Radiactividad

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Radiactividad
La radiactividad es un fenómeno natural o provocado por el que ciertos elementos, emiten
partículas o radiaciones electromagnéticas que provocan la impresión de las placas
fotográficas, ionizan gases, atraviesan objetos e incluso pueden provocar alteraciones en el
comportamiento de las células de los seres vivos.
Estas emisiones radiactivas fueron descubiertas por Henry Becquerel que observó como unos
trozos de pechblenda le estropearon unas placas fotográficas que tenía almacenadas debajo
de ellos. Resultaba sumamente curioso que este mineral presentase una actividad mayor que
el uranio puro. El trabajo de búsqueda y aislamiento de los elementos que acompañaban al
uranio.
Este trabajo fue encargado a Pierre y Marie Curie, después de remover ocho toneladas de este
mineral, lograron aislar un gramo de cloruro de radio, además de descubrir el polonio.
Estos cambios se producen en el núcleo atómico (reacciones nucleares). Las emisiones
radiactivas pueden ser de distintos tipos y por ello sus efectos serán diferentes.
El núcleo de uranio 238 emite una partícula α (alfa) que es simplemente un núcleo de helio y se
transforma en un núcleo de thorio 234. A continuación el thorio puede emitir una partícula β (un
electrón) que se produce en el núcleo por transformación de un neutrón en un protón y un
electrón. Es consecuencia de la interacción débil que se produce en el núcleo atómico se
+
–
considera que las partículas portadoras son los bosones Z, W y W .
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A veces, tras la emisión de partículas α o β, para alcanzar una situación más estable, el núcleo
debe emitir radiación electromagnética de alta energía (radiación γ gamma)
Se llaman radiaciones ionizantes aquellas que tienen la capacidad de producir iones en el aire.
Las radiaciones α tienen carga positiva puesto que son desviadas en un campo eléctrico hacia
el electrodo negativo, por el contrario la radiación β tiene carga negativa, siendo atraída por el
electrodo positivo en el seno de un campo eléctrico, por último la radiación γ no se desvía en el
seno de un campo eléctrico lo que implica que no tiene carga.
La capacidad de penetración de las emisiones radiactivas varía siendo la mayor para la
radiación γ que solo es detenida por una gruesa capa de hormigón, un menor para la radiación
β que es detenida por una lámina metálica y muchísimo menor para la radiación α que es
detenida por un papel o nuestra propia piel.
Así la peligrosidad para nuestro organismo de un emisor radiactivos cuando está fuera de
nuestro cuerpo es de mayor a menor γ , β y α por el contrario si el emisor está dentro de
nuestro organismo la peligrosidad es la inversa α , β y γ.
Radiactividad natural
La radiactividad se debe a la inestabilidad de algunos isótopos.
Estos isótopos tratan de llegar a una situación de mayor
estabilidad cambiando su composición nuclear o emitiendo
energía en forma de radiación electromagnética o, lo que es más
común, haciendo varias de estas cosas de forma consecutiva. El
proceso puede darse de forma espontánea en la naturaleza y
decimos entonces que se trata de radiactividad natural.
Estabilidad de isótopos radiactivos. Imagen
tomada de quimica4m.blogspot.com
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La gráfica representa los isótopos existentes, en el eje horizontal el número atómico y en el
vertical el número de neutrones. Cuando un isótopo está fuera de la zona de estabilidad trata
de ir a ella mediante la emisión de partículas α , β o radiación γ.
Ley de la desintegración radiactiva
Como se puede intuir cualquier núcleo que emite radiación α o β se transforma en otro distinto
con lo que se puede decir que el primer núcleo se ha desintegrado. Se trata de un proceso
espontáneo y al azar. Si el número de núcleos es N la velocidad con que desaparecen vendrá
dada por su derivada con respecto al tiempo y será proporcional al número de núcleos
existentes N. La constante de proporcionalidad es λ y recibe el nombre de constante de
desintegración radiactiva:
Si consideramos el tiempo que tarda en reducirse a la mitad el
número inicial de núcleos:
La actividad de una sustancia radiactiva se define como el número de emisiones por unidad de
tiempo, o lo que es lo mismo el número de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo.
La unidad de actividad es el Becquerel (Bq)
Las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas tienen un poder ionizante que no
pueden detectar los seres humanos. No obstante estas si pueden detectarse mediante el uso
de aparatos de medida como los contadores Geiger y otros detectores…
Existen varias unidades de medida de la radiación ionizante, unas tradicionales y otras del SI.
−
Unidades tradicionales: son el Röntgen, el Rad., el REM.
−
Unidades del SI: son las más utilizadas el Culombio/kg, el Gray (Gy) y el Sievert (Sv).
El roentgen se utiliza para cuantificar la exposición radiométrica, es decir, la carga total de iones
liberada por unidad de masa de aire seco en condiciones estándar de presión y temperatura.
Equivale a la exposición de una unidad electrostática de carga liberada en un centímetro cúbico de
aire. En las unidades del SI, es la exposición recibida por 1 kg de aire si se produce un número de
pares de iones equivalente a 2,58·10-4 C. 1 roentgen = 1 R = 2,58 10-4 C/kg.
rad era la unidad de dosis absorbida. Su equivalencia es 1 rad=0,01 Gy
rem (unidad para indicar la peligrosidad de una radiación) era la unidad de dosis equivalente y de dosis
efectiva, equivalente a 1 rad para rayos gamma. 1 rem=0,01 Sv
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La dosis absorbida es una magnitud utilizada en Radiología y Protección radiológica, para medir la
cantidad de radiación ionizante recibida por un material y más específicamente por un tejido o un
ser vivo. La dosis absorbida mide la energía depositada en un medio por unidad de masa. La
unidad en el Sistema Internacional es el J/kg, que recibe el nombre especial de gray (Gy) 1Gy =
100 rad.
No obstante este no es un buen indicador de los efectos biológicos de la radiación sobre los seres
vivos, 1 Gy de radiación alfa puede ser mucho más nociva que 1 Gy de fotones, por ejemplo.
Deben aplicarse una serie de factores para que los efectos biológicos sean reflejados,
obteniéndose así la dosis equivalente.
El riesgo de efectos estocásticos debidos a la exposición a una radiación puede ser medido con
la dosis efectiva, que es un promedio ponderado de la dosis equivalente de cada tejido expuesto,
tomando en cuenta la sensibilidad de las poblaciones celulares que los forman. La unidad de estas
dos últimas magnitudes es el sievert.
El sievert (símbolo Sv) es una unidad derivada del SI que mide la dosis de radiación absorbida por
la materia viva, corregida por los posibles efectos biológicos producidos. 1 Sv es equivalente a
un julio por kilogramo (J kg-1).
Se cumple la equivalencia 1 Sv = 1 Gy para las radiaciones electromagnéticas (Rayos X y gamma)
y los electrones, pero para otras radiaciones debe utilizarse un factor corrector: 20 para la
radiación alfa, de 1 a 20 para neutrones,...).
Esta unidad es utilizada para medir diferentes magnitudes usadas en protección radiológica, como
la dosis equivalente, la dosis colectiva, la dosis ambiental o la dosis efectiva entre otras, cada una
de ellas corregida o "ponderada" por distintos factores que reflejan distintos aspectos, como la
Eficiencia Biológica Relativa (RBE en inglés).
Síntomas en los humanos a causa la radiación acumulada durante un mismo día (los
efectos se reducen si el mismo número de Sievert se acumula en un periodo más largo):
0 - 0,25 Sv: Ninguno
0,25 - 1 Sv: Algunas personas sienten náuseas y pérdida de apetito, y pueden sufrir
daños en la médula ósea, ganglios linfáticos o en el bazo.
1 - 3 Sv: náuseas entre leves y agudas, pérdida de apetito, infección, pérdida de médula
ósea más severa, así como daños en ganglios linfáticos , bazo, con recuperación solo
probable.
3 - 6 Sv: náusea severa, pérdida de apetito, hemorragias, infección, diarrea,
descamación, esterilidad, y muerte si no se trata.
6 - 10 Sv: Mismos síntomas, más deterioro del sistema nervioso central. Muerte probable.
Más de 10 Sv: parálisis y muerte.
Síntomas en humanos por radiación acumulada durante un año, en milisieverts (1
Sv=1000 mSv):
2.5 mSv: Radiación media anual global.
5.5 - 10.2 mSv: Valores naturales medios en [Guarapari] (Brasil) y en [Ramsar] (Iran).
Sin efectos nocivos.6.9 mSv: Escáner CT.
50 - 250 mSv: Límite para trabajadores de prevención y emergencia, respectivamente.
El núcleo del átomo
El núcleo está formado por protones y neutrones que a su vez están constituidos por quarks.
En el momento en que Rutherford plantea su modelo nuclear del átomo ya se intuye que el
núcleo está constituido por partículas positivas (protones) y que tiene que haber otras
partículas neutras (neutrones) fue él mismo quien plantea la necesidad de su existencia en
1918 auque éstas no son descubiertas hasta 1932 por Chadwick
Los protones y los neutrones están constituidos por otras partículas menores quarks
descubiertas en las décadas de 1960 y 1970. Estas partículas están formando parte de los
protones y de los neutrones en grupos de tres y tienen carga ± 1/3 o ± 2/3 la unidad natural de
-19
carga (1,6·10 C). También forman parte de los mesones.
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Hay seis tipos de quarks: up (u), down (d), top (t), botton (b), charme (c) y strange (s) aunque
los cuatro últimos tienen una vida tremendamente corta. Los protones están formados por dos
quarks up y uno down mientras que los neutrones están formados por dos down y uno up.
El núcleo está constituido por nucleones (neutrones y protones). El número de protones de un
núcleo es el número atómico (Z) y es característico de cada elemento químico. El número total
de neutrones y protones se llama número másico (A). Los átomos del mismo elemento que
tienen diferente número másico se llaman isótopos.
Las partículas que forman el núcleo están en un espacio muy reducido. A distancias menores
-15
que 10
m o fm (femtómetro también llamdo Fermi en Física Nuclear) prevalece la fuerza
nuclear fuerte que es responsable de la cohesión del núcleo atómico. Se trata de una fuerza
siempre atractiva e independiente de la carga que se manifiesta a distancias muy cortas y que
supera con mucho las fuerzas de repulsión electrostática entre los protones. Es importante
tener en cuenta que esta fuerza desaparece a distancias mayores. Se trata pues de fuerzas de
corto alcance a diferencia de las fuerzas gravitatoria y electromagnética.
Las partículas materiales son de dos tipos:
−
Leptones (no están sometidas a la fuerza nuclear fuerte): electrón, muón, tauón ,
neutrinos
−
Hadrones (sometidas a la fuerza nuclear fuerte) y formadas por quarks: protones,
neutrones, mesones.
Además cada partícula tiene su antipartícula correspondiente. Las antipartículas serían:
positrón (antipartícula del electrón), antiprotón, antineutrón, antineutrino... Cuando una partícula
se encuentra con su antipartícula se aniquilan desprendiendo energía, al contrario un fotón
suficientemente energético puede dar lugar a un par partícula antipartícula.
Energía de enlace
El núcleo es estable y para destruirlo o al menos extraer de él nucleones es necesario aportar
energía. Si lo que pretendemos es descomponer el núcleo en sus componentes tenemos que
aportar la misma energía que se libera en el momento de su formación. Esta energía es la
energía de enlace.
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Representando la energía por nucleón frente al número atómico se obtiene una gráfica como la
que se indica a continuación:
Reacciones nucleares
En estos procesos solamente intervienen los núcleos atómicos que pueden ser bombardeados
por partículas subatómicas o con otros núcleos y dan lugar a nuevos núcleos distintos a los
primeros.
Siempre se cumple en una reacción nuclear que la suma de los números atómicos permanece
constante así como la suma de los números másicos.
1
0
n +147N →146C +11p
Estas reacciones en ocasiones se producen de forma natural dando lugar a transmutaciones
en los núcleos que tienen lugar por emisión de partículas α , β o radiación γ en varios pasos
consecutivos hasta que se forma un núcleo estable. Estos procesos se conocen como series
radiactivas y son tres:
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serie
Torio
Neptunio
Uranio
Actinio
tipo
elemento
4n
232
4n+1
237
4n+2
238
4n+3
235
T (años)
Th
208
6
207
9
206
8
207
1,41·10
Np
2,14·10
U
4,47·10
Ac
estable
10
7,04·10
Pb
Bi
Pb
Pb
“Cuando un núcleo emite una partícula α se forma otro que tiene como número atómico dos
unidades menos que el anterior y su número másico disminuye en cuatro unidades. Si lo que
se emite es una partícula β esto se debe a que un neutrón se transforma en un protón y un
electrón por lo que el número atómico aumenta en una unidad y el número másico permanece
constante”. Estas dos leyes del desplazamiento radiactivo fueron enunciadas de forma
independiente por Soddy y Fajans.
215
84Po
18Ar
→ 82Pb
40
211
40
→ 19K
4
+ 2He (emisión α)
0
+ -1e (emisión β)
Por último cuando un núcleo sobreexcitado emite radiación γ pasa a un estado de menor
energía pero no sufre ninguna transmutación.
Reacciones de fisión
La fisión nuclear es una reacción en la que un núcleo se divide en otros dos mas ligeros
cuando es bombardeado por neutrones. Este proceso tiene lugar con un defecto de masa que
se transforma en energía.
La reacción de fisión nuclear fue estudiada en 1938 en primer lugar por Hahn y Strassmann en
los preludios de la guerra mundial. Sin embargo la explicación del proceso fue dada por Lisa
Meitner con su modelo de la gota líquida. Supone que los neutrones lentos que inciden sobre el
núcleo pesado lo deforman como si de una gota de agua se tratara. Debido a ésto los extremos
del núcleo deformado se repelen y se parte en dos menores liberando neutrones que a su vez
participarán en nuevos procesos de fisión.
1
0
1
0
235
92
U
n
236
92
U
92
36
n
141
56
Kr
1
0
n
Ba
1
0
n
El proceso puede llevarse a cabo de forma controlada en los reactores nucleares para producir
energía eléctrica o de forma no controlada con lo que la reacción tiene lugar de forma
explosiva.
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Reacciones de fusión
A partir de núcleos pequeños que se unen se puede formar otro mayor. El proceso también
origina al final del mismo un defecto de masa que se transforma en energía.
2
1
H +13H →24He+ 01n
6
Esta reacción comienza a transcurrir a elevadas temperaturas (superiores a 10 K). Estas
reacciones tienen lugar en las estrellas y gracias a ellas nuestro sol emite energía en forma de
radiación electromagnética que llega a la Tierra y la mantiene a una temperatura adecuada
para la existencia de la vida en la Tierra.
Sería una fuente ideal de energía aunque todavía no se ha logrado controlar de forma rentable.
Fuerzas fundamentales en la Naturaleza
Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza son cuatro:
−
Fuerza gravitatoria Responsable de la interacción gravitatoria
−
Fuerza electromagnética Responsable de la interacción eléctrica y magnética
−
Fuerza nuclear fuerte Responsable de que los componentes del núcleo se mantengan
unidos a pesar de tener los protones carga del mismo signo
−
Fuerza nuclear débil Responsable del decaimiento de partículas mas pesadas hacia
otras más ligeras (ejemplo la emisión de radiación β.
Las partículas portadoras de fuerza entre las que se encuentran:
−
Para la interacción gravitatoria se considera una partícula llamada gravitón su
existencia se predice aunque no está descubierta.
−
El fotón que es la partícula portadora en la interacción electromagnética.
−
La partícula portadora en la interacción nuclear fuerte se llama gluón.
−
Los bosones W , W y Z son los responsables de la interacción nuclear débil que es la
+
-
causante del decaimiento de los quarks
o de otras partículas en otras más
ligeras, por ejemplo la emisión de
radiación β.
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