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Radiactividad e Isótopos
La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunoscuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienenla propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producirfluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Debido a esacapacidad se las suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las noionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas en forma derayos X o rayos gamma, o bien partículas, como pueden ser núcleos de Helio,electrones o positrones, protones u otras. Se descubrió a fines del siglo XIX.
La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables". Es decir quese mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con loque para alcanzar su estado fundamental deben perder energía. Lo hacen enemisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinadaenergía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendorayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde elnúcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en
varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminarconvirtiéndose en uno mucho más ligero, como el Uranio que con el transcurrir delos siglos acaba convirtiéndose en plomo.
Es aprovechada para la obtención de energía, usada en medicina (radioterapia yradiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores ydensidades entre otras).
La mayoría de los elementos contiene 3 isótopos. Mientras más isótopos tengan laradioactividad va a hacer mayor.La radiactividad puede ser:
Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.
Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos entransformaciones artificiales.
Isótopo o Radioisótopos: La palabra isótopo, del idioma griego "en el mismositio", se usa para indicar que todos los isótopos de un mismo elemento seencuentran en el mismo sitio de la tabla periódica. Los átomos que son isótoposentre sí, son los que tienen igual número atómico (número de protones en elnúcleo), pero diferente número másico (número de neutrones en el núcleo). Sonvariantes de un elemento que difieren en el número de neutrones que poseen,manteniendo igual el número de protones. Un isótopo radiactivo de un elemento secaracteriza por tener un núcleo atómico inestable (por el balance entre neutrones yprotones) y emitir energía cuando cambia de esta forma a una más estable. Laenergía liberada al cambiar de forma puede detectarse con un contador Geiger ocon una película fotográfica.
Cada radioisótopo tiene un periodo de desintegración o semivida características. Laenergía puede ser liberada, principalmente, en forma de rayos alfa (núcleos dehelio), beta (electrones) o gamma (energía electromagnética).Varios isótopos radiactivos artificiales tienen usos en medicina. Por ejemplo, unisótopo del tecnecio puede usarse para identificar vasos sanguíneos bloqueados.Varios isótopos radiactivos naturales se usan para reconstruir cronologías, porejemplo, arqueológicas.
Usos de Radioisótopos: El uso de radioisótopos esta muy difundido actualmenteno solo en la medicina, sino también, en la industria, la agricultura, la hidrología y lapreservación de alimentos. En medicina es muy utilizado el Tecnecio-99 (usado
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para diagnóstico) y el Cobalto-60 (empleado como fuente de radiación gamma int,con fines curativos).
En materia de control de pestes, en la Argentina, los rayos gamma emitidos porfuentes de Cobalto-60 son claves en la lucha contra la “mosca del Mediterráneo”.Este parásito exótico, firmemente enquistado en nuestros ecosistemas frutícolas, es
uno de los grandes impedimentos de la Argentina para potenciar su rol deexportador de fruta fresca. En la provincia de Mendoza se combate la mosca delMediterráneo mediante la “técnica del macho estéril”: diariamente se liberan almedio ambiente decenas de miles de machos esterilizados con rayos gamma.Cuando estos compiten con los machos fértiles y se aparean con hembrasnormales, no producen descendencia. Así se evita el nacimiento de millones demoscas nuevas, lo que permite bajar el consumo de pesticidas peligrosos para lostrabajadores de campo, o indeseables para los consumidores. Hace unos años,INVAP construyó un equipo móvil de irradiación con Cobalto-60 con este fin.
Vida Media de un Radioisótopo:La vida media de un radioisótopo es el tiempo que tardan en desintegrarse la mitadde los núcleos originales y es particular para cada isótopo. Por ejemplo la vida
media del isótopo de uranio 238U es de 4,5 x 103, mientras que la del cobalto 60,Co es de 5,7 años.
Reacciones Nucleares: Por analogía con las reacciones químicas, se llaman reacciones nucleares lasinteracciones entre núcleos atómicos o entre núcleos atómicos y partículaselementales
Fusión nuclear: En física y química, la fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleosatómicos se unen para formar uno de mayor peso atómico. No debe confundirsecon el accidente de las centrales nucleares denominado "fusión del núcleo", quehace referencia a que la parte más "interna" (núcleo) del reactor nuclear se funde(se derrite) como resultado del cese de su adecuado control y refrigeración.Fusiónnuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos se unen para formaruno de mayor peso atómico.Una reacción que puede servir como ejemplo de este proceso es:
Fisión nuclear:Fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo delátomo. La fisión ocurre cuando un núcleo se divide en dos o más núcleos pequeños,más algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones libres, fotones(generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa
(núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberancantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que laliberada en las reacciones químicas; la energía se emite, tanto en forma deradiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fusión, quecalentarán a la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzcala fisión.
Ocurre cuando una partícula rompe un núcleo pesado. Pueden ser controladas odescontroladas.Controlada: Se da sólo en las centrales nucleares. Recientemente se handescubierto algunos yacimientos de uranio natural que, en el pasado cuando laproporción de U-235 era mayor, pudieron padecer procesos naturales de fisión
nuclear a modo de reactores naturales (fenómeno Oklo en África).Descontrolada: Se da en la bomba atómica y requiere determinado tipo de átomosllamados fisibles o físiles como el 235U y el 239Pu.
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Un ejemplo de esta reacción es:
nº bariónico (Se conserva): 1+235 = 140+93+3•1 = 236Energía: +200MeV
Central Nuclear: Una central nuclear es una instalación industrial empleada para la generación deenergía eléctrica a partir de energía nuclear, que se caracteriza por el empleo demateriales fisionables que mediante reacciones nucleares proporcionan calor. Estecalor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover unalternador y producir energía eléctrica.
Radioisótopos
Los radioisótopos son isótopos inestables, o radiactivos, y emiten radiación
espontáneamente. Muchos radioisótopos son producidos bombardeando blancos
apropiados con neutrones, hoy fácilmente obtenibles dentro de reactores atómicos.La radiactividad es un proceso prácticamente inafectado por cualquiera de los factores,
tales como temperaturas o presión, empleados para regular la velocidad de las reacciones
químicas.
Cesio 137 (Cs137): Es un elemento metálico químicamente reactivo, blanco y blando. Es un
metal alcalino.
Fue descubierto en 180 por el químico alemán Robert Wilhelm Bunsen y el físico alemán
Gustav Robert Kirchhoff.
El Cs ocupa el lugar 64 en abundancia natural entre los elementos de la corteza terrestre. Se
puede encontrar mayormente en un mineral poco frecuente llamado pólux. Las menas depólux de Elba, en Italia, contienen 34% de óxido de cesio, mientras que las del Condado de
Maine y Dakota del Sur en USA contienen 13% de óxido. El cesio también se puede
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encontrar en la lepidolita, carnalita y algunos feldepastos. Se extrae separando el
compuesto de cesio mineral, transformando el compuesto obtenido en cianuro y realizando
electrólisis de cianuro.
Como el potasio, el cesio se oxida fácilmente cuando se le expone al aire, y se usa para
extraer oxígeno residual de los tubos de vacío.
El Cs emite más energía que el radio y se usa en investigaciones medicinales e industriales,
por ejemplo como isótopo trazador.
Tiene una vida media de 30 años, se incorpora a la cadena alimentaria y penetra en el
organismo humano. Se dispersa por todo el cuerpo, irradiándolo. Sin embargo, sólo
permanece en el organismo unos pocos meses.
Uranio 235 (U235): Después del descubrimiento de la fusión nuclear, el uranio se convirtió
en un metal estratégico. Al principio, su uso estaba restringido ala producción de armas
nucleares. En 1954, se lo empezó a utilizar enriquecido con el isótopo 235 para el desarrollo
de plantas nucleares. Sus aplicaciones fueron discutidas en las Conferencias de la
Utilización Pacífica de la Energía Atómica de 1955, 1958 y 1964, celebradas en Ginebra,Suiza.
Cobalto 60 (Co60): Es uno de los isótopos que se utiliza en la medicina. Fue un
complemento muy importante de los Rayos X empleados en la clínica y también de las
fuentes naturales de radiaciones, radio y radiomensorio. Presenta sobre estos últimos un
cierto número de ventajas: el cobalto radiactivo pede ser obtenido en la cantidad necesaria
para los fines terapéuticos y es barato y fácil de manejar, porque no produce sustancias
gaseosas de desintegración.
Yodo 131 (I131): El yodo es un elemento trazador muy versátil y se utiliza para determinar
volumen sanguíneo, rendimiento cardíaco, volumen de plasma, actividad hepática,
metabolismo de lípidos, metástasis cancerosa tiroidea, tumores cerebrales y el tamaño,configuración y actividad de la tiroides.
Tiene una vida muy corta (vida media, ocho días), es una de las fuentes potencialmente
importantes de exposición interna a las radiaciones, debido a que se concentra en la
glándula tiroides. Poco tiempo después de un accidente o explosión nuclear, la hierba
contaminada con I131 es consumida por las vacas; el isótopo aparece rápidamente en la
leche. Debido a que la leche suele consumirse pocos días después de su producción, la gente
puede consumir cantidades significativas de I131 sin darse cuenta. Otros alimentos suelen
consumirse transcurrido un intervalo más largo, por lo que la radiactividad ha disminuido
apreciablemente. Cuando se acumulan cantidades significativas de yodo radiactivo en el
tiroides, se produce un aumento en la incidencia del cáncer de tiroides; hasta la fecha, los
niveles acumulados debido a la lluvia radiactiva son demasiado bajos, o la exposición a ellos
demasiado reciente, como para que se detecte tal efecto.
Carbono 14 (C14): El carbono -14 se produce de manera continua en la atmósfera, cuando
neutrones de alta energía del espacio, chocan contra el nitrógeno –14, como se ilustra en la
siguiente reacción.
También se produce por la activación de los átomos de nitrógeno del aire durante las
detonaciones nucleares.
El carbono -14 artificial, que está actualmente en circulación por la Tierra, alcanza
aproximadamente una tonelada y representa aproximadamente el 1% de la abundancia
total natural. Durante los últimos siete años, el hombre lo ha producido a un ritmoconsiderablemente mayor que el resultante del proceso natural, mediante el cual se forma
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por la acción de los neutrones de los rayos cósmicos. La mayoría está todavía en la
atmósfera combinado en dióxido de carbono. En los organismos vivientes se ha elevado el
contenido de carbono 14, hasta el 10% por encima de lo normal, esta situación puede
confundir a los futuros arqueólogos.
Tiene una vida media de 5.760 años.
Fusión
La fusión nuclear está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía no es un
proceso viable, ya que se invierte mas energía para que se produzca la fusión que la energía
obtenida mediante éste método.
La fusión ocurre cuando dos núcleos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico
más pesado con mayor estabilidad.
La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía
térmica o bien utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos buscan que la
velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas
generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.
Para la fusión nuclear se necesitan deuterio y tritio (isótopos del hidrógeno) que tienen un
neutrón cada uno, además de uno y dos protones respectivamente.
Si la energía de fusión llega a ser practicable, ofrecería las siguientes ventajas:
1. Una fuente ilimitada de combustible, el deuterio procedente de los océanos.
2.Imposibilidad de un accidente en el reactor, ya que la cantidad de combustible en el
sistema es muy pequeña.
3.Residuos mucho menos radiactivos y más sencillos de manejar que los procedentes
de sistemas de fisión.
Pero para alcanzar la fusión nuclear útil se presentan algunos problemas como:
1.Calentar el gas a temperaturas tan altas.
2.Confinar una cantidad suficiente de núcleos durante un tiempo lo bastante largo
para permitir la liberación de una energía mayor que la necesaria para calentar y
confinar el gas.
Fisión
La materia está compuesta por átomos, cada uno de los cuales está formado por un núcleo
central y una serie de electrones que giran alrededor del mismo. El núcleo está compuesto
por protones y neutrones, siendo el número de protones igual al de electrones.
El núcleo de un tipo apropiado de átomo tiene la habilidad de capturar y absorber
neutrones. El núcleo resultante es a veces sumamente inestable y sufre un cambio
espontáneo (la fisión) dividiéndose en otros núcleos más livianos, con desprendimiento de
neutrones, que se separan a velocidades elevadas, abriéndose paso a través de las partículas
que los rodean hasta que pierden su velocidad, convirtiendo su energía cinética en energía
térmica.
Los neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se encuentran en
condiciones de fisionar otros núcleos pesados produciendo una Reacción Nuclear en
Cadena.
El proceso de la fisión permite el funcionamiento de los Reactores Nucleares que
actualmente operan en el mundo.
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En las centrales nucleares, el proceso que se controla es el final, ya que en ellas se genera
energía en forma lenta, pues de lo contrario, el reactor se convertiría en una bomba
atómica, debido a que la mayor parte de energía se libera al final.
El proceso es el siguiente:
Las barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235 se introducen en el reactor y
comienza un proceso de fisión. En el proceso se desprende energía en forma de calor. Este
calor calienta unas tuberías de agua, y ésta se convierte en vapor que pasa por unas turbinas
haciéndolas girar. Estas, a su vez, giran un generador eléctrico de una determinadapotencia, generando así electricidad, al igual que con una dinamo de bicicleta, solo que
éstas turbinas y el generador son más grandes. De ésta manera no se aprovecha toda la
energía obtenida en la fisión, y se pierde parte de ella en calor, resistencia de los
conductores, vaporización del agua, etc. Los neutrones son controlados para que no explote
el reactor mediante unas barras de control, que al introducirse absorben neutrones y se
disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuantas barras de control se
introduzcan, se generara mas o menos energía. Normalmente se introducen las barras de
tal forma que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando, de ésta
forma, el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben
todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor. El reactor se refrigera para que no se
caliente demasiado y funda las protecciones, convirtiéndose en una bomba atómica, inclusocuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente.
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Ciertos núcleos son inestables en su estado natural. Esto se debe adiferencias en las atracciones y repulsiones en el interior del núcleo. De losisótopos naturales que emiten de manera espontánea partículas alfa o beta,o rayos gamma de alta energía, se dice que poseen una radiactividad natural.De los aproximadamente 350 isótopos presentes en la naturaleza alrededor de 80 de ellos son radiactivos.Los científicos de una amplia diversidad de campos utilizan isótoposradiactivos como marcadores en sistemas físicos, químicos y biológicos.A continuación se muestra una tabla con algunos de los isótopos utilizadoscomo marcadores.
USOS DE LOS RADIOISÓTOPOS
RADIOISÓTOPO SÍMBOLO USOS
Carbono 1414
C
Fechado radiactivo de fósiles y seres vivos.
Uranio 238238
U Determinación de la edad de las rocas.
Tecnecio 9999
Tc
Formación de imágenes de cerebro, tiroides,hígado, riñón, pulmón y sistema cardiovascular
Yodo 131131
I
Diagnóstico de enfermedades de la tiroides.
Talio 201201
Tl
Formación de imágenes del corazón.
Fósforo 3232
P
Detección de cáncer en la piel.Rastreo genético de DNA.
Sodio 24 24 Na Detección de obstrucciones el sistemacirculatorio
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Cromo 5151
Cr
Determinación del volumen de glóbulos rojos yvolumen total en sangre.
Hierro 59
59
Fe Detección de anemia
Selenio 7575
Se
Formación de la imagen del páncreas.
Cobalto 6060
Co Irradiación de frutas y verduras frescas.
Medicina
En medicina la radiación de alta energía emitida por el
radio fue utilizada durante mucho tiempo en el
tratamiento del cáncer. Actualmente se usa el cobalto-
60 para el tratamiento del cáncer porque emite una
radiación con más energía que la que emite el radio y es
más barato que este. En medicina se usa el tratamientocon cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con
base en la capacidad que tienen los rayos gamma para
destruir tejidos cancerosos. El cobalto-60 se desintegra
emitiendo partículas beta y rayos gamma, y tiene una
vida media de 5.27 años. Su proceso de desintegración
se representa mediante la ecuación química nuclear:
2760Co ----> 28
60Ni + -10β + 0
0γ . t1/2 = 5.27
años
Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar
internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de
tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se
trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de
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yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del
yodo-123. Allí la radiación destruye a las células
cancerosas sin afectar al resto del cuerpo.
Para detectar desórdenes circulatorios de la sangre
se utiliza una solución de cloruro sódico (NaCl) que
contenga una pequeña cantidad de sodio radiactivo y
midiendo la radiación el médico puede saber si la
circulación de la sangre es anormal.
Para el estudio de los desórdenes cerebrales seutiliza una tomografía de emisión de protones conocida
como PET. Se le administra al paciente una dosis de
glucosa (C6H12O6) que contenga una pequeña cantidad de
carbono-11 (11C), que es radiactivo y emite positrones,
luego se hace un barrido del cerebro para detectar los
positrones emitidos por la glucosa radiactiva “marcada”.
Se establecen las diferencias entre la glucosa inyectada y metabolizada por los cerebros normales y los
anormales. Por ejemplo, con la técnica PET se ha
encontrado que el cerebro de un esquizofrénico
metaboliza alrededor de un 20 % de la glucosa que
metaboliza un individuo normal.
Algunos radioisótopos utilizados en medicina.
Arsénico-74 Cobre-64 Radio-226
Astato-211 Estroncio-90 Radón-222
Bismuto-206 Europio-152 Sodio-24
Boro-10 Arsénico-35 Tantalio-182
Boro-11 Fierro-55 Tecnecio-99
Bromo-82 Fierro-59 Tulio-170
Carbono-14 Fósforo-32 Xenón-133
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Cerio-144 Itrio-90 Yodo-131
Cesio-137 Litio-6 Yodo-132
Cromo-51 Litio-7 Oro-198
Cobalto-60 Nitrógeno-15
Química
Una de las primeras aplicaciones de los isótopos
radiactivos en química fue en el estudio de las
velocidades de una reacción reversible para establecer
las condiciones de equilibrio. Por ejemplo, para conocer elequilibrio en una solución saturada de cloruro de plomo
II (PbCl2). La ecuación química que representa el
equilibrio de esta solución es:
PbCl2(S) ----> Pb2+(ac) + 2 Cl1-
(ac)
Se usa el isótopo radiactivo de plomo-212 para
comprobar que los procesos de disolución y de
precipitación se producen a la misma velocidad. Se
agrega a una solución saturada de cloruro de plomo II
una pequeña cantidad de nitrato de plomo II que
contenga el isótopo plomo-212. Un tiempo después seprecipita plomo, lo que indica que se está produciendo un
intercambio entre el cloruro de plomo sólido y el ión
plomo +2 de la solución.
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En estudios de química orgánica se
usan los isótopos radiactivos como trazadores o
rastreadores (por ejemplo, carbono-14) para conocer los
mecanismos de reacciones complejas como las de lafotosíntesis, en la que en varias etapas se van formando
moléculas más complejas. Para el estudio de la
trayectoria de las reacciones químicas en la fotosíntesis
se nutre a la planta con dióxido de carbono (CO2) que
contiene carbono-14. Por esto, el químico norteamericano
Melvin Calvin (1911-) obtuvo el Premio Nobel de Químicaen 1961, aclaró una parte del proceso químico de la
fotosíntesis y de los productos intermedios que se
producen (ciclo de Calvin)
http://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/1547667/Radioisotopos_-Reaciones-Nucleares.html
http://www.monografias.com/trabajos6/enuc/enuc.shtmlhttp://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.htmlhttp://genesis.uag.mx/edmedia/material/qino/t3a.cfm
