INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICAUNIDAD PROFESIONAL TICOMN

Quimica

Radioactividad

4/12/2012

RADIOACTIVIDADLa radioactividad es un fenmeno que ocurre en los ncleos de ciertos elementos (radioistopos) que, al ser inestables, son capaces de transformarse en ncleos de tomos de otros elementos, por medio de desintegraciones radiactivas. Este proceso libera grandes cantidades de energa, en forma de radiaciones electromagnticas, como rayos X o rayos gamma, o en emisiones de partculas, como ncleos de helio, electrones (rayos beta), positrones, protones u otras. Esta radiacin es capaz de ionizar la materia, al extraer los electrones ligados a los tomos. La energa liberada al cambiar de forma puede detectarse con un contador Geiger.Las radiaciones ionizantes pueden provenir de sustancias radiactivas presentes en la naturaleza, que suponen el 80% de la dosis recibida, en promedio por los humanos (2,4 y 10 milisieverts al ao por rayos csmicos, el sol y otros), o producidas artificialmente, como es el caso de los radioistopos de uranio empleados como combustible nuclear. Estas sustancias emiten dichas radiaciones de forma espontnea, sin embargo, los generadores artificiales, tales como los generadores de Rayos X, TAC o los aceleradores de partculas, las emiten de una forma controlada.La radiactividad se mide en trminos de cuntos tomos se desintegran espontneamente cada segundo. Cuando se habla de exposicin de personas a la radiacin, la unidad de medida que se utiliza son los sieverts, que miden el efecto biolgico en el cuerpo.RadiobiologaLas radiaciones ionizantes interaccionan con la materia viva, produciendo diversos efectos. Los tomos pueden volverse radiactivos cuando se tornan inestables por la accin de otros tomos inestable, como el uranio de las centrales nucleares.Dependiendo de la dosis de radiacin que reciba una persona, el efecto puede ir desde daos leves a la piel, vmitos, caer en coma y hasta la muerte. En la terapia contra elcncer usa radiacin en altas dosis, aunque focalizada en los tumores y durante poco tiempo.La radiacin daa el ADN de las clulas, pudiendo tener efectos como mutaciones o generar cncer, tambin en las generaciones posteriores. La radiacin no afecta a todas las personas de la misma forma, y el efecto est determinado por la dosis, el tiempo de exposicin y la distancia a la fuente de la radiacin. Algunos de estos daos pueden ser restaurados, mientras que otras veces no.Algunos istopos no son absorbidos por el cuerpo, de modo que tienen poco efecto sobre la salud. Sin embargo, otros, como el yodo y el cesio, s son ms dainos. La tiroides humana absorbe yodo para crear hormonas, por lo que si la glndula comienza a absorber yodo 131, que emite rayos beta, puede daar el ADN, causando cncer de la tiroides. Despus del desastre de 1986 de Chernobyl en Ucrania, ms de 6.000 nios desarrollaron cncer de tiroides, probablemente por comer alimentos contaminados (el yodo 131 no parece afectar a los adultos).AplicacionesLa radiactividad fue descubierta en 1896 por el qumico francs Becquerel durante sus estudios sobre la fluorescencia. Desde entonces se han desarrollado numerosas aplicaciones.Como cada radioistopo tiene un periodo de desintegracin o semivida caractersticas, son empleados para estimar la edad de muestras naturales, como rocas y materia orgnica.El mtodo de datacin ms conocido es el del carbono 14, en el que mide la concentracin de este radioistopo, que se adhiri al material tras convertirse en inestable, por la accin de los rayos csmicos. De esta forma, se obtiene la edad de la muestra, y no slo la del propio istopo, ya que esta tcnica tambin tiene en cuenta los istopos que ya se han desintegrado en la propia muestra.Varios radioistopos generados artificialmente tienen usos en medicina. El istopo del tecnecio se emplea para identificar vasos sanguneos bloqueados. Los equipos hbridos PET-TAC suponen un impacto importante en la planificacin de los tratamientos de radioterapia, tanto sobre el clculo de las dosis de radiacin como sobre el volumen tumoral a tratar.En el caso de las centrales defisin nuclear, el ncleo de un reactor est formado por un contenedor o vasija en cuyo interior se albergan bloques rellenos de combustible nuclear (uranio-235 o plutonio-239), que estn recubiertos por un material aislante de la radioactividad, comnmente grafito u hormign. En el proceso se establece una reaccin sostenida y moderada gracias al empleo de elementos auxiliares que absorben el exceso de neutrones liberados, como el cadmio o el boro, manteniendo bajo control la reaccin en cadena del material radiactivo

En 1985 el fsico alemn W.K. Roentgen estudi las descargas elctricas en gases y descubri la existencia de una radiacin invisible muy penetrante que era capaz de ionizar el gas y provocar fluorescencia en l, a lo que denomin rayos X.

Posteriormente, un fsico francs, A.H. Becquerel, guard unas placasfotogrficas envueltas en un papel oscuro en un mismo cajn donde haba un trozo de uranio. Su sorpresa fue que se encontr las placas fotogrficas veladas y ste comprob que lo sucedido se deba a que el uranio emita una radiacin mucho ms penetrante que los rayos X. Acababa de descubrir la radioactividad. Ms tarde se descubrieron nuevos elementos radioactivos, como el torio, polonio, radio y actinio.

As pues podemos definir radioactividad como la propiedad que presentan determinadas sustancias (sustancias radioactivas) de emitir radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos e ionizar el aire.

1.Radiaciones alfa, beta y gamma.Los distintos tipos de radiaciones se clasifican segn el poder de penetracin con los nombres alfa, beta y gamma. Alfa: son ncleos de helio formados por dos protones y dos neutrones. Slo penetran unas milsimas de centmetro en el aluminio. Beta: Son electrones rpidos procedentes de neutrones que se desintegran en el ncleo, dando lugar a un protn y un electrn. Son casi 100 veces ms penetrantes que las alfa. Gamma: son radiaciones electromagnticas (fotones) de mayor frecuencia que los rayos X.

2.Efectos biolgicos

Durante millones de aos, los seres vivos hemos soportado la radiactividad natural de la corteza terrestre y de los rayos csmicos.La exposicin a altas dosis de radiacin aumenta la tasa de cncer y pueden producir otros trastornos de tipo gentico. Los efectos de la radiactividad no siempre son perjudiciales ya que si empleamos la dosis y forma adecuada, la radiactividad tiene muchas utilidades en distintos campos: En medicina se utiliza para el tratamiento y diagnstico del cncer, el estudio de rganos y la esterilizacin del material quirrgico. En la industria se emplean radiografas para examinar planchas de acero, soldaduras y construcciones. En qumica se emplea para investigar mecanismos de reaccin y fabricar productos qumicos.Cuando la radiacin pasa a travs de la materia, los electrones ascienden a niveles energticos superiores los tomos y los molculas se ionizan. Los contenedores de centello y los contenedores de ionizacin determinan la excitacin y ionizacin de la materia inerte para medir la radioacividad. En la materia viva, la excitacin y ionizacin de la materia inerte para medir la radioactividad. En la materia viva, la excitacin y la ionizacin rompen los enlaces en las molculas orgnicas complejas, provocando daos a las clulas. La interaccin de las radiaciones con el agua, tanto dentro como fuera de la clula, produce radicales que daan a la clula, provocando reacciones de oxido-reduccin. Las personas, animales o plantas expuestos a las radiaciones ionizantes sufren lesiones a corto o largo plazo y , adems, sus descendientes quiz presenten defectos genticos.La dosis de radiaciones ionizantes es la cantidad de este tipo de radiaciones que se observe por unidad de masa. Esta dosis se mide en grays o rads. El gray, Gy es la unidad de dosis de radiacin en el sistema SI y se define como la cantidad de joules de energa absorbidos por kilogramos del material valuado:1Gy= 1J/kgLa unidad tradicional para la dosis de radiaciones es el rad (siglas en ingls de dosis de radiacin absorbida [radiation absorbed dose]); 1Gy=100radLa dosis, en trminos de energa absorbida no es suficiente para conocer con precisin los daos provocados por una exposicin radioactiva a un organismo vivo. Las distintas dosis y las energas provenientes de las radiaciones afectan a los tejidos de diferente manera.Para poder comparar la dosis, es preciso multiplicarlas por un factor de calidad, Q, que en ocasiones tambin se llama eficacia biolgica relativa, o valor EBR, La unidad SI que toma en cuenta el tipo de radiaciones se conoce como sievert, un sievert es un gray multiplicado por el factor de calidad.Sv= Gy * QLa unidad tradicional que toma en cuenta al tipo de radiaciones se llama rem [siglas en ingls de equivalencia en roentgen para el hombre (siglas en ingls de roentgen equivalente roan)]:rem= rad * RBEUn sievert es igual a 100 rem.Una compilacin adicional es que algunos tejidos son mas sensibles que estos ante el mismo tipo de radiaciones. Las clulas especializadas y las que estn experimentando una divisin se ven mas afectadas por las radiaciones. Por ejemplo, las radiaciones son 100 veces mas peligrosas para el feto de la tercera hasta la sptima semana de embarazo que para una mujer embarazada. Los rganos y tejidos en los cuales las clulas se reemplazan lcon lentitud, como los ojos, presentan alta sensibilidad a las radiaciones. Otros factores son la edad y la salud del individuo. Los daos provocados por las radiaciones a las clulas se evidencian de diversas formas: la tasa de divisin celular disminuye, por lo cual la clula experimenta menos divisiones en el curso de su vida; adems, pueden producirse mutaciones celulares. Es peligroso que se introduzca un nuclido que emita partculas alfa al organismo a travs de la respiracin, la ingestin o herida, pues las partculas alfa al organismo de iones a mediada que atraviesan los ejidos vivos, tal y como lo hacen cuando son detectados por un contador Geiger. Como resultado, las partculas alfa emitidas internamente son muy dainas.

3.Un uso curioso de la radiactividad

Uno de los numerosos usos de la radiactividad es la proteccin de las obras de arte. El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de protegerlos de la degradacin. Esta tcnica se utiliza en el tratamiento de conservacin y de restauracin de objetos de arte, de etnologa, de arqueologa.4.Un ejemplo histrico: la bomba atmica.Los efectos de la radiacinLa bomba atmica se caracteriza por la extraordinaria energa calorfica que desprende al estallar y por liberar la llamada "radiacin", que tiene efectos nefastos en el cuerpo humano. La "radiacin inicial", en el momento de la explosin, consiste en rayos alfa, beta, gamma y neutrones: casi todo ser viviente que se encuentre a menos de un kilmetro de radio de explosin de una de estas bombas muere casi al instante a consecuencia de las profundas quemaduras que causan las elevadas temperaturas generadas por estos rayos.

Le sigue la "radiacin residual", que emana del suelo (espejo de la primera radiacin): a consecuencia de ella, personas que no hayan sido expuestas directamente a la bomba (en el caso de HirosHima y Nagasaki, los equipos de rescate o las personas que acudieron con posteridad al lugar de los hechos) resultan tambin afectadas.En el caso de Hiroshima y Nagasaki, adems, la nube de humo provocada por la explosin dej caer, posteriormente, la llamada "lluvia negra", igualmente radioactiva. La radiacin, en cualquiera de sus formas, tiene efectos secundarios en una insospechada variedad de formas: si bien no pueden determinarse todava sus efectos concretos en el cuerpo humano. Por el potencial destructor que se le atribuye, no han quedado ganas de repetir el mtodo de prueba y error para averiguarlo. La investigacin, eso s, sigue adelante.

Enfermedades

Las enfermedades derivadas del contacto con la radiacin pueden dividirse en dos grandes grupos: las que se manifiestan en los primeros meses y las que lo hacen con posteridad. En Hiroshima y Nagasaki, las primeras se hicieron evidentes en los cinco meses que siguieron al desastre y tenan como sntomas tpicos las nuseas, diarreas, fiebre, hemorragia, prdida de vello corporal y malestar general. Todo ello condujo en numerosos casos a la muerte de los afectados.Las segundas tomaron forma de las llamadas queloides y mltiples variedades de leucemia. Las queloides son crecimientos exagerados del tejido cicatricial en el sitio de una lesin de la piel; en este caso, surgieron a partir de las cicatrices de las quemaduras. Normalmente debera aplanarse con los aos y no pasar de meras marcas desagradables a la vista, pero cuando son graves, no siempre quedan en eso.

En cuanto a la leucemia, cuyo mayor nmero de casos se produjo en la dcada de los 50, si bien se trata de un tipo poco frecuente de cncer (slo un 4% de los cnceres convencionales), en Hiroshima y Nagasaki el porcentaje se elev hasta el 20% y sigue siendo elevado en la actualidad. Se desarrollaron tambin otros muchos tipos de cncer: segn los expertos, no se trata de cnceres especialmente vinculados a la radiacin, sino tumores tpicos que, en los supervivientes y sus descendientes, se desarrollaron a una edad ms temprana de lo que es habitual y con ms frecuencia.Se dice que la radiacin redujo significativamente, adems, la esperanza de vida de los afectados; posteriormente se registr, adems, un gran nmero de mutaciones y malformaciones en los fetos de los bebs engendrados por estas personas.

Los siguientes seis puntos son las maneras en que difieren las reacciones nucleares de las qumicas:REACCIONES NUCLEARESREACCIONES QUMICAS

En estas reacciones participan los protones y los neutrones que se encuentran en el ncleoEn ellas participan los electrones que se encuentran fuera del ncleo.

Los elementos se transmutan para dar otros elementosTantos los reactivos como los productos contienen el mismo nmero de cada tipo de tomo.

Los istopos reaccionan de distinto modo.Los istopos reaccionan de manera similar.

Son independientes del estado de combinacin qumica.Dependen del estado de combinacin qumica.

Se producen variaciones de energa del orden de 108 109 kJ/mol.Producen energas del orden 10 103 kJ/mol.

Es posible detectar las variaciones de masa.La masa de los productos es igual a la masa de los reactivos.

Las reacciones de desintegracin radiactiva son espontneas. Se observan siete tipos de desintegraciones radiactivas:TipoSmboloNmero de masaNmero atmicon/p

Alfa, 42He-4-2Incrementa

Beta, -0-1e0+1Disminuye

Positrn, B+0+1e0-1Incrementa

Captura electrnica, CE0-1e0-1Incrementa

Fisin espontnea, FE----Aprox. La mitadEn promedio disminuye

Neutrn10n-10Disminuye

Gamma, 0000No varia

Los nclidos que poseen nmero atmico mayor que 83, generalmente experimentan una desintegracin alfa. Las emisiones beta reducen el nmero de neutrones y aumentan el nmero de protones y son caractersticas de los nclidos que presentan una relacin demasiado alta de neutrones respecto a protones. Tanto la emisin de positrones como la captura electrnica aumentan el nmero de neutrones y disminuyen el nmero de protones en los nclidos en relacin con una proporcin de neutrones y protones demasiado baja. La desintegracin de positrones es una caracterstica de los nclidos que tienen nmeros atmicos bajos. La captura electrnica es una particularidad de los nclidos con nmero atmico alto. La fisin espontnea solo ocurre cuando el nmero atmico es mayor que 91. La emisin de neutrones es poco frecuente y reduce el nmero de stos. La emisin de rayos gamma a menudo acompaa a otros tipos de desintegraciones radiactivas. Los rayos gamma son radiaciones electromagnticas de longitud de onda muy corta.En las ecuaciones de las reacciones nucleares, la suma de los nmeros de masa de los ncleos que pertenecen a los productos debe ser igual a la suma de los nmeros de masa que pertenecen a los ncleos reactivos. La suma de los nmeros atmicos de los ncleos que son de los productos debe ser igual a la suma de los nmeros atmicos que son de los ncleos de los reactivos.La desintegracin de algunos radinclidos para dar nclidos estables se lleva a cabo por pasos que constituyen una serie de desintegracin radiactiva. El primer miembro o producto original de la serie es un nclido de vida prolongada y los dems nclidos de la serie se conocen como derivados.La actividad de un radionclido es la velocidad a la cual realiza su desintegracin radiactiva. La unidad de actividad en el sistema SI se llama becquerel, Bq. Un becquerel es igual a un evento por segundo. La unidad tradicional de actividad es el curie, CI (1 Ci = 3.70 * 1010 Bq). La actividad suele medirse con contadores de ionizacin, como los Geiger y los de estado slido o con un contador de centelleos. La velocidad de desintegracin radiactiva suele ser independiente de la temperatura y del estado qumico.Las desintegraciones radiactivas siguen leyes de velocidad de primer orden, ya que son aleatorias. Cada ncleo de una muestra de radionclido tiene cierta probabilidad de experimentar una desintegracin, pero no hay manera de saber cul ser el ncleo que se desintegrar en un determinado periodo.La relacin que existe entre los neutrones y protones, el tipo par o impar y os nmeros mgicos, son factores que modifican la estabilidad nuclear. Los ncleos estables tienen relaciones de neutrones y protones que se encuentran dentro de la banda de estabilidad. A medida que el ncleo est ms alejado de esta banda, su vida media suele ser ms corta. En ocasiones es necesario calcular la variacin de energa que acompaar a una reaccin nuclear para predecir si un nclido dado se desintegrar de determinado modo. Para que un nclido sea radiactivo y se desintegre espontneamente, la masa de los productos de desintegracin debe ser menor que la masa de los reactivos. La masa y la energa se relacionan por la ecuacin de Einstein:E=mc2La masa del ncleo de un tomo siempre es menor que la suma de las masas de los nucleones que constituyen dicho ncleo. La diferencia entre la masa observada del ncleo y la suma de las masas de los nucleones se llama defecto de masa. El equivalente energtico del defecto de masa se llama energa de enlace nuclear y es la energa necesaria para descomponer un ncleo en sus nucleones. Las energas de enlace nuclear para nuclen alcanzan un mximo (la energa potencial es mnima) en torno al hierro.La fuerza nuclear fuerte es la fuerza de atraccin que existe entre los nucleones, la cual es muy alta, pero de rango muy corto. Un ncleo es estable cuando no puede transmutarse al ncleo de otro elemento sin que se le agregue una energa externa. Los nucleones del ncleo estn apareados y ocupan distintos niveles energticos.Las reacciones nucleares inducidas se producen por la colisin de un ncleo en movimiento llamado proyectil contra un ncleo estacionario usado como blanco. La mayora de los nclidos capturan neutrones lentos o trmicos, los cuales tienen una energa cintica promedio, aproximadamente igual a la que tendran los neutrones si existieran como gas monoatmico a una temperatura ambiente. Las partculas que poseen carga positiva son repelidas por las cargas positivas del ncleo y deben acelerarse para que cuenten con la suficiente energa cintica como para reaccionar con l. Los aceleradores lineales, los ciclotrones y los sincrotrones son diversos tipos de aceleradores. Los proyectiles que presentan masas mayores que la de una partcula alfa se conocen con el nombre de iones pesados.Algunos nclidos pueden fisionarse si se les aporta energa. Se produce una reaccin en cadena ramificada: en ella se liberan ms neutrones de los que se consumen. Una muestra demasiado pequea para experimentar una reaccin en cadena se denomina muestra subcrtica. En una muestra crtica, el nmero de neutrones que se forma es igual al nmero de neutrones que se consume. Las muestras supercrticas son mayores que las muestras crticas y dan lugar a una explosin lugar.En los reactores nucleares se emplea la fisin controlada con neutrones lentos para calentar el agua y generar electricidad. Los reactores de cra no slo producen energa trmica para generar electricidad, sino que tambin producen combustible. La fusin que es la combinacin de ncleos que tienen un nmero atmico bajo para dar ncleos de nmero atmico moderado, probablemente constituir una fuente de energa en el futuro.Las radiaciones daan a los tejidos vivos. Aunque pueden provocar lesiones serias, tambin se emplean para el tratamiento del cncer. La qumica nuclear tambin se aplica para realizar el diagnstico de ciertas enfermedades, preservar alimentos, fechar objetos antiguos y para realizar anlisis.La dosis es la cantidad de radiaciones absorbidas por cierta masa de materia y se mide en grays o rads. La dosis necesaria para producir determinada cantidad de dao depende del periodo de duracin en el que se recibe dicha dosis. Los distintos tipos y energas radioactivos producen diversos efectos en determinados tejidos; para poder comparar las dosis es necesario multiplicarlas por el factor de calidad, Q. La unidad del sistema SI que toma en cuenta el tipo de radiacin se llama sievert, Sv. La intensidad de las radiaciones es proporcional a 1/d2, donde d es la distancia respecto a la fuente. Las clulas que estn experimentando una divisin se ven ms afectadas por las radiaciones que otros tipos de clulas. La edad y la salud del individuo tambin influyen.Las reacciones nucleares constituyen la fuente de toda la energa que se emplea en la Tierra. Los elementos qumicos se forman en las estrellas y en el espacio interestelar mediante las reacciones nucleares, principalmente de fusin y captura de neutrones.

BIBLIOGRAFAQUMICARaymond Chang; Williams CollegeDcima edicin

Principios de qumica Introduccin a los conceptos tericosPaul Ander; Anthony J. Sonnessa Editorial Limusa