radiactividad y emisiones atómicas

8/14/2019 Radiactividad y Emisiones Atómicas

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2013

QUÍMICA MENCIÓNQM-02

R A D I A C T I V I D A D YE M I S I O N E S A T Ó M I C A S



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INTRODUCCIÓN

En química nuclear se estudian las reacciones que implican modificaciones en el núcleo de losátomos. La ciencia como tal comenzó con el descubrimiento de la Radiactividad (HenryBecquerel) y los posteriores estudios realizados por los esposos Curie. Hoy en día es una cienciacontroversial, sus fines bélicos y los accidentes en centros nucleares (reactores) han puesto entela de juicio los beneficios de la radiactividad para el hombre. La fabricación de bombas

nucleares, bombas de hidrógeno, de neutrones y la complejidad en el tratamiento de desechosradiactivos han movilizado por años a entidades ligadas al medio ambiente y gobiernos areplantearse el uso masivo de la energía nuclear.

A pesar de lo anterior, su uso pacífico ha contribuido enormemente en campos como la medicina,la agricultura y la paleontología. Junto con ello, los reactores de energía han permitido convertireficientemente la energía nuclear en energía eléctrica a un costo menor y sin el uso indiscriminadode combustible fósil.

Las emisiones atómicas y los efectos de la radiación serán tratados en este capítulo. Ya seanalizaron los principales modelos atómicos de modo que la comprensión del fenómeno de laradiactividad se hará más sencilla. En esta guía se anexa además el descubrimiento de los rayos Xy algunos conceptos preliminares que simplifican el análisis.

DEFINICIONES IMPORTANTES

NÚMERO ATÓMICO (Z)

Se define como la cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo. Sedesigna con la letra Z y conceptualmente identifica e individualiza a un elementoquímico.

Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número de electrones.

El número atómico se anota en la parte inferior izquierda del símbolo elemental.

Notación representada: zX: 13Al ; 8O ; 92U

NÚMERO DE MASA O NÚMERO MÁSICO (A)

Se define como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo(nucleones).

El número másico es adimensional, no indica la masa de un átomo, sólo elnúmero de partículas (neutrones y protones), de modo que para calcular la masade los átomos debe considerarse su abundancia en la naturaleza.

A = Z + n



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ISÓTOPOS

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número deneutrones.

Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo número atómico (Z).

Todos los isótopos de un elemento tienen distinto número másico (A).

Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo comportamiento químico(coinciden en el número de electrones)

Ejemplos:16 17 18

8 8 8O ; O ; O Isótopos del Oxígeno

6 6 6C C C12 13 14; ;

Isótopos del Carbono

Note que en ambos tríos de isótopos se conserva el número atómico y cambia el número másico(hay diferencia en el número de neutrones).

De lo anterior se deduce que en la naturaleza coexisten distintos tipos de Carbono y Oxígeno, condistinto número de masa y por lo tanto, distinta cantidad de partículas en el núcleo. Si la masa deun átomo se concentra en el núcleo, se infiere que el Carbono-14 es más pesado que el carbono-12 y por tanto, el más pesado será menos abundante (es más inestable). El promedio deabundancia (masa atómica promedio) es el que aparece en la Tabla Periódica.

ISOBAROS

Son átomos de elementos distintos con el mismo número de partículas en elnúcleo (igual A).

Los isobaros coinciden sólo en el número A, no presentan el mismocomportamiento químico y tampoco tienen la misma cantidad de electrones.

Ejemplos: 14

6C y 14

7N

ISOTONOS

Son átomos con distinto Z (elementos distintos) que presentan el mismo númerode neutrones.

Ejemplos: 3

1H y 4

2He

IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS

Iones (especies con carga eléctrica) de elementos diferentes con el mismonúmero de electrones (igual configuración electrónica).

Ejemplos: 24

12Mg+2 y 16

8O-2



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DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X

En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubrió los rayos X.Estudiando las emisiones de luz de un tubo de descargaeléctrica observó que una pantalla cubierta con una salfluorescente destellaba cada vez que conectaba el tubo dedescarga.

Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisionesque no podían atravesar el tubo de vidrio, sin embargo y poralguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredese impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder depenetración era sorprendente. Puso ciertos obstáculos entre lapantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sinembargo, persistía la luminosidad. Supuso que era radiaciónde alta energía pero de naturaleza desconocida. Por esta razónle denominó radiaciones X . Sólo en 1912 el físico alemán MaxVon Laue determinó la naturaleza electromagnética de losrayos X.

La explicación al fenómeno es la siguiente:

Los rayos X que descubrió Röentgen se generan en el interior de un tubode descarga, cuando colisiona un haz de rayos catódicos con un blancometálico (trozo de metal) dispuesto entre ambos electrodos. Loselectrones provenientes del rayo catódico inciden sobre el metal,excitando sus propios electrones, generando una radiación de frenado dealta frecuencia denominada rayo X.

Un tubo de descarga eléctrica, otro con un blanco metálico y la mano de Roentgen plasmada en una mica



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PROPIEDADES DE LOS RAYOS X

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Note la longitud de onda extremadamente corta de los rayos X y su alta frecuencia



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RADIACTIVIDAD

La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés AntoineHenry Becquerel . Es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayorutilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observófosforescencia (propiedad de ciertos materiales que les permite absorber energía y emitirlaluego en forma de radiación) sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz.

Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de marcar una placa fotográfica.

Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fueimposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayosX, puesto que se emitían de manera espontánea del material de uranio.

Marie Curie y su esposo Pierre, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron que otrosminerales tenían la misma propiedad que la pechblenda. Determinaron que el fenómeno eraexclusivo del núcleo de los átomos.

Marie Curie (discípula de Becquerel), propuso el término radiactividad para estas radiaciones espontáneas de partículas y energía. A fines de 1897 los esposos Curie descubrieron otros doselementos radiactivos, el polonio (Po) y el radio (Ra).

En 1902 Ernest Rutherford demostró que la radiactividad generaba transformaciones espontáneasy de este modo un elemento puede transformarse en otro. En 1903 Marie, Pierre y Becquerelrecibieron el Nobel de Física por el descubrimiento de la radiactividad natural. Finalmente en 1911Marie Curie aisló el Radio y obtuvo su masa atómica, el descubrimiento le significó un segundopremio Nobel.

PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN

Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, emite radiaciones de forma espontánea, sinembargo, en los reactores nucleares es posible generar emisiones en un átomo que no es

radiactivo. En ambos, el fenómeno ocurre con liberación de energía y los núcleos hijos generadosson siempre más estables que el predecesor. En el primer caso se les llama radiactividadnatural y en el segundo, radiactividad artificial.

La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:

196 192 4

84 82 2Po Pb + He EMISIÓN ESPONTÁNEA radiactividad natural .

27 4 30 1

13 2 15 0Al + He P + n EMISIÓN ARTIFICIAL radiactividad artificial.

Existen cinco tipos de desintegraciones radiactivas naturales:

Emisión de partículas alfa ( )Emisión de partículas beta ( )Emisión de rayos gamma ( )

Emisión de positrones ( )Captura electrónica (CE)



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EMISIÓN GAMMA ( )

Corresponde a radiación (electromagnética) de alta energía sin masa ni carga eléctrica. Seconocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma puedeocurrir cuando un radioelemento existe en dos formas distintas (isómeros nucleares), ambascon el mismo número atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de rayosgamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un

ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energíadiferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.

234 *

91

234

91Pa Pa+

En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleopor lo tanto, no hay transmutación (cambio en el número Z de un elemento).

TRANSMUTACIÓN

Es el fenómeno donde un átomo se transforma en otro por cambio en el número de protones. Esta

transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones , , positrones o capturaelectrónica, o también puede producirse por medios artificiales (bombardeo de un núcleo establecon neutrones). En ambos casos el nuevo elemento puede ser también radiactivo y seguiráemitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces, como sea necesario. Lo anterior se conocecomo serie radiactiva.

Serie del Uranio-238



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EMISION DE POSITRONES ( 0

+1e o )

La emisión de positrones se produce cuando un protón del núcleo se transforma en un neutrónemitiendo una partícula denominada positrón ( ).

8 8 0

5 4 1B Be e

Cuando un positrón choca con un electrón, ambos desaparecen y se emiten dos fotones deradiación gamma en un proceso llamado aniquilación.

0 0 0

1 1 0e e 2

CAPTURA ELECTRÓNICA (CE)

Se produce captura electrónica cuando un electrón proveniente de las capas más internas delátomo cae dentro del núcleo con lo cual un protón se transforma en neutrón. Esto provoca unadisminución en el número atómico, pero se mantiene constante el número de masa.

7 0 7

4 1 3Be e Li

ESTABILIDAD NUCLEAR

Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existanvarios átomos del mismo elemento con distinta masa (A).

En radiactividad se utiliza con frecuencia el término núclido para aquellas especies con unnúmero definido de protones (Z) y neutrones (n), de modo que cada átomo se considera un

núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z se consideran isótopos.

El objetivo de introducir esta nueva clasificación radica en que todos aquellos núclidos que emitenradiaciones se denominan formalmente radionúclidos.

Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación amedida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en lanaturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para laspruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así, 12

6C y 13

6C, por

ejemplo, son núclidos, mientras que 14

6C es un radionúclido, (eso, además de que los tres son

isótopos del Carbono).



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ESTABILIDAD ATÓMICA

Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicossiempre surge la misma pregunta, ¿por qué unosátomos son estables mientras que otros no?, larespuesta se encuentra cuando se analiza el núcleoatómico.

El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumentotal del átomo, pero concentra casi toda la masa, asíentonces, la densidad del núcleo es unas 1012 veces másgrande que la del átomo.

La gran densidad complejiza el estudio de su estabilidad.Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones semantienen unidos y cómo se mantiene la estabilidad (apesar de que el núcleo presenta partículas de gran masay carga eléctrica idénticas haciendo evidente la repulsiónentre ellas).

La explicación al fenómeno guarda relación con lasdenominadas interacciones de corto alcance (descritas en la guía anterior) que se establecen entreneutrón-neutrón, neutrón-protón y por extraño que

parezca protón-protón. Estas interacciones de corto alcance (fuerzas atractivas) permitenmantener unidos a los nucleones.

Como se aprecia en la gráfica, hasta Z=20 los átomos son estables, con igual cantidad deneutrones y protones, a medida que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar alnúcleo puesto que las repulsiones aumentan.

Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más estables

que otros átomos. Por ejemplo, existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2 parael antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidadnuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gasesnobles.

DECAIMIENTO RADIACTIVO

Cuando un núcleo atómico es inestable, emite radiaciones opartículas, con ello, cambia su número atómico y se vuelvemás estable, a esto se le llama decaimiento radiactivo.

En la gráfica se observa que aquellos núcleos sobre elcinturón de estabilidad (parte superior) pueden estabilizarseemitiendo partículas beta, pues así, disminuyen la cantidadde neutrones.

Los núcleos bajo el cinturón de estabilidad (parte baja)necesitan aumentar la cantidad de protones. Para esto,emiten un positrón o bien realizan captura electrónica.

Los núcleos con Z sobre 84 emiten partículas alfa y conesto se acercan a la estabilidad.



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Proceso que disminuye la relación neutrón/protón

Neutrón Protón + ē Emisión beta

Procesos que aumentan la relación neutrón/protón

A

Z

X 4

2

A

Z

Y+ 4

2

He Emisión alfa Protón Neutrón+e+ Emisión de positrones Protón+Electrón Neutrón Captura electrónica

ANÁLISIS DE LAS SERIES RADIACTIVAS

Cuando un núcleo radiactivo emite partículas y setransforma en otro, se estabiliza, pero no siempre, demodo que el nuevo núcleo sigue emitiendo partículas oenergía.

Al proceso completo que se inicia con el núcleo radiactivo y

que termina luego de sucesivas emisiones ytransmutaciones en otro más estable, se le denominaserie radiactiva.

Una de las series radiactivas más estudiadas es la del 238U(Uranio radiactivo) que decae sucesivamente hastaterminar en plomo (Pb), un átomo totalmente estable.

PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN O TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½)

Si bien todos los elementos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, la

velocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo aunque se emita elmismo tipo de partículas. Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constantedenominada t½, o tiempo de vida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elementoradiactivo en emitir (desintegrar o transmutar) la mitad de su masa.

PORCENTAJE DE MASA RESIDUAL DE RADIONUCLIDO POR CADA VIDA PROMEDIOt ½

t ½ t ½ t ½ t ½100% 50% 25% 12.5% 6.25% 3.125%



12

El tiempo t½, es absolutamente independiente de la cantidad de masa inicial del elemento, sólodepende del tipo núcleo que se estudia. Además, para cada núcleo radiactivo estudiado el valor det½ es distinto.

238

92U 234

90Th + 4

2He t½ = 4.51·109 años

214

84 Po210

82 Pb +4

2 He t½ = 1.6·10-4 segundos

ALGUNOS NÚCLEOS, SU EMISIÓN Y VIDA PROMEDIO DE DESINTEGRACIÓN

Núcleo Emisión t ½Tritio β- 12,33 años

Carbono-14 β - 5730 años

Fósforo-32 β - 14,26 días

Potasio-40 β - 1.280 millones de años

Cobalto-60 γ, β- 5,27 años

Yodo-123 γ 13,27 horas

Uranio-235 γ 7.040 millones de años

Las vidas medias de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles demillones de años. Por ejemplo, el 238

92U tiene una vida media de 4,5·109 años, el 226

88Ra tiene una

vida media de 1620 años y el

15

6

C

tiene una vida media de 2,4 segundos.

Otros ejemplos:

Isótopo radiactivo t½ C – 14 5.570 años

Po-214 10-6 segundos

U -238 4,56·109 añosRa-222 3,85 díasAc-228 6,2 horasRn-220 55,3 segundos

Th-234 24,5 díasRa-226 1.610 años



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FENÓMENOS RADIACTIVOS ARTIFICIALES

Cuando se compara la estabilidad de los núcleos atómicos con las masas que presentan seevidencia una tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energíaque mantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar unmáximo (estabilidad) y luego desciende a medida que la masa nuclear aumenta.

Por lo tanto, si los núcleos tratan de estabilizarse entre sí, además de emitir partículas (radiación)pueden combinarse formando núcleos más pesados. Este fenómeno se denomina, fusión (si esque los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, sies que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía esconsiderable.

FISIÓN

La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico sedivide en varios núcleos más pequeños y en el proceso libera grandes cantidades de energía.

Muchos núcleos pesados pueden ser inducidos a desarrollar el fenómeno de la fisión pero sólo elUranio-235, Uranio-233 y Plutonio-239 tienen una real importancia práctica.

El proceso de fisión del Uranio-235 es el más estudiado pues es el combustible de los reactoresque producen electricidad.



14

El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse mediante el bombardeo con neutrones

1

0n + 235

92U 142

56Ba + 91

36Kr + 3 1

0n

1

0n + 235

92U 137

52Te + 97

40Zr + 2 1

0n

En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10-11

J por núcleo, esto esalgo así como 2·1013 Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a lagenerada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón.

Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, lacaracterística que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan másneutrones de los que son capturados al inicio de ésta. La cantidad de neutrones producidos haceposible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Losneutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, puesmientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados.

Para que una reacción en cadena ocurra es necesario que exista una cantidad de masa de Uranio-235 suficiente para que los neutrones sean capturados de lo contrario estos neutrones escapan de

la muestra, a esta cantidad mínima de de masa se le denomina masa crítica.

Bomba Atómica

La primera aplicación de la fisión fue la bomba atómica,aquí la masa crítica de uranio se ubica separada y lareacción de fisión se induce por medio de un explosivoconvencional. Al iniciarse la explosión química la masacrítica de Uranio-235 se junta y la reacción en cadenase produce.



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Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen uninconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer susfuerzas de repulsión y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius (la energía deuna estrella).

La mayor dificultad de construir un reactor de fusión recae precisamente en la construcción delmismo, ningún material resiste temperaturas tan altas. Para solucionar este problema se ha

propuesto generar la temperatura necesaria y transformar los reactivos en plasmamanteniéndolos girando dentro de un reactor al vacío confinados con campos magnéticos yeléctricos giratorios.

En el caso de poder construir este tipo de reactor el material a fusionar sería el deuterio dado que

en el planeta hay mucha agua, la cantidad disponible de deuterio es cercana a las 5·1015

toneladas. Cada reacción de fusión libera 6,3·10-13 J o 3,8·1011 J por cada 4 gramos de Deuterioutilizado.

2

1H + 2

1H 3

1H + 1

1H



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RADIOPROTECCIÓN

Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio deblindaje. Así, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndosecompletamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa escompletamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidas por materiales poco densos

como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de altonúmero atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma esradiación de alta energía que se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Losneutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón. Enel siguiente diagrama se observa el blindaje de estas radiaciones:



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Aplicaciones de las reacciones nucleares

Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendola química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótoposradioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas,para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento delcerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.

En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producciónmidiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes,detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación dealimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.

En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónicapara determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial,geología, ecología, etc.).

En la agricultura: en trazadores para estudiar como absorben los vegetales a losfertilizantes, insecticidas y otros productos, aumentar la conservación de los alimentos,obtener, por mutaciones, cereales más resistentes y productivos, estudiar mejor la

alimentación de los animales, aumentando la producción de leche, huevos, etc.

En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte seconserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado deconservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.

Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas comomarcadores en el cuerpo humano.

Isótopo Vida media Área del cuerpo que se estudia

131 I 8,1 días Tiroides

59 Fe 45,1 días Glóbulos rojos99 Mo 67 horas Metabolismo

32 P 14,3 días Ojos, hígado, tumores

51Cr 27,8 días Glóbulos rojos

87 Sr 2,8 horas Huesos

99 To 6,0 horas Corazón, huesos, hígado, pulmones

133 Xe 5,3 días Pulmones

24 Na 14,8 horas Sistema circulatorio



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LA DATACIÓN

La datación usando isótopos radiactivos es muy conocida, en especial los experimentos realizadoscon 14C en arqueología. Este no es el único isótopo usado, también están el Uranio-238 y elPotasio-40.

El carbono-14 se forma en la atmósfera superior por reacción entre átomos de nitrógeno y

neutrones.

14

7N + 1

0n 14

6C + 1

1H

Este carbono-14 se combina con oxígeno para producir 14CO2, elque es incorporado por las plantas durante la fotosíntesis y portodos los animales al ingerir alimentos. Mientras el animal o plantavive se establece un equilibrio entre la cantidad de 14C y de 12C,que es constante. Al morir el organismo, la cantidad de 14Cdisminuye, pues este radioisótopo emite radiaciones del tipo β-.

La vida media del 14C es de 5730 años, por lo tanto, cada 5730

años la relación 14C/12C disminuye en un factor de dos. Estavariación en la relación permite que con restos de cabello humanoo animal, restos de madera, carbón vegetal, lino, algodón opapiro, o todo lo que contenga Carbono sea posible datar lacantidad de 14C remanente. El límite de datación es de 60 milaños.

El Uranio-238 y el Potasio-40 se utilizan en geología, puesto quetienen vidas medias superiores a 5 mil años.

En particular, el Uranio-238, tiene un tiempo de vida promedio de4,47·109 años y decae hasta 206Pb, entonces la edad de una roca que contiene algo de Uranio-238puede determinarse a partir de la relación 238U/206Pb.

DMTR-QM02

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