1- Concepto de radioactividad y energía nuclear

La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, y demás. Debido a esa capacidad se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, que son capaces de transformarse en núcleos de elementos de otros átomos.

2- Tipos de radiaciones; alfa, beta y gama

Radiactividad natural: Descubierta accidentalmente por Henri Becquerel, en 1896, y estudiada en profundidad por Pierre y Marie Curie a quienes se debe el nombre, la radiactividad natural es el fenómeno según el cual determinados materiales, como, por ejemplo, las sales de uranio, emiten radiaciones espontáneamente.

Las radiaciones emitidas son de tres tipos que se denominan alfa, beta y gamma, y tienen las siguientes características:

Las radiaciones alfa son poco penetrantes, ya que son detenidas por una hoja de papel y se desvían en presencia de campos magnéticos y eléctricos intensos. Están formadas por partículas cuya masa es de 4 u y cuya carga, positiva, es igual a dos veces la carga del electrón.

Las radiaciones beta son más penetrantes que las radiaciones alfa, aunque son detenidas por una lámina metálica. En realidad consisten en un flujo de electrones.

Las radiaciones gamma son muy penetrantes y para detenerlas se precisa una pared gruesa de plomo o cemento. Son radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia y, por lo tanto, muy energéticas.

Desintegración Alfa

Un núcleo demasiado pesado para ser estable expulsa un grupo compacto (una partícula alfa), consistente en dos protones, y dos neutrones, que deja al núcleo con una A cuatro unidades menor y una Z dos unidades más bajas, es decir, dos pasos atrás en la tabla periódica. Estructuralmente una partícula alfa es idéntica a un núcleo de Helio – 4. la desintegración alfa es frecuente entre los elementos naturales más pesados (uranio, polonio, y radio, por ejemplo), pero no conduce directamente a núcleos estables: antes se producen isótopos intermedios que experimentan nuevas desintegraciones.

Las partículas alfa tienen una energía de hasta 5.000.000 de electro voltios, pero son tan voluminosas que sólo pueden atravesar unos 25 mm de aire y se ven detenidas por una simple hoja de papel o por la parte más externa de la piel humana. Sin embargo, por esta misma razón produce serios daños en el interior del cuerpo humano cuando son emitidas por materiales alfa – activos absorbidos inadvertidamente como polvo transportado por el aire, o través de heridas contaminadas. Los emisores naturales de partículas alfa, como el radio, son de uso práctico limitado, ahora que se dispone libremente de gran variedad de radioisótopos artificiales. No obstante, el uranio y su subproducto artificial, el plutonio (otro emisor alfa), son ambos fisibles y, por lo tanto, de importancia primordial en la producción de energía nuclear.

Desintegración Beta

Es un núcleo con demasiados neutrones, uno de estos puede transformarse en un protón más un electrón, que es expulsado en el núcleo. El electrón emitido de esta forma recibe el nombre de partícula β. El núcleo queda con una carga positiva más, con su Z en una unidad más alta y, por lo tanto, un lugar más arriba en la tabla periódica. Las partículas β son capaces de penetrar varios metros de aire, unos cuantos centímetros de tejido corporal o varios mm de metal o de plástico (que proporcionan un apantallamiento adecuado). Puede producir serias quemaduras superficiales o importantes daños internos sobre todo si son emitidos dentro del cuerpo durante periodos de tiempo algo prolongados. La desintegración β es el tipo más frecuente de desintegración radiactiva tanto entre los isótopos artificiales como entre productos radiactivos procedentes de la desintegración alfa. Algunos de los radioisótopos artificiales obtenidos en aceleradores de partículas o separados en los productos de fisión formados en reactores nucleares tienen pocos neutrones, en lugar de demasiados. Estos se desintegran emitiendo positrones (partículas como los electrones pero cargadas positivamente), que se neutralizan casi de inmediato con los electrones ordinarios para producir una "radiación de aniquilación", con las cualidades de los rayos gamma. Los isótopos que emiten positrones tienen aplicaciones en diagnosis médica.

Emisión de rayos gamma

Esta emisión tiene lugar siempre que la desintegración beta no ha disipado suficiente energía para dar completa estabilidad al núcleo. Muchos isótopos naturales y artificiales con actividad alfa y beta son también emisores de rayos gamma. Los rayos gamma son una radiación electromagnética como los rayos X. Su intensidad se reduce al pasar a través de la materia en un grado que dependerá de su propia energía y de la densidad física del material absorbente. Los rayos gamma no son detenidos como las partículas alfa o beta, ni existen materiales opacos a ellos, como en el caso de la luz. Pueden necesitarse entre 5 y 25 centímetros de plomo o hasta 3 m de hormigón para conseguir una protección adecuada contra los rayos gamma de alta energía. El exceso de radiación gamma externa puede causar graves daños internos al organismo humano, peor no puede inducir radioactividad en él, ni en ningún otro material.

Otras formas de desintegración radiactiva son la transformación interna, en al que una reorganización interior del núcleo da como resultado la emisión de rayos X, o la captura de electrones, en la que un núcleo con demasiados protones captura un electrón de una órbita interna del propio átomo, convirtiendo así un protón en un neutrón, con emisión de rayos X y descenso de un lugar en la tabla periódica los núcleos de uranio – 235 y del U – 238 (emisores de partículas alfa), se desintegran alguna que otra vez por fisión nuclear espontánea, produciendo cualquier par de una gama de posibles núcleos de fisión, además de neutrones libres. El radioisótopo artificial californio – 252 se desintegra exclusivamente por fisión espontánea, proporcionando u8na fuente utilizable de neutrones. Unos pocos isótopos producto de fisión, en particular el yodo – 122, se desintegran con emisión retardada de neutrones poco después de haber sido formados y desempeñan un importante papel en el control de reactores.

La forma de desintegración, los tiempos de semi desintegración y las energías de emisión (energía máximas en el caso de partículas alfa y beta) son, en conjunto, características especificas que distinguen a un isótopo determinado y se pueden emplear para la identificación y medida de los propios emisores y, por tanto, de sus precursores, mediante la técnica de análisis por activación.

3- Propiedades de las sustancias radioactivas

La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables". Es decir que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtiéndose en plomo.

Es aprovechada para la obtención de energía, usada en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades entre otras).

La radiactividad puede ser:

Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.

Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.

4- Usos y aplicaciones de las sustancias radioactivas

En nuestros días, las aplicaciones de la radiactividad son cada vez más numerosas:

La Arqueología, la Geología y la Antropología emplean métodos de datación de objetos y sucesos históricos utilizando el carbono 14 u otros isótopos, que permiten definir una edad para los acontecimientos que describen la historia de la Tierra, su clima y los seres vivos que la habitaban.

Menos conocido es el uso de la activación neutrónica para, por ejemplo, determinar las rutas comerciales de la antigüedad mediante el análisis de los elementos contenidos en fragmentos de cerámica, o de la técnica denominada de fluorescencia de rayos X para analizar las características básicas de las pinturas o tintas utilizadas en cuadros y manuscritos.

En Biología, numerosos adelantos realizados durante la segunda mitad del siglo XX están vinculados a la utilización de radiactividad. Entre los más importantes hay que destacar el funcionamiento del genoma humano y de otros animales, el metabolismo celular o la transmisión de mensajes químicos en el organismo.

La radiactividad cubre un abanico de aplicaciones tan amplio que pocas tecnologías pueden compararse con ella. Abarca desde la prehistoria al estudio del genoma o la curación del cáncer.

En Medicina la radiactividad es usada como método de diagnóstico (rayos X, estudios metabólicos con sustancias trazadoras, tomografía axial computarizada y tomografía por emisión de positrones) y de curación (los tratamientos de radiactividad contra el cáncer curan a miles de personas cada año). Se utiliza cotidianamente en investigación (estudio del funcionamiento de sustancias relevantes para la vida, como son los aminoácidos, el ADN, los azúcares, las penicilinas, etc., mediante el uso de núcleos radiactivos trazadores). Sirve para entender cómo funciona el cerebro, qué acción realizan los medicamentos. De igual forma, las radiaciones pueden destruir las células tumorales.

En Agricultura se utilizan las técnicas con sustancias trazadoras para analizar las funciones de fertilizantes, hormonas, herbicidas, pesticidas, etc.; con sustancias radiactivas se pueden producir mutaciones que mejoren cosechas o erradicar plagas.

En la Industria, los rayos X y la radiación gamma se usan para la detección de defectos en fundición y soldadura y la medida de espesores de láminas de los más variados materiales. Los trazadores permiten el análisis de problemas tales como el desgaste de los neumáticos de los automóviles, la detección de fugas en tuberías subterráneas, la determinación de la eficacia de los detergentes, etc.

Los contenidos de partículas materiales en el aire, de gran importancia en Ecología para la determinación de los niveles de polución atmosférica, pueden analizarse con la técnica que se denomina activación neutrónica.

Otras muchas aplicaciones de la radiactividad pueden catalogarse de curiosas, la utilización de sustancias radiactivas en detectores de humo o en pararayos (estos últimos ya prácticamente erradicados a pesar de su eficacia).

El término radiactividad se encuentra bastante extendido en la sociedad. Se habla de residuos radiactivos, datación de restos arqueológicos usando isótopos radiactivos (Como el Carbono 14), bombas nucleares, aplicaciones médicas, etc. Sin embargo, realmente es poco lo que se conoce del tema. Hace falta conocer los beneficios que generan, los alcances científicos, etc. La importancia de las aplicaciones radica en el hecho de que todos los seres vivos están involucrados, se quiera o no con ella, no importando el lugar en donde se encuentren, ya sea en la casa, en la oficina, en el campo, en la calle, o en el colegio.

5- Radioactividad natural y artificial

1- Radiactividad natural

En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral emamae, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.

El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al matrimonio Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas como el torio, polonio y radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que dedujo Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica. El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Se cree que la causa que lo origina es debida a la interacción neutrón-protón del mismo. Al estudiar la radiación emitida por el radio se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no.

Pronto se vio que todas estas reacciones provenían del núcleo atómico que describió Rutherford en 1911, quien también demostró que las radiaciones emitidas por las sales de uranio eran capaces de ionizar el aire y de producir la descarga de cuerpos cargados eléctricamente.

Con el uso del neutrino, partícula descrita en 1930 por Pauli pero no medida hasta 1956 por Clyde Cowan y sus colaboradores, consiguió describirse la radiación beta.

En 1932 James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Wolfgang Pauli había predicho en 1930, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad neutrones.

2- Radiactividad artificial

Se produce la radiactividad inducida cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado penetran dentro del núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente. Fue descubierta por los esposos Jean Frédéric Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie, bombardeando núcleos de boro y aluminio con partículas alfa. Observaron que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas de bombardeo.

En 1934 Fermi se encontraba en un experimento bombardeando núcleos de uranio con los neutrones recién descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron los experimentos de Fermi. Es más, en 1939 demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos era bario. Muy pronto confirmaron que era resultado de la división de los núcleos de uranio: la primera observación experimental de la fisión. En Francia, Jean Frédéric Joliot-Curie descubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.

También en 1932 Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno), describiendo poco después Hans Bethe el funcionamiento de las estrellas en base a este mecanismo.

El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico y de las partículas sub atómicas. Se abre la posibilidad de convertir unos elementos en otros. Incluso el sueño de los alquimistas de transformar otros elementos en oro se hace realidad, aunque no resulte rentable.

6- Isótopos radiactivos artificiales

Se conoce como isótopo a las variedades de átomos que tienen el mismo número atómico y que, por lo tanto, constituyen el mismo elemento aunque tengan un diferente número másico. Los átomos que son isótopos entre sí tienen el mismo número de protones en el núcleo y ocupan el mismo lugar en la tabla periódica.

Cabe destacar que la mayoría de los elementos químicos cuentan con más de un isótopo. Apenas 21 elementos, como el sodio, tienen un único isótopo natural. Es posible dividir los isótopos en isótopos estables e isótopos no estables o radiactivos.

Para que un isótopo sea radiactivo, debe exhibir una relación entre el número de protones y de neutrones que no resulte propicia para mantener la estabilidad nuclear. La noción de estabilidad, de todas maneras, no es muy precisa ya que hay isótopos que son casi estables gracias a un tiempo de neutralización extremadamente largo.

El isótopo radiactivo tiene un núcleo atómico inestable ante el balance dente neutrones y protones. Esta misma característica hace que emita energía cuando muta de forma hacia condiciones más estables. Los isótopos no estables tienen un período de desintegración donde la energía es emitida en forma de rayos beta (electrones o positrones), alfa (núcleos de helio) o gamma (energía electromagnética).

La radiactividad artificial es un tipo de radiactividad que surge de un isótopo que se produce previamente en el laboratorio mediante una reacción nuclear. Este isótopo sigue todas las leyes radiactivas estudiadas para la radiactividad natural.

En 1919, Rutherford, al bombardear nitrógeno con partículas a procedentes de una sustancia radiactiva, provocó la primera reacción nuclear conducente a la producción “artificial” de un isótopo del oxígeno. El N se transmutaba en O y emitía un protón.

En 1934, los esposos Irene Curie y Fréderic Joliot, estudiando la producción de neutrones al bombardear una lámina de aluminio con partículas alfa, descubrieron que se formaba un isótopo radiactivo del fósforo. Comprobaron que además de los neutrones aparecían positrones que no esperaban (ni cabía esperar) y que no cesaban de producirse al dejar de bombardear, tal como sucedía con los neutrones.

Los proyectiles utilizados para la producción de isótopos son los neutrones ya que al no poseer carga eléctrica no experimentan fuerzas de repulsión electrostática por parte de los protones de los núcleos en los que penetran para desestabilizarlos.

La producción de positrones es más abundante en la radiactividad artificial ya que en la natural se producen espontáneamente partículas alfa y beta y radiación gamma.

Los isótopos radiactivos artificiales tienen periodos de semi desintegración pequeños. Seguramente se formaron al mismo tiempo que los otros componentes de Tierra, pero han desaparecido. Actualmente sólo quedan radioisótopos de periodo grande.

En Medicina se manejan diferentes tipos de isótopos que son administrados a los pacientes. Se usan isótopos radiactivos en investigación, para el tratamiento de tumores malignos o como trazadores para visualizar órganos, dando lugar a la Medicina Nuclear con diversas funciones, como la identificación de vasos sanguíneos bloqueados.

Ejemplos de isótopos radiactivos artificiales

• Plutonio 239Pu y 241Pu

• Curio 242Cm y 244Cm

• Americio 241Am

• Cesio 134Cs, 135Cs y 137Cs

• Yodo 129I, 131I y 133I

• Antimonio 125Sb

• Rutenio 106Ru

• Estroncio 90Sr

• Criptón 85Kr y 89Kr

• Selenio 75Se

• Cobalto 60Co

• Cloro 36Cl

7- Fisión Nuclear

El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear y al posterior desarrollo de la bomba atómica. También se descubrieron varios elementos nuevos que no existen en la naturaleza. El desarrollo de reactores nucleares hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de casi todos los elementos de la tabla periódica, y la disponibilidad de estos isótopos supone una ayuda incalculable para la investigación química y biomédica. Entre los isótopos radiactivos producidos artificialmente tiene gran importancia el carbono 14, con un periodo de semidesintegración de 5.730 ± 40 años. La disponibilidad de esta sustancia ha permitido investigar con mayor profundidad numerosos aspectos de procesos vitales, como la fotosíntesis.

Se entiende por fisión, la división de un núcleo muy pesado en un par de núcleos de masa próxima a 60, proceso en el cual se libera gran cantidad de energía.

A finales de 1938, O.Hann y F. Strassmann descubrieron en uranio bombardeado con neutrones, la presencia del radioisótopo 139Ba, formado necesariamente por escisión del núcleo de uranio. Este proceso se denominó Fisión nuclear.

Según el modelo de la gota líquida, la fisión se produce porque al captar un neutrón, el núcleo oscila y se deforma, con lo que pierde su forma esférica adquiriendo la figura de un elipsoide entre cuyos extremos se produce una repulsión electrostática que puede llegar a provocar la rotura del núcleo pesado en dos fragmentos. En el caso del uranio-235, los fragmentos que se forman son núcleos de masas próximas a 95, el menor, y a 139, el mayor. Una reacción de fisión típica es:

235 1 90 144 1

29 0 38 54 0

Puesto que la relación neutrones/protones es más elevada en el uranio que en los dos núcleos formados en la fisión, quedan dos neutrones en exceso que se liberan con gran energía. Si estos neutrones no son captados por núcleos de otros elementos y no escapan de la masa escindible, pueden provocar nuevas fisiones, siempre y cuando se hayan convertido en neutrones lentos mediante moderadores. Se logra así un proceso auto sostenido.

La energía liberada en la fisión de 1 g de uranio-235 es del orden de 108 kJ, es decir unos dos millones de veces la energía que se obtiene por combustión de 1 g de petróleo.

El primer reactor nuclear fue construido por Fermi en 1942, utilizando grafito como moderador. Así, los neutrones liberados al escindirse un núcleo de uranio-235 provocaban la escisión de nuevos núcleos de uranio-235 o la transmutación del uranio-238 en plutonio-239, que es así mismo fisionable.

En las bombas atómicas de fisión, la explosión se produce al unir dos masas de material fisionable de tamaño inferior al crítico. Es decir, que el recorrido medio que debe atravesar un neutrón liberado, en una fisión espontánea para provocar una nueva fisión, es mayor que el diámetro de esas masas. Al unirlas, se supera el tamaño crítico, con lo que se produce una reacción en cadena.