio con carga positiva, de velocidad relativamente baja y menor poder de penetración que las otras radiaciones; un campo magnético las desvía ligeramente.

Las partículas beta son electrones con carga negativa, más veloces que las alfa, y frecuentemente desviadas por un campo magnético. Los rayos gama son los de más alta penetración, energía y velocidad (está es casi igual a la de la luz), no se desvían en un campo magnético; y son los más peligrosos para el hombre. En la radiactividad natural o espontánea, el elemento sufre una pérdida progresiva de masa que se convierte en una cantidad equivalente de energía, queda un núcleo de menor peso que es un elemento distinto (transmutación).

Así, por ejemplo el radio ( Ra 226 ) se convierte en radón ( Rn 222) y luego en diversos isótopos de Po, Bi y Pb, cada vez menos pesados, hasta llegar a la forma final del plomo estable, Pb 206. No hay ninguna manera de controlar este proceso, que no depende de temperatura, presión ni otras condiciones análogas y cuya velocidad se mide por el período de semidesintegración de cada elemento. Una sustancia puede hacerse artificialmente radiactiva bombardeándola con partículas en un acelerados. En la radiactividad artificial son posibles muchos tipos de reacción. La captura ó expulsión nuclear de electrones, protones, deuterones y partículas alfa producen diversas transmutaciones. La radiactividad se mide por el número de desintegración que se produce cada segundo, sus unidades el curio, equivalente a 37,000,000 de desintegración por segundo.

Por medio del efecto fotoeléctrico se comprueba que es posible transportar energía a los electrones mediante fotones luminosos, ¿es posible el proceso inverso?, es decir ¿es posible transformar la energía cinética de un electrón en movimiento en un fotón? . Aparentemente este proceso es imposible, sin embargo, se lleva a cabo, cuando electrones rápidos, acelerados se hacen incidir sobre la materia; entonces se observa la producción de una radiación altamente penetrante cuyo movimiento es lento, no se desvía en campos eléctricos, magnético, es capaz de atravesar materias opacas y de impresionar una placa fotográfica.

Esta radiación fue descubierta por W. Roentgen en 1895, comprobándose que la materia no es impenetrable, sino que solamente lo era a la luz visible.
 
 

Los rayos X son de carácter ondulatorio tiene longitudes de onda muy pequeñas de 0.1 X 100 ºA, frecuencias muy grandes y son muy energéticos, capaces de impresionar las placas fotográficas.
 
 

El físico H. Becquerel, que trabajaba con minerales en el Museo de Historia Natural de París observó que ciertos minerales fluorescentes emitían radiaciones espontaneas él pensó que se trataba de algunas radiaciones del mismo tipo de los rayos X, pues eran capaces de impresionar una placa fotográfica que distraídamente había dejado cierta de tales minerales. Tal hecho condujo a Becquerel al estudio de clasificar los minerales que producían la impresión de la placa fotográfica sin que esta se expusiera a la luz visible. Concluyó que todas las sales de Uranio producían el mismo efecto.

A fines del siglo pasado se comprobó se comprobó que esta propiedad de emitir radiaciones no es exclusiva del Uranio, pues también se observa en el thorio, potasio y rubidio.

En 1898 los esposos Curie (María y Pierre), aislaron dos nuevos elementos, el polonio y el radio, como impurezas en el Bi2S3, y el BaCl2 respectivamente; ambos elementos manifestaban también la emisión de radiaciones, pero más que en el Uranio.

A todos estos el elemento que presentaban la propiedad de emitir radiaciones en forma espontánea se les llamo elementos radiactivos.

Entre los años de 1900 a 1903 Rutherford , Thomson y Villar dieron a conocer que las radiaciones del uranio eran del tipo rayos alfa, rayos beta y rayos gamma.
 

Una de las propiedades estudiadas fue el poder de penetración, el cuál se determino cualitativamente al hacer pasar cada radiación por varias placas metálicas, las cuales tenían diferente espesor, observándose que las partículas ase detenían fácilmente (medio milímetro de espesor de la placa). Las partículas b se detenían en placas cuyo espesor era de 3 mm. Las partículas c se detenían por placas de un espesor de 5 cm.

Otras de las propiedades, observadas es la carga que presentan estas radiaciones, la cuál se determinó por la desviación que sufren al hacerse pasar por un campo magnético, donde se observa que las partículas a  se desvían hacia la placa negativa del campo magnético, concluyéndose que la carga es positiva. Las partículas b se desvían hacía la placa positiva, por lo cuál la carga es negativa, las partículas c no sufren desviación en el campo magnético, por lo que se concluye que no tiene carga.

Tomando en cuenta que hay elementos que constantemente están emitiendo partículas a, b  ó c se ha comprobado que tales partículas son emitidas por el núcleo transformándose este en otro núcleo es decir, en otro elemento ó núclido diferente.

REACCIONES INDUCIDAS.

   El hombre actualmente ha logrado el sueño dorado de los alquimistas la transmutación de los elementos, pero aún no se ha obtenido oro de la transmutación de los metales, como pretendían los químicos de la antigüedad. El estudio de estas reacciones ha llevado a la obtención de un gran número de nuevos elementos ó núcleos que no se habían descubierto y que existen en la naturaleza.

       Las reacciones inducidas se fundamentan en el bombardeo de núcleos inestables por partículas a, b,c , neutrones, protones, y otras para obtener núclidos más estables. La técnica para llegar a esta transformación se basa en la aceleración de las partículas que van a bombardear los núcleos. Esto se efectúa en los aceleradores.

Aceleradores.- Son de 2 tipos lineales y circulares.

REACCIONES EN CADENA.

    La fisión del uranio ocurre cuando un "n" choca con un núcleo de U235 y lo fisiona y se produce, además de 2 elementos de menor masa, 2 ó 3 neutrones. Si estos neutrones están moderados en su velocidad son capaces de chocar con otros núcleos de U235, produciendo una reacción en cadena, liberando gran cantidad de energía.

    Moderadores.- Agua pesada (deuterada), grafito y berilio.

    ASPECTOS NOCIVOS DE LA BOMBA ATÓMICA.

    Los productos de la creación de la fisión del U235, son muy variados, se producen elementos ricos en neutrones que son radiactivos, capaces de emitir constantemente partículas b , hasta estabilizarse.

    La destrucción que puede provocar una bomba atómica, se debe:

  REACCIONES DE FUSION O REACCIONES TERMONUCLEARES.
 

    Este tipo de reacciones se llevan a cabo en el sol y en las estrellas, produciendo la energía solar y estelar.

Cuando se unen dos ó más núcleos de átomos ligeros, para formar un nuevo núcleo más pesado y por lo tanto más estable, se lleva a cabo una reacción de fusión nuclear. Al producirse esta reacción hay una pérdida de masa, que origina una gran cantidad de energía al entrar en contacto con el oxígeno del aire. Esta transformación de masa a energía se observa en la actualidad en la bomba de hidrógeno en la que todas las reacciones que intervienen se llevan a cabo a temperaturas muy altas.
 
 

REACCIONES DE FISIÓN NUCLEAR

La fisión nuclear implica la separación de un núcleo pesado en dos o más fragmentos de tamaño intermedio con la emisión simultánea de algunos neutrones. La fisión inducida por neutrones es la más importante y se observa tanto con neutrones lentos, como con neutrones acelerados. Se ha observado que la fisión entre ciertos núcleos aumenta cuando está presente un material como la parafina y se ha pensado que los neutrones rápidos son desacelerados por las colisiones con los átomos de hidrógeno y que las energías finales de los neutrones equivalen a las de las moléculas gaseosas que se mueven como resultado de la energía cinética. Estos neutrones se designan como neutrones térmicos.

l proceso de fisión se desarrolla, entre los neutrones térmicos y el núcleo. Se considera que los neutrones rápidos pasan de frente en un átomo sin llegar al núcleo y que en cambio los neutrones térmicos son capturados por el núcleo. Cuando un neutrón térmico es capturado se forma un núcleo excitado el cual entonces se fisiona.

Es probable que la fisión no ocurra sino simplemente sean reacciones con emisión de protones y neutrones.

La fisión nuclear representa una autentica promesa de fuente de energía en el futuro y por ello implica conocer la energía de enlace que hay en el núcleo. La energía de enlace de un núcleo puede ser considerada la energía requerida para separar los nucleones del núcleo o la energía liberada por la formación hipotética del núcleo por la condensación de nucleones individuales. La energía de enlace de un núcleo puede ser calculada de la diferencia entre la suma de la masa de los nucleones del núcleo. La energía equivalente de esta masa es

0.320 u x 931 MeV/u = 298 MeV

La magnitud de la energía de enlace de un núcleo dado indica la estabilidad de ese núcleo hacia la desintegración radiactiva. Para propósitos de comparación, los valores estarán dados generalmente en términos de energía de enlace por nucleón, y los valores más grandes son característicos de los núcleos más estables. La energía de enlace por nucleón en caso del 35Cl17 es

                             298 MeV           = 8.51 Mev

 35 nucleones

    El número de masa se traza en comparación con la energía de enlace por nucleón para los núclidos. Analizando la curva resultante muestra que los núclidos de masas intermedias tienen valores mayores de energía de enlace por nucleón que los núclidos más pesados. Así la fisión de 235U92 produce núcleos ligeros con mayores valores de energía de enlace/nucleones y se libera energía; la suma de las masas de los productos de una reacción de fisión es menor que la suma de las masas de los reactivos. Una fisión típica de un núcleo sencillo de 235U92 libera aproximadamente 200 MeV.

RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL
   Las radiaciones artificiales se pueden realizar bombardeando átomos con partículas alfa, neutrones, rayos gama, protones y núcleos de elementos ligeros. Para efectuar estos bombardeos se utilizan aceleradores de partículas, tales como el ciclotrón, el beatrón gama, el acelerador lineal, etc.

DEFECTO DE MASA

    Los núcleos de los elementos tienen por lo regular masas más pequeñas que la suma de las masas de las partículas que los constituyen, un átomo de 4He2 tiene una masa experimental de 4.0028 upa que no es igual a la suma de la masa de sus constituyentes, como se puede ver en el siguiente cálculo:

En He hay                                                                 masa protón                                                             masa del neutrón

2p + 2n                                                                         2 x 1.00797                                +                            2x1.00867= 4.0330

                                                                                      2 x masa del protón                +                             2x masa del neutrón

La diferencia de masa entre el átomo de helio y las masas de sus constituyentes es:

Dm = 4.0330 – 4.0028 = 0.0302 upa

upa = masa en gramos.

    Dm es llamada defecto de masa y representa la pérdida de masa durante la formación del núcleo. Ello no representa violación alguna a la ley de la conservación de la materia, sino la conversión de la materia en energía.

    La energía equivalente del defecto de masa se llama energía de enlace y se define como la energía liberada en un proceso imaginario cuando las partículas nucleares se unen para formar el núcleo procedente de grandes distancias con energías cinéticas de consideración. El defecto de masa se puede medir y convertir en energía equivalente, fácil de calcular según la ecuación de Einstein donde:
 
  Por ejemplo, en el helio el defecto de masa es de Dm = 0.0302 upa lo cual se puede convertir en energía aplicando la ecuación anterior, si la masa se expresa en gramos y la velocidad de la luz en cm/seg. La energía resultante se da en ergios y al sustituirse tenemos:

E = 0.0302 g x (3x1010 cm / seg )



6.023 X 10-23 átomos

E = 4.52 x 10 –5 ergios / atomos.

La energía en procesos nucleares se expresa en millón electrón voltios y la equivalencia es 1 Mev = 1.602 x 10-6 ergios y se tiene que:

1.602 x 10-6 ergios ----- 1 Mev

                                                            4.52 x 10-5 ergios ----- x



                                                                                        X = 1 Mev x 4.52 x 10-5 ergios = 28.3 Mev


                                                         1.602 x 10-6 ergios

Este resultado se divide entre 4 para tener la energía por nucleón ya que el He tiene 4 nucleones.

                                  28.3               =   7.1 Mev


4

La energía de enlace por nucleón aumenta hasta el elemento Fe y después desciende a medida que aumenta la masa del isótopo.
 

APLICACIONES PACÍFICAS DE LA ENERGÍA NUCLEAR.
   
Una de las aplicaciones de la energía nuclear es su transformación en energía eléctrica tal como se hace en los reactores nucleares en donde se aprovecha la desintegración de los isótopos y la generación de calor para generar vapor y al hacer pasar éste por una turbina, se genera electricidad; a este tipo de plantas se les llama nucleoeléctricas.

    La energía nuclear y sus derivados se pueden utilizar como el fijador de fechas de reliquias e instrumentos de piedra o trozos de carbón de antiguos campamentos es una aplicación basada en las velocidades de decaimiento radiactivo. Debido a que la velocidad de decaimiento de un núclido es constante, esta velocidad puede servir como reloj para el fechado de rocas muy antiguas e instrumentos humanos. En astronomía para conocer la antigüedad de las estrellas estudiando su emisión de luz. En agricultura para el mejoramiento de las semillas, así como el mejoramiento de los suelos. En medicina se utilízan elementos radiactivos como el cobalto 60 para irradiar tejidos afectados por tumores malignos, así como enfermedades de la tiroides. En ingeniería para detectar fallas en las construcciones. En criminología para identificar a las personas que han cometido un crimen. En la industria para la elaboración de aparatos eléctricos, semiconductores, etc, y muchas otras aplicaciones más.

El uso de isótopos radiactivos ha tenido un efecto muy marcado en la práctica de la medicina. Los radioisótopos fueron usados primero en la medicina para el tratamiento de cáncer. Este tratamiento se basa en el hecho de que las células que se dividen rápidamente, como las del cáncer, son afectadas en mayor grado por la radiación de las sustancias radiactivas que las células que se dividen con mayor lentitud. El radio-226 y su producto de decaimiento, el radón-222 se utilizaron para la terapia del cáncer pocos años después del descubrimiento de la radiación. Ahora se utiliza más comúnmente la radiación gamma del cobalto-60.

La terapia del cáncer es solamente una de las formas en las cuáles se han utilizado los isótopos radiactivos en la medicina. Los mayores avances en el uso de los isótopos radiactivos se han presentado en el diagnóstico de enfermedades en dos formas, se utilizan para desarrollar imágenes de los órganos internos del cuerpo con el fin de poder examinar su funcionamiento, y se utilizan como trazadores en el análisis de cantidades pequeñísimas de sustancias, por ejemplo en la hormona del crecimiento en la sangre, para deducir posibles condiciones de una enfermedad.

CONTADORES DE RADIACIÓN.
   
Las radiaciones de los procesos nucleares afectan la materia, en parte para dispersar la energía en ella. Una partícula alfa, beta o gamma que viajan a través de la materia dispersa energía por ionización de los átomos o de las moléculas, y produce iones positivos y electrones. En algunos casos, estas radiaciones también pueden excitar a los electrones de la materia. Cuando estos electrones experimentan transiciones de nuevo a su estado basal se emite luz. Los iones, electrones libres y radiaciones pueden ionizar las moléculas y romper enlaces químicos, lo cual perjudica los organismos biológicos

    Para contar las partículas emitidas de los núcleos radiactivos y de otros procesos nucleares se utilizan dos tipos de dispositivos - contadores de ionización y contadores de centelleo. Los contadores de ionización detectan la producción de iones en la materia. Los contadores de centelleo detectan la producción de centelleos o destellos de luz.

    El contador Geiger, una clase de contador de ionización se utiliza para contar las partículas emitidas por los núcleos radiactivos; consiste en un tubo metálico lleno de gas, por ejemplo argón. El tubo tiene ajustada una ventana delgada de vidrio o de plástico, a través de la cual penetra la radiación. Dentro del tubo corre un cable aislado del tubo. El tubo y el cable están conectados a una fuente de alto voltaje, de modo que el tubo se convierte en el electrodo negativo y el cable en el electrodo positivo. Normalmente el gas dentro del tubo es un aislante y no fluye corriente a través de él. No obstante, cuando la radiación, por ejemplo de una partícula alfa, pasa a través de la ventana del tubo y dentro del gas, los átomos se ionizan. Los electrones libres son acelerados rápidamente al cable. De esta manera, se pueden ionizar átomos adicionales por las colisiones con estos electrones y quedan libres más electrones. Se crea una avalancha de electrones, y estos dan un pulso a la corriente el cual es detectado por equipo electrónico. El pulso amplificado activa un contador digital.

    Las partículas alfa y beta se pueden detectar directamente por un contador Geiger. Los neutrones reaccionan con los núcleos de boro-10 para producir partículas alfa, las cuales se pueden detectar.

    Un contador de centelleo es un dispositivo que detecta la radiación nuclear a partir de los destellos de luz generados en un material para la radiación. Un material que manifiesta fosforescencia es una sustancia que emite destellos de luz cuando es golpeado por la radiación. Rutherford empleó una pantalla fosforescente de sulfuro de zinc como detector de partículas alfa. Un cristal de yoduro de sodio que contiene yoduro de talio es utilizado como pantallas fosforescentes para detectar la radiación gamma. El tecnecio- 99 excitado emite rayos gamma y se utiliza para el diagnóstico médico. Los rayos gamma se detectan con un conductor de centelleo. Los destellos de luz del material que fosforece son detectados por un fotomultiplicador.