Muchas veces, en nuestro vocabulario cotidiano, solemos confundir dos términos aparentemente iguales: fluorescencia y fosforescencia. Sin embargo, las diferencias, aunque sutiles, existen. Veamos la definición de cada término. Para finalizar, te contaremos por qué algunos objetos, como rosarios o carteles de emergencia, son capaces de brillar en la oscuridad, un fenómeno relacionado con la fosforescencia. ¿Nunca te preguntaste por qué brillan las estrellitas de plástico con las que se decoran las habitaciones de los niños? Asómbrate con la respuesta.
Fluorescencia
La fluorescenciaes la luminiscencia producida por determinados minerales cuando son expuestos a la acción de ciertos rayos (radiactivos, catódicos, visibles, ultravioletas, rayos X…). Estas radiaciones son transformadas y emitidas por el mineral en ondas de mayor longitud que de los rayos que habían incidido sobre él.
Fosforescencia
La fosforescenciaes la luminiscencia producida por un mineral durante un tiempo más o menos largo, después de que ha cesado la fuente de radiación excitadora.
¿Por qué algunos objetos brillan en la oscuridad?
Seguramente, habrás visto que algunos materiales tienen la curiosa propiedad de brillar en la oscuridad. Por ejemplo, los carteles de emergencia que se encuentran en las fábricas o en los colegios suelen brillar en la oscuridad para que operarios y estudiantes puedan verlos en cualquier situación, ya sea a plena luz del día, en la oscuridad de la noche o en apagones que puedan llegar a ocurrir.
Estos objetos, como muchos juguetes o artículos religiosos (rosarios, por ejemplo) suelen están recubiertos con una pintura especial que, cuando “se carga” en presencia de luz, emiten energía radiante en forma de luz visible una vez que se encuentren en la oscuridad. ¿Cómo será esto posible? ¿Por qué sólo sucede con algunos objetos y no con todos?
La respuesta está en, justamente, las sustancias que forman parte de la pintura que recubre el objeto. Estas sustancias son fosforescentes, lo que significa que -a diferencia de las sustancias fluorescentes- pueden brillar en la oscuridad tras un fenómeno particular que sucede en sus átomos. Sí, es hora de analizar la materia por dentro para comprender este curioso efecto.
Las sustancias con las que pintaron los carteles de emergencia que pueden brillar en la oscuridad están compuestas por átomos que tienen la particularidad de captar la energía lumínica que les incide y “excitar” sus electrones. Recordemos que los electrones, que giran alrededor del núcleo de un átomo, tienen un cierto nivel de energía particular, encontrándose en diferentes órbitas de acuerdo a su nivel energético.
Cuanto más energía presenta el electrón, éste se ubica en órbitas más alejadas del núcleo que tienen, justamente, un mayor nivel energético. Cuando la luz incide, los electrones se excitan y pasan a niveles energéticos más altos, como vemos en la figura 1 de a continuación.
Figura 1: la energía radiante incide sobre el pigmento fosforescente y excita los electrones, haciendo que estos pasen a niveles energéticos más altos.
Sin embargo, cuando la luz se apaga, estos electrones volverán a sus niveles energéticos iniciales, esos en los que se encontraban naturalmente cuando la luz no los excitaba. Al volver, la energía excedente contenida en ellos se libera en forma de luz al ambiente, como se observa en el modelo de la figura 2. Es decir, el cuerpo emitirá energía radiante en forma de luz cuando se encuentre en la oscuridad. Y es así como nuestro curioso objeto brillará en la oscuridad. ¡Muy interesante!
Figura 2: Sin la presencia de la energía radiante que incidía sobre el pigmento fosforescente, los electrones vuelven a sus niveles energéticos originales y la energía excedente es liberada en forma de energía lumínica.
Mesografía Sugerida
En el portal mexicano Crónica.com.mx, el doctor Carlos Eduardo Rodríguez García habla mucho más acerca de la historia de los materiales fosforescentes. Te sugerimos su lectura en http://www.cronica.com.mx/notas/2014/829950.html
Todos sabemos que el cigarrillo contiene cientos de sustancias nocivas para la salud y, como seguro habrás visto, existen miles de campañas para que su consumo sea cada vez menor. ¿Sabías que contienen sustancias radiactivas? Abramos paso al estudio de la radiactividad en los cigarrillos en este pequeño artículo que Ensamble de Ideas te trae en el día de hoy.
El uso de las conocidas imágenes y frases en los paquetes de cigarrillos redujo entre un 12% y un 20% el consumo de cigarrillos en la mayoría de los países en los que se aplicó la campaña.
La tierra en la que crece el tabaco se trata con fertilizantes fosfatados, que son ricos en uranio y sus productos de decaimiento.
¿Por qué el cigarrillo es radiactivo?
El producto formado, el radón-222, es un gas no reactivo (el radón es el único producto gaseoso en la serie de decaimiento del uranio). El radón-222 emana del radio-226 y está presente en altas concentraciones en los gases del suelo y en la capa de aire superficial bajo la capa de vegetación que provee el campo donde crece el tabaco. En esta capa, algunos de los descendientes del radón-222 como el polonio-218 o el plomo-214, se unen firmemente en la superficie y en el interior de las hojas del tabaco. Las reacciones sucesivas de decaimiento que llevan a la formación de plomo-210 radiactivo pueden llegar a un nivel considerablemente alto.
Durante la combustión de un cigarro, las pequeñas partículas de humo insoluble son inhaladas y depositadas en el tracto respiratorio del fumador y, por último, son transportadas y almacenadas en el hígado, bazo y médula ósea. Algunas mediciones han demostrado que existe un alto contenido de plomo-210 en esas partículas. El contenido de plomo-210 no es lo suficientemente alto para ser dañino químicamente, pero es peligroso por ser radiactivo. Un gran punto en contra para este producto. ¿Lo sabías?
Actividades
Ve el video presente en https://www.educ.ar/recursos/50902/tabaquismo del Canal Encuentro (perteneciente al Ministerio de Educación de la Nación Argentina) e intenta dar una respuesta a las preguntas que allí aparecen. ¿Por qué considerás que el tabaquismo es un problema que afecta a todos, en menor o mayor medida? ¿Qué relación existe entre tu respuesta y los conceptos de fumador pasivo y fumador activo?
En la medición del efecto de la radiación absorbida por el cuerpo humano o por un animal, se utiliza una unidad llamada sievert (Sv) o su submúltiplo milisievert (mSv) que equivalea 0,001 Sv. En términos de unidades más conocidas, 1 Sv es igual a la radiación de 1 Joule sobre una masa de 1 kg, teniendo en cuenta el tipo de radiación y la zona irradiada.
¿Cuánta radiación puede recibir una persona como máximo?
Para trabajadores expuestos ocupacionalmente a radiación ionizante, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) generalmente establece un límite anual de dosis efectiva de 20 millisieverts (mSv) promediados sobre cinco años, con un límite único de 50 mSv en cualquier año.
Para el público en general, el límite de dosis anual efectiva es significativamente más bajo, generalmente alrededor de 1 mSv al año. Este límite es mucho más bajo debido a la presunción de que el público no tiene la misma comprensión o control sobre la exposición a la radiación que los trabajadores expuestos ocupacionalmente.
Para pacientes sometidos a procedimientos médicos con radiación ionizante, los límites de dosis varían según el tipo de procedimiento y la parte del cuerpo expuesta. Los profesionales médicos hacen todo lo posible para minimizar la dosis de radiación mientras se obtienen los beneficios necesarios del procedimiento.
¿Pero cuánto es el valor promedio de radiación recibida por una persona, anualmente, en contacto con las fuentes de radiación cotidianas? Antes de detallar esto, te recomendamos leer el artículo dedicado a radiación haciendo click aquí. Aunque no lo creas, constantemente estamos expuestos a la radiación en nuestro día a día. Incluso nuestro propio cuerpo es una fuente de radiación. Algunos alimentos, como la leche o el café, son naturalmente radiactivos, pero la dosis liberada es tan baja que no es peligrosa en absoluto.
Entonces:
¿Cuánto es el valor promedio de radiación recibida por una persona, anualmente, en contacto con las fuentes de radiación cotidianas?
Fuentes de radiación natural y artificial
El cosmos nos irradia su propia radiación, llamada radiación cósmica, que nos llega a la Tierra. Esta radiación es la responsable de una dosis anual de 0,4 mSV, un poco menor que la propia radiación terrestre, de unos 0,5 mSv. Nuestro propio cuerpo es una fuente de radiación, con una dosis anual de tan sólo 0,2 mSv.
El ambiente nos da una dosis anual mucho mayor que las dichas anteriormente. El radón es un gas noble presente en el aire que se forma a partir de una serie de reacciones del uranio. La dosis anual de radiación por radón es de 1,3 mSv. Sumando todo, nos da una dosis anual de 2,4 mSv. Dependerá de las actividades de cada persona si recibirá más o menos. Por ejemplo, los radiólogos tienen un dosímetro en sus chaquetas que mide la cantidad de radiación recibida. Superado un valor límite, sería peligroso para ellos continuar con su labor.
Existen distintos estudios médicos en los que recibimos radiación. Una radiografía de tórax equivale a 1 mSv aproximadamente. Por ello, los radiólogos se “ocultan” detrás de una pared que contiene plomo durante la fotografía, de forma tal que esa radiación no les llegue.
La medicina nuclear y la radiación en el organismo
La radiación se usa mucho en medicina, para destrucción selectiva intencional de tejidos, como tumores. Los riesgos son considerables, pero si la enfermedad resulta mortal sin tratamiento, todo riesgo es preferible. Los isótopos producidos en forma artificial se usan con frecuencia como fuentes de radiación.
Esos isótopos tienen varias ventajas sobre los isótopos radiactivos naturales. Pueden tener vidas medias más cortas, y una actividad mayor, en forma correspondiente. Se pueden elegir isótopos que emitan la clase de radiación que se desee. Algunos isótopos artificiales se han sustituido por haces de fotones y electrones producidos en aceleradores lineales.
La medicina nuclear es un campo de aplicación en expansión. Los isótopos radiactivos tienen casi las mismas configuraciones electrónicas y el comportamiento químico que los isótopos estables del mismo elemento. Pero la ubicación y concentración de los isótopos radiactivos se puede detectar fácilmente con mediciones de la radiación que emiten. Un ejemplo conocido es el uso de yodo (I) radiactivo en estudios de tiroides. Casi todo el yodo que se ingiere se elimina o se almacena en la tiroides, y las reacciones químicas en el organismo no discriminan entre el isótopo inestable 131I y el estable 127I.
Una cantidad diminuta de 131I se alimenta o inyecta en el paciente, y la rapidez con que se concentra en la tiroides es una medida de la función de ella. La vida media es 8,02 días, por lo que no hay riesgos duraderos de radiación. Al usar detectores de barrido más complicados también se puede obtener una imagen de la tiroides, que revela agrandamientos y otras anormalidades.
Este procedimiento es una clase de autorradiografía, comparable a fotografiar el filamento incandescente de una bombilla eléctrica usando la luz emitida por el mismo filamento. Si este proceso descubre nódulos cancerosos en la tiroides, se pueden destruir usando cantidades mucho mayores de 131I.
Otro núclido útil en la medicina nuclear es el tecnecio-99 (99Tc), formado en un estado excitado por el decaimiento β– del molibdeno (99Mo). El tecnecio decae en su estado fundamental emitiendo un fotón de rayo γ con 143 keV de energía. La vida media es 6,01 horas, excepcionalmente larga para una emisión gamma. (El estado fundamental del 99Tc también es inestable y su vida media es de 2,11 x 105 años; decae por emisión β–al núclido estable de 99Ru.)
La química del tecnecio es tal que se puede fijar con facilidad a moléculas orgánicas que se absorben en diversos órganos del cuerpo. Una pequeña cantidad de esas moléculas portadoras del tecnecio se inyecta a un paciente, y para producir una imagen se usa un detector de barrido, o cámara gamma; la imagen producida se llama scintigrama o escintigrama, y revela qué partes del cuerpo absorben esta molécula emisora γ. Esta técnica, en la cual el 99Tc funciona como trazador radiactivo, desempeña un papel importante en la localización de cánceres, embolias y otros cuadros patológicos.
Las técnicas del trazador tienen muchas otras aplicaciones. El tritio (3H), un isótopo radiactivo del hidrógeno, se usa para marcar moléculas en reacciones orgánicas complejas; las marcas radiactivas en moléculas de plaguicida, por ejemplo, pueden usarse para rastrear su paso en las cadenas alimenticias. En el mundo de la maquinaria se puede usar hierro radiactivo para estudiar el desgaste de pistones. Hasta los fabricantes de detergentes para lavandería han probado la eficacia de sus productos usando mugre radiactiva.
También hay muchos efectos de la radiación que son útiles, como el fortalecimiento de polímeros por enlazamientos cruzados, esterilización de utensilios quirúrgicos, dispersión de electricidad estática indeseable en el aire, así como ionización intencional del aire en detectores de humo. También se están usando los rayos gamma para esterilizar y preservar algunos productos alimenticios.
En alimentos, la irradiación es un método de conservación comparable al frío o el calor. Consiste en exponer el alimento a la acción de las radiaciones ionizantes durante un cierto lapso, que es proporcional a la cantidad de energía que deseemos que aquel absorba. De acuerdo con la energía entregada, se pueden lograr distintos efectos: retardar o inhibir la brotación de papas, cebollas y ajos, descontaminar hierbas y especias, retardar la maduración de frutas tropicales, demorar la senescencia de champiñones y espárragos, eliminar microorganismos de diversas frutas y verduras. Todo ello sin afectar la calidad de los alimentos. Esto último es muy importante ya que la creencia popular tiende a pensar que si un alimento fue irradiado, al ingerirlo estamos recibiendo radiactividad. En realidad, cuando se dispone a consumir estos alimentos, ya no queda nada de radiación.
Por otro lado, a menudo se difunde información sobre los riesgos por exposición a la radiación, a largo plazo, como causa de diversos cánceres y defectos genéticos, y se ha debatido ampliamente el asunto de si hay algún nivel “seguro” de exposición a la radiación. Estudios recientes sugieren que las exposiciones, aunque sean extremadamente pequeñas, causan riesgos; pero es muy difícil reunir estadísticas confiables sobre los efectos de dosis bajas. Se ha aclarado que todo uso para diagnóstico en medicina debe estar precedido por una estimación muy cuidadosa del riesgo en relación con el posible beneficio.
Otro asunto muy debatido es el de los riesgos de radiación por las centrales eléctricas nucleares. El nivel de radiación causado por ellas no es despreciable. Sin embargo, para hacer una evaluación racional de los riesgos, debemos comparar esos niveles con las alternativas, como las centrales eléctricas alimentadas por carbón. Los riesgos a la salud del humo del carbón son graves y están bien documentados, y se cree que la radiactividad natural en ese humo es unas 100 veces mayor que el de una central nuclear que funcione en forma correcta, de igual capacidad. Pero la comparación no es tan simple; también hay que considerar la posibilidad de un accidente nuclear y el grave problema de desechar de manera segura los residuos radiactivos de las plantas nucleares. Es claramente imposible eliminar todos los riesgos para la salud. La meta debería ser tratar de adoptar una actitud racional hacia el problema de minimizar el riesgo de todas las fuentes. La radiación ionizante es una espada de dos filos: impone riesgos muy graves para la salud pero también brinda muchos beneficios a la humanidad, incluyendo diagnósticos y tratamientos de enfermedades y una gran variedad de técnicas analíticas.
Al examinar la cadena de desintegración del 238U, vemos que la vida media del uranio, vemos que la vida media del 222Rn es de 3,82 días. El radón de A = 222 se produce en forma continua, por el decaimiento del 226Ra, que existe en cantidades diminutas en las rocas y el suelo sobre los que se construyen las casas. Es un caso de equilibrio dinámico, donde la cantidad de producción es igual a la cantidad de decaimiento.
Como se observa en el gráfico anterior, un riesgo serio para la salud en algunas áreas es la acumulación del 222Rn en las casas; es un gas inerte, incoloro, inodoro y radiactivo. La razón por la que el 222Rn constituye un mayor riesgo que los demás elementos de la serie de desintegración del 238U es que es un gas. Durante su corta vida media de 3,82 días puede migrar del suelo y penetrar en casas. Si un núcleo de 222Rn se desintegra en los pulmones, emite una partícula α dañina, y su núcleo derivado, el 218Po, que no es químicamente inerte y probablemente permanezca en los pulmones hasta que se desintegre, emite otra partícula α dañina recorriendo la serie radiactiva del 238U.
La intensidad de la radiación depende del número de desintegraciones, así como de la energía y del tipo de la radiación emitida. El efecto biológico de la radiación depende de la parte del cuerpo irradiado y del tipo de radiación. De los tres tipos de radiación nuclear, las partículas alpha tienen el menor poder de penetración y son, por lo tanto, las menos dañinas desde el punto de vista biológico. Las partículas beta penetran más que las alpha, pero menos que los rayos gamma. Sin embargo, si se ingieren emisores α o β, sus efectos nocivos se agravan de manera notable porque los órganos están constantemente sujetos a la radiación dañina a muy corto alcance. Por ejemplo, el estroncio-90, un emisor β, puede reemplazar el calcio de los huesos, donde provoca mayor daño.
Cuando el agua se irradia con rayos gamma, se llevan a cabo las siguientes reacciones:
El electrón (en su forma hidratada) puede reaccionar subsecuentemente con el agua o con un ion hidrógeno para formar hidrógeno atómico, y con el oxígeno para producir el ion superóxido, O2–:
En los tejidos, los iones superóxido y otros radicales libres atacan las membranas celulares y una gran variedad de compuestos orgánicos, como enzimas y moléculas de ADN. Los compuestos orgánicos, por supuesto, pueden ser ionizado directamente y destruidos por la radiación de alta energía.
Desde hace mucho tiempo, se ha sabido que la exposición a la radiación de alta energía puede inducir cáncer en los humanos y en otros animales. El cáncer se caracteriza por el crecimiento celular incontrolado. Por otra parte, también está bien establecido que el cáncer puede ser destruido por radiación con un tratamiento apropiado. En la radioterapia debe buscarse una conciliación. La radiación a la que está expuesto el paciente debe ser suficiente para destruir las células de cáncer sin matar demasiadas células normales, con la esperanza de no inducir otra forma de cáncer.
El daño por radiación a los sistemas vivos se clasifica generalmente como somático o genético. Los daños somáticos son aquellos que afectan al organismo durante su vida. La quemaduras de Sol, las erupciones de la piel, el cáncer y las cataratas son ejemplos de daños somáticos. Los daños genéticos se refieren a cambios heredados o a mutaciones de los genes. Por ejemplo, una persona cuyos cromosomas han sido dañados o alterados por acción de su exposición a la radiactividad puede tener descendientes deformes.
Curiosidades:
Fuentes de radiación comunes: Porcentaje de las fuentes de radiactividad a las que un humano promedio está sometido diariamente, en Estados Unidos. El 82% del total corresponde a radiación de origen natural. El 18% restante es por actividad humana.
Si quieres saber más sobre ciencias o te gustan las curiosidades, te animamos a que conozcas nuestro canal de YouTube, en el podrás encontrar información valiosa y entretenida.
Hoy hablaremos de la Fisión y Fusión Nuclear. Bajo ciertas condiciones muy especiales, que se verán en pocos minutos, las partículas pueden comportarse de una manera poco usual, combinándose o separándose. En estos fenómenos, el intercambio de energía con el exterior puede ser magnífico.
Un ejemplo, para comenzar, será recordar los populares casos de las bombas de Hiroshima en Japón. ¿Qué piensas que sucedió? ¿Por qué fue tan catastrófico? Hace 69 años, en la ciudad de Hiroshima (al Oeste de Japón), durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos arrojó una bomba que acabó inmediatamente con la vida de 80.000 personas, número que luego aumentó a 140000 con el correr de los días. Días después lanzó una segunda bomba que determinó el fin de la Segunda Guerra Mundial.
¿De dónde provino tanta energía? La respuesta a esta pregunta radica en las reacciones nucleares, en especial de la energía liberada cuando las mismas ocurren.
¿Qué son las reacciones nucleares?
Las reacciones nucleares son reacciones en las que las partículas subatómicas o los núcleos atómicos atraviesan un proceso de transformación o de combinación).
La Fisión Nuclear
A esta altura del informe, se tienen los conocimientos necesarios para comprender la fisión nuclear. En ella, un núcleo pesado (A > 200) se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energía. Con la fisión nuclear, se obtienen entonces dos núcleos más livianos, energía y tres neutrones que continúan el proceso, provocando una reacción en cadena. Este tipo de reacciones es el que se utiliza en las centrales nucleares de energía.
Fisión Nuclear. La partícula n es un neutrón que incide sobre una partícula grande AB. Al hacerlo, AB se descompone en A y B, partículas más sencillas, junto con varios neutrones.
Un ejemplo de fisión nuclear está dado por la siguiente reacción (siendo E la energía liberada):
La tasa de fisión espontánea es un concepto clave en el estudio de la física nuclear. Se refiere a la velocidad a la que los núcleos atómicos se desintegran de forma natural, dividiéndose en fragmentos más pequeños y liberando energía en el proceso.
Esta tasa varía según el isótopo o elemento nuclear en cuestión y es un indicador fundamental de su estabilidad. Los isótopos con una alta tasa de fisión espontánea tienden a ser inestables y radioactivos, lo que los hace útiles en aplicaciones como la generación de energía en plantas nucleares y en la datación radiactiva en geología y arqueología. Este concepto es útil para diversos campos, desde la investigación en física nuclear hasta aplicaciones prácticas en la producción de energía y métodos científicos de datación.
La Fusión Nuclear
Por otra parte, bajo ciertas condiciones (por ejemplo, temperaturas altísimas), es posible producir la fusión nuclear. En ella, dos núcleos se unen y forman uno más pesado. Por ejemplo, dos núcleos de hidrógeno pueden fusionarse y formar uno de helio.
Este proceso está siendo considerado y ensayado para la producción de energía en las centrales nucleares: la energía liberada en ambos tipos de reacciones es superlativa (se observa en el hecho de que una tonelada de combustible nuclear produce la misma cantidad de energía que 146.296 toneladas de carbón). Varios científicos se dedicaron a estudiar este asunto para explicar la notoria diferencia. Albert Einstein[note] Albert Einstein (1879-1955) fue un físico de origen alemán, nacionalizado posteriormente suizo y estadounidense. Ganó el Premio Nobel de Física en 1921.[/note] comprobó que en las reacciones nucleares no se conserva la masa.
Tanto en la fisión nuclear como en la fusión nuclear, la masa de los productos es menor que la de los núcleos que reaccionan. Esta diferencia se libera como energía en las radiaciones de acuerdo a la famosa fórmula E = mc² donde c es la velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s). En las reacciones químicas comunes también hay una pequeña cantidad de masa que se convierte en energía.Pero es tan ínfima que resulta despreciable y puede considerarse válida la Ley de la Conservación de la masa de Lavoisier[note]Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) fue un químico francés, uno de los protagonistas principales de la revolución científica.[/note].
Dos partículas A y B se fusionan formando una partícula más compleja AB.
Un ejemplo de fusión nuclear es el siguiente:
Conclusión
Dijimos que, en el estudio de la física nuclear, encontramos dos fenómenos fundamentales: la fisión y la fusión nucleares. La fisión nuclear implica la división de un núcleo atómico en fragmentos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Sin embargo, las fisiones espontáneas naturales son poco frecuentes debido a un fenómeno conocido como inestabilidad nuclear, que regula la tasa de estos eventos en la naturaleza.
Por otro lado, la fusión nuclear es el proceso opuesto, donde dos núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más grande, liberando energía en el proceso. En las estrellas, como nuestro sol, se producen constantemente fusiones espontáneas, lo que genera la energía necesaria para mantener su brillo y calor.
Es importante comprender que la tasa de fisión espontánea nos permite conocer la estabilidad de un isótopo o elemento nuclear. Este conocimiento es fundamental en diversas áreas, desde la generación de energía en plantas nucleares hasta la investigación en física de partículas.
El campo de la química nuclear sería algo estrecho si el estudio se limitara a los elementos radiactivos naturales. Un experimento llevado a cabo por Rutherford en 1919, sin embargo, sugirió la posibilidad de observar la radiactividad artificial. Cuando una muestra de nitrógeno se bombardeó con partículas alpha, se llevó a cabo la siguiente reacción:
Se produjo un isótopo de oxígeno-17 con la emisión de un protón.
La reacción presentada puede abreviarse como:
Puede observarse que la partícula que se bombardea se escribe primero en el paréntesis y después la partícula que se emite. En este caso, se bombardea con partículas alpha o Helio-4 y se emite un protón, de carga eléctrica positiva.
Esta reacción demostró por primera vez la posibilidad de convertir un elemento en otro (es decir, la llamada transmutación nuclear.
Las transmutaciones nucleares difieren del decaimiento radiactivo en que la última es un proceso espontáneo; en consecuencia, en las ecuaciones de descomposición sólo aparece un reactivo en el lado izquierdo de la ecuación.
Aunque los elementos ligeros generalmente no son radiactivos, pueden serlo si se bombardea sus núcleos con partículas apropiadas. El isótopo radiactivo de 14C, por ejemplo, puede prepararse bombardeando nitrógeno-14 con neutrones. Este proceso se explicará más detalladamente en el próximo eje porque será de vital importancia para la comprensión de los temas a tratar.
Por su parte, el tritio, hidrógeno de A = 3, se prepara mediante el siguiente bombardeo:
El tritio se descompone con la emisión de partículas β:
Muchos isótopos sintéticos se preparan usando neutrones como proyectiles. Esto es particularmente conveniente porque los neutrones no llevan cargas y por lo tanto no son repelidos por los núcleos. La situación es diferente cuando los proyectiles son partículas cargadas positivamente; por ejemplo, cuando se utilizan protones o partículas α, como en:
Como se observa en la ecuación, el alumninio-27 es “bombardeado” con partículas alpha, también llamadas helio-4, realizando una transmutación nuclear que da origen a una partícula de fósforo-30, liberando un neutrón.
Para reaccionar con el núcleo de aluminio, las partículas alpha deben tener una considerable energía cinética para poder superar la repulsión electrostática entre ellas mimas y los átomos blancos del bombardeo.
Te recomendamos la lectura previa de los primeros tres artículos de la serie Radiactividad:
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Fuentes:
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
El tiempo de vida media o “semivida” T1/2 es el tiempo necesario para la que al cantidad de núcleos radiactivos disminuya hasta la mitad del número original N0. Así, la mitad de núcleos radiactivos que restan se desintegrará durante un segundo intervalo T1/2 y así sucesivamente.
Para obtener la relación entre la vida media T1/2 y la constante de decaimiento λ, se iguala N(t)/N0 = ½, y t = T1/2 en la ecuación exponencial (*) y el resultado es:
Sacando logaritmos de ambos lados y despejando T1/2, tenemos que:
La duración promedio, o vida media Tmedia, que en general se llama tiempo de vida de un núcleo o partícula inestables es proporcional a la vida media T1/2:
(tiempo de vida Tmedia, constante de decaimiento λ y vida media T1/2)
En la física de partículas, la vida de una partícula inestable se describe en general por el tiempo de vida, y no por la vida media.
Tiempo de vida media de algunas partículas.
Con estas ecuaciones no demasiados complejas, es posible determinar cuál será la vida media de los núclidos que se investiguen. La siguiente tabla muestra datos sobre los núclidos más usuales:
TIPO DE EMISIÓN RADIACTIVA Y T1/2 DE ALGUNOS RADIOISÓTOPOS
NÚCLIDOS
T1/2
PARTÍCULA EMITIDA
3H
12,26 años
β–
14C
5.730 años
β–; γ
32P
14,3 días
β–
35S
88 días
β–
NÚCLIDOS
T1/2
PARTÍCULA EMITIDA
36Cl
3,1 x 105 años
β–; β+
99Tc
2,2 x 105 años
β–
131I
8,070 días
β–
87Rb
5 x 1011 años
β–
40K
1,28 x 109 años
β–; β+; Captura de e–
238U
4,51 x 109 años
α
235U
7,1 x 108 años
α
234U
200.000 años
α
239Pu
24.000 años
α; γ
137Cs
30 años
β; γ
60Co
5 años
β; γ
143Ba
12 segundos
β
213Po
4 x 10-6 segundos
α
Te recomendamos la lectura previa de los primeros tres artículos de la serie Radiactividad:
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Fuentes:
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
Distintas investigaciones posteriores a las de Marie y Pierre Curie demostraron que estas tres radiaciones no eran emitidas simultáneamente por todas las sustancias radiactivas. Algunos elementos emiten partículas alpha, otras partículas beta, mientras que los rayos gamma acompañan unas veces a las unas y otras veces a las otras. Además, ningún proceso sencillo macroscópico, físico o químico, como elevación o disminución de temperatura, combinación química con otras sustancias no radiactivas, etc., puede modificar o alterar de ninguna forma la actividad de una muestra dada. Fue esta observación la que dio origen a la hipótesis inicial de que la radiactividad es un proceso nuclear y que, como se ha mostrado, conlleva a la transmutación de los elementos, tema al que se volverá cuando se desarrolle aquí la radiactividad artificial.
Si hiciéramos una gráfica de los núclidos estables indicándolos con puntos, donde se grafiquen N y Z para cada núclido, obtendríamos la llamada Gráfica de Segré[note]Emilio Segré fue un físico ítalo-estadounidense nacido en 1905 y fallecido en 1989.[/note].
Gráfica de Sagré de los núclidos estables.
Figura 1[note]From: Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics. Estados Unidos: Addison-Wesley. [/note].
Cada línea azul perpendicular a la línea N = Z representa un valor específico del número de masa A = Z + N. La mayor parte de las líneas de A constante sólo pasan por uno o dos núcleos estables; esto es, en general hay un intervalo muy pequeño de estabilidad para determinado número de masa. Son ejemplos las líneas trazadas en los siguientes números másicos: A = 20, A = 40, A = 60 y A = 80. En cuatro casos, las líneas pasan por tres núclidos estables, que son con A = 96, 124, 130 y 136. Nuestros cuatro núclidos estables tienen Z impar y N impar, al mismo tiempo:
Se llaman núclidos impar-impar. La ausencia de otros núclidos impar-impar demuestra la influencia del apareamiento. Además, no hay núclido estable con A = 5 o A = 8. El núcleo 4He con Z = 2, con un par de protones y un par de neutrones, no tiene interés en aceptar una quinta partícula en su estructura. Los conjuntos de ocho nucleones decaen en núclidos menores, y un núcleo de berilio con A = 8 y Z = 4 decae de inmediato, dividiéndose en dos núcleos de 4He con Z = 2.
Los puntos de la gráfica de Segré que representan núclidos estables definen una región relativamente delgada de estabilidad. Para bajos números de masa, las cantidades de protones y neutrones son aproximadamente iguales, N ≈ Z. La relación N/Z aumenta en forma gradual al aumentar A, hasta aproximadamente 1,6 a números de masas más grandes, debido a la influencia creciente de la repulsión eléctrica de los protones. Los puntos a la derecha de la región de estabilidad representan núclidos que tienen demasiados protones en relación con los neutrones, para ser estables. En esos casos gana la repulsión, y el núcleo se divide. A la izquierda están los núclidos con demasiados neutrones en relación con los protones. En esos casos, la energía asociada con los neutrones está desbalanceada con la asociada a los protones, y los núclidos decaen en un proceso que convierte los neutrones en protones. La gráfica muestra también que no hay un núclido con A > 209 o con Z > 83 que sea estable. Un núcleo es inestable si es demasiado grande. También se observa que no hay núclido estable con un número atómico igual a 43 (tecnecio) o 61 (prometio).
Por tanto, la energía potencial eléctrica (positiva) del núcleo aumenta aproximadamente como Z2, mientras que el aumento de la energía potencial nuclear (negativa) es alrededor de A, con correcciones para los efectos del apareamiento. Así, la competencia entre las fuerzas eléctrica y nuclear explica el hecho de que la razón entre protones y neutrones en núcleos estables aumente con Z, y también de que exista un A máximo (y un Z máximo) para la estabilidad. Con mayor A, la energía eléctrica por nucleón crece más deprisa que la energía nuclear por nucleón, hasta alcanzar el punto en el que la estabilidad es imposible.
Como se ha nombrado anteriormente, una serie de decaimiento es la secuencia de desintegración por pasos comenzando con un núcleo radiactivo original. El esquema de la figura 2 se conoce como la serie de decaimiento del Uranio.
Los sismos se deben en parte al decaimiento radiactivo del 238U en el interior de la Tierra. Los decaimientos liberan energía que contribuye a producir corrientes de convección en el interior. Esas corrientes provocan movimientos en la corteza terrestre, incluyendo las sacudidas fuertes y súbitas que llamamos sismos.
Una forma molecular llamada hidrógeno molecular protonado, H3+, se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la ionización del hidrógeno molecular provocada por los rayos cósmicos. Esta molécula es relativamente estable en el medio del espacio exterior debido a las bajas temperaturas y densidad. El H3+ es uno de los iones más abundantes del universo, y juega un rol notable en la química del medio interestelar.
Es posible que se presente una serie de decaimientos sucesivos, hasta alcanzar una configuración estable. En la naturaleza se encuentran varias series de ésas. El núclido radiactivo más abundante en la Tierra es el 238U, que sufre una serie de 14 desintegraciones, incluyendo ocho emisiones α y seis emisiones β–, y termina en un isótopo estable de plomo, 206Pb.
Una serie de desintegraciones radiactivas se puede representar en una gráfica de Segré, como se observa arriba. El número de neutrones N se grafica verticalmente y el número atómico Z horizontalmente. En una emisión alpha, tanto N como Z disminuyen en dos. En una emisión β–, N disminuye en uno y Z aumenta en uno.
Las desintegraciones también se pueden representar en forma de ecuación. Los dos primeros decaimientos en la serie se escriben como sigue:
O de forma más abreviada como:
En el segundo proceso, el decaimiento beta produce el núcleo derivado 234Pa en un estado excitado, desde donde decae al estado fundamental emitiendo un fotón de rayo gamma. Un estado excitado se indica con un asterisco, por lo que la emisión gamma se puede representar como sigue:
Una propiedad importante de la serie de decaimiento de 238U es la ramificación n que se presenta en el 214Bi. Este núclido decae a 210Pb emitiendo una α y una β–, lo cual puede suceder en cualquier orden. También se observa que en la serie hay isótopos inestables de varios elementos que también tienen isótopos estables, como el talio (Tl), plomo (Pb) y bismuto (Bi). Los isótopos inestables de esos elementos que hay en la serie 238U tienen todos demasiados neutrones para ser estables.
Se conocen muchas otras series de desintegración. Dos de ellas existen en la naturaleza: una comienza con el raro isótopo 235U y termina en 207Pb; la otra comienza con el torio (232Th) y termina en el 208Pb.
La tasa de decaimiento varía dentro de un margen extremadamente amplio, para diferentes núclidos. Ningún cambio en el ambiente físico o químico (por ejemplo, reacciones químicas, calentamiento o enfriamiento) afecta la rapidez de decaimiento. No hay forma de predecir cuándo se desintegrará determinado núcleo.
¿Cómo hallar la cantidad de núcleos restantes en una desintegración radiactiva?
No obstante, es posible estimar la cantidad de núcleos restantes, llamada N(t) en una desintegración en función del tiempo, a partir de una función exponencial sencilla donde se tiene en cuenta valores como un N0= N(0) y un λ que se llama constante de decaimiento, constante radiactiva o coeficiente de decaimiento, teniendo éste distintos valores para núclidos diferentes:
Te recomendamos la lectura previa de los primeros dos artículos de la serie Radiactividad:
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. (6ta Edición, 1988). University Physics, pp. 1040-1048, pp. 1064-1065. Estados Unidos: Addison-Wesley.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
El artículo se desarrollará a partir de importantes ejes: la descripción de radiactividad natural y radiactividad artificial, sus usos en las ciencias modernas mundiales y losefectos que produce la radiactividad en el ser humano. Se irán presentando, a veces superponiendo unos con otros, a medida que se considere necesario detallarlos y explicarlos para la comprensión de los ejes temáticos como una totalidad. No obstante, la didáctica es sólo una notación al margen utilizada para transmitir la gran diversidad de temas tratados y disminuir la complejidad que pueden presentar, en un intento de realizar una transposición acorde al nivel de los lectores.
Seguramente el lector tiene conocimiento de la existencia de partículas subatómicas que forman a los átomos: los protones, los neutrones y los electrones. Los protones, de carga positiva, se encuentran concentrados en una zona central o núcleo atómico junto con los neutrones[note]Te recomendamos la lectura previa de esta entrada: partículas subatómicas[/note].
Ahora bien, si se tiene en cuenta que todos los protones poseen carga positiva, no sería tan errado pensar que se repelen entre sí. Sin embargo, en la mayoría de los átomos esto no sucede. ¿Por qué? Porque en el núcleo existen fuerzas de atracción muy fuertes, llamadas Fuerzas Hadrónicas, que mantienen unidos a protones y neutrones. Concluimos que las fuerzas de repulsión resultan mucho más débiles.
No obstante, esto es así en la mayoría de los casos, pero no en todos. Algunos átomos tienen núcleos inestables donde las fuerzas de repulsión superan las de atracción. Entonces, estos núcleos se desintegran espontáneamente y, consecuentemente, liberan energía.
La radiactividad en la historia
La primera evidencia de estas desintegraciones nucleares fue la existencia de las denominadas radiaciones. En el presente informe, nos ocuparemos de estudiar este fenómeno denominado radiactividad.
Tomaron un papel muy importante en el estudio de dicho fenómeno científicos como los franceses Antoine-Henri Becquerel (1852 – 1908, comprobó que ciertas sales de uranio[note]En el transcurso de los artículos se darán todos los detalles necesarios sobre las propiedades de los elementos radiactivos por excelencia.[/note] emiten radiaciones sin necesidad de recibir ningún aporte de energía externo, como la luz solar) y Pierre Curie (1859 – 1906) y de su esposa Marie Sklodowska de Curie (1867 – 1934). Estos últimos verificaron las propiedades del uranio y también descubrieron otros dos elementos que emitían radiaciones: el polonio y el radio.
Descubriremos los secretos de uno de los fenómenos más sorprendentes descubiertos en el área de la físico-química, deteniéndonos en sus propiedades, efectos y usos hoy en día.
Al estudiar la fluorescencia y la fosforescencia de compuestos irradiados con luz visible, Antoine Henri Becquerel[note]Te recomendamos la lectura previa de esta entrada: partículas subatómicas[/note] realizó, en 1896, un experimento crucial que condujo a un conocimiento más profundo de las propiedades del núcleo del átomo. Después de iluminar con luz visible algunas muestras de Sulfato de Uranio (UO2SO4) y Sulfato de Potasio (K2SO4), Becquerel las envolvió en papel negro e interpuso una moneda de plata entre el paquete y una placa fotográfica. Tras varias horas de exposición, se reveló la placa fotográfica y presentó un ennegrecimiento causado por algo que tenía que haber sido emitido por el compuesto y que podía atravesar el papel negro y la plata.
Ernest Rutherford demostró posteriormente que las emanaciones emitidas por el Sulfato de Uranio podían ionizar el aire del espacio entre dos láminas metálicas con carga opuesta (posteriormente, un dispositivo con tales características sería llamado cámara de ionización). La corriente registrada por un galvanómetro[note]El galvanómetro es un instrumento que se usa para detectar y medir la corriente eléctrica.[/note] en serie con el circuito fue considerada como una medición de la actividad del compuesto.
Un estudio sistemático de la actividad de varios elementos y compuestos llevó a Maria Sklodowska-Curie[note]Nacida el 7 de noviembre de 1867 y fallecida el 4 de julio de 1934, fue una química y física de origen polaco, aunque luego obtuvo la nacionalidad francesa. Fue la primera científica en recibir dos Premios Nobel (el de Física en 1903 y el de Química en 1911) y la primera mujer en ser profesora de la Universidad de París.[/note] a la conclusión de que esta actividad era un fenómeno atómico; por los métodos del análisis químico, ella y su esposo, Pierre Curie[note]Nacido en París, Francia, el 15 de mayo de 1859, ganó el Premio Nobel de Física en 1903, compartido con su esposa Marie Curie, gracias a sus investigaciones sobre la radiación.
Falleció en la mañana del 19 de abril de 1906 debido a un accidente que le ocasionó graves fracturas craneanas.[/note], encontraron que la “capacidad ionizante” o “actividad” estaba asociada no sólo al uranio, sino también a otros dos elementos descubiertos por ellos, el Radio y el Polonio. La actividad del radio resultó ser más de un millón de veces la del uranio. Desde los tiempos precursores de los Curie, se han descubierto muchas más sustancias radiactivas.
Marie y Pierre Curie. Quienes estudiaron a fondo la radiactividad.
El fenómeno de la radiactividad
Radiactividad: ¿qué es?
Para comenzar a describirlas, es importante mencionar que entre unos 2.500 núclidos (cada una de las posibles agrupaciones de partículas subatómicas contenidas en el núcleo: los protones, de carga positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica) conocidos, menos de trescientos son estables. Los demás son estructuras inestables que se desintegran para formar otros núclidos, emitiendo partículas y radiación electromagnética. Este proceso, que como se ha mencionado en los párrafos anteriores fue descubierto por Becquerel y estudiado profundamente por los Curie, es llamado radiactividad. La escala de tiempos de esos procesos de decaimiento va desde una pequeña fracción de microsegundo (denotado μs, millonésima parte de un segundo, igual a 10-6 s) hasta miles de millones de años.
La experiencia muestra que los que núcleos que tienen más de 83 protones, tienden a ser inestables. La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o de radiación electromagnética, o de ambas, que sufren esos núcleos inestables. Los principales tipos de radiación son las partículas α (o núcleos de helio con doble carga, He+2), las partículas β (o electrones) y los rayos γ, que son ondas electromagnéticas de longitud de onda muy corta (de 0,1 mm a 10-4 nm). En breve, nos ocuparemos especialmente de cada uno.
Serie de decaimiento radiactivo
Cuando un núcleo radiactivo se desintegra, los productos formados también pueden ser inestables y por lo tanto sufrirán una desintegración posterior. Este proceso se repite hasta que finalmente se forma un producto estable. Comenzando con el núcleo radiactivo original, la secuencia de desintegración por pasos se conoce como serie de decaimiento. Cuando se habla de los pasos del decaimiento radiactivo, el isótopo radiactivo inicial se llama a veces el “padre” o “progenitor”, en tanto que el producto se conoce como el “descendiente”.
Casi el 90% de los 2500 núclidos conocidos son radiactivos; no son estables, sino que se desintegran y forman otros núclidos. Cuando los núclidos inestables decaen y forman diferentes núclidos, suelen emitir partículas α, β o rayos γ.
Las investigaciones de Becquerel y Marie y Pierre Curie abrieron las puertas a un fascinante e importantísimo mundo donde cada descubrimiento sería el inicio a un futuro donde las transmutaciones nucleares, el fechado de obras arqueológicas, la datación de materiales geológicos, prevención y cura de enfermedades, entre otros usos, serían posibles. Esos adelantos científicos son nuestra realidad de hoy en día y son el producto de décadas de estudio arduo acerca del gran fenómeno de la radiactividad.
Como se ha visto, algunos átomos tienen núcleos inestables donde las fuerzas de repulsión superan a las de atracción. Entonces, estos núcleos se desintegran espontáneamente y, al “romperse”, liberan energía.
Usos de la radiactividad
Las primeras luces que se veían en el horizonte del mundo del conocimiento sobre las reacciones nucleares, que incluía temas tan complejos y variados como la comprensión de las emisiones radiactivas (rayos α, β y γ), el estudio de las semividas de los radioisótopos, sus consecuentes aplicaciones en la biotecnología del mundo moderno, la obtención de energía a partir de las plantas nucleares, etc.
Es emocionante descubrir los mil y un usos benéficos de este gran fenómeno y la tonelada de investigaciones que recibió post-descubrimiento; asimismo es triste observar que años de estudio acerca de la reactividad, procesos químicos nucleares y física nuclear se utilicen para la realización de bombas, armas bélicas y destrucción.
Pero las investigaciones no acaban aquí. Aún hay mucho por descubrir y la comunidad científica estará abierta a recibir las relevantes noticias.
Te invitamos a leer el texto presente en https://www.educ.ar/recursos/113670/marie-curie-y-el-descubrimiento-del-radio de la página web educ.ar , del Ministerio de Educación de la Nación Argentina. Escribe, en forma de lista, 10 ítems que mencionen los descubrimientos más sobresalientes de Marie Curie en la historia de la ciencia que allí aparezcan.
Fuentes
Chang, Raymond (4ta. Edición. 1992). Química, p. 40, pp. 561-562, pp. 962-969, pp. 982-985. Chile: Editorial Mc. Graw Hill.
Franco, Ricardo; Arriazu, Francisco López; Serafini, Gabriel D. (2008). Física y Química. (Intercambios de energía. Estructura y transformaciones de la materia.), pp. 161-164. Buenos Aires, Argentina: Editorial Santillana.
Rolando, Aída; Jellinek, Mario René (Febrero, 1995). Química 4, pp. 441-460. Bogotá, Colombia: A-Z Editora.
Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (12da. Edición. 2009). Física Universitaria, con física moderna (Volumen 2), pp. 1478-1492. México: Pearson Educación.
