martes, 11 de octubre de 2011

7. Fenómenos nucleares inducidos y sus aplicaciones

Radiactividad inducida

En este tema estudiamos las reacciones nucleares en las cuales un núcleo se desintegra espontáneamente  liberando emisiones radiactivas y transformándose en un núcleo diferente, es decir, el proceso que llamamos radiactividad natural. Pero también  hay formas artificiales de cambiar la identidad de un núcleo.
Al igual que en la radiactividad natural este proceso genera cambios en la naturaleza del núcleo, es decir se produce una transformación nuclear donde un núcleo se transforma en otro y se libera energía. Este proceso se llama radiactividad inducida. Las reacciones de este tipo han permitido sintetizar cientos de radioisótopos, los que se utilizan en medicina, en la investigación científica, en la agricultura y en muchas otras áreas.
En la radiactividad inducida intervienen cuatro partículas: un núcleo objetivo, una partícula que bombardea, un núcleo producto y una partícula expulsada. Las partículas mas utilizadas para bombardear núcleos y así obtener diferentes isótopos, son los neutrones. Al tener carga neutra, evitan la repulsión entre la partícula y el núcleo, facilitando de este modo la interacción.

La conversión de un núcleo en otro se produce de 2 maneras: una es fragmentando el núcleo en 2 de menor tamaño, o bien agregando protones o neutrones, con lo que se obtiene un núcleo de mayor tamaño.
En el interior de un núcleo actúan 2 tipos de fuerzas: la fuerza de repulsión eléctrica (a), que tiende a separar los protones y la fuerza nuclear fuerte (b), responsable de mantener los neutrones  y protones unidos en el núcleo.

Para romper un núcleo se necesita vencer la fuerza nuclear fuerte; mientras que para agregarle mas protones o neutrones se requiere superar la fuerza eléctrica. Ambos procesos son reacciones nucleares que liberan gran cantidad de energía. Entonces  podemos decir que hay 2 tipos de reacciones nucleares: fisión nuclear y fusión nuclear.


Fisión nuclear:

Se produce cuando un núcleo pesado se divide en 2 núcleos más livianos, que son más estables y tienen mayor energía de enlace. En este proceso se libera una gran cantidad de energía.
En la fisión nuclear el núcleo fisionable es impactado por un neutrón partiéndose en 2 núcleos más pequeños, los cuales son desprendidos a altas velocidades. Durante este proceso los nuevos núcleos colisionan con las moléculas que se encuentran a su paso, transformando su energía cinética en calor, y los neutrones liberados impactan a otros átomos fisionables desprendiéndose así nuevos neutrones que fisionaran otros núcleos y así sucesivamente. Si este proceso continua ocurre una reacción en cadena, que de no ser controlada puede provocar una gran explosión.

Fusión nuclear:

Cuando núcleos muy ligeros se unen para formar núcleos más pesados y más estables se generan grandes cantidades de energía. Son el origen de la energía que produce el sol y en las estrellas, en general la que les permite brillar.

La fusión de los átomos de hidrogeno libera cuatro veces mas energía por gramo que lo emitido en una reacción de fisión nuclear, sin embargo el proceso requiere temperaturas muy elevadas para vencer las fuerzas de repulsión entre los núcleos y lograr que estos se fusionen. Por este motivo, a estas reacciones se les denomina también reacciones termonucleares.

Relación masa energía en las reacciones de fisión y de fusión:

La energía que se produce en las reacciones nucleares de fisión y fusión va acompañada de pérdidas mensurables de masa. La enorme cantidad de energía desprendida en el transcurso de estos procesos nucleares proviene de la masa de las partículas implicadas en la reacción, es decir una parte de la materia fisionable o fusionables se transforma en energía 

Aplicaciones pacificas de la fisión nuclear:

Una de las aplicaciones pacificas es la generación de electricidad utilizando el calor producido por una reacción en cadena, controlada en un reactor nuclear. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la energía que se produce en la reacción en cadena, y por tanto, impedir el aumento indefinido en el número de fisiones. El reactor nuclear consiste básicamente en un contenedor en cuyo interior se deposita el combustible nuclear.

Una central nuclear es una instalación formada por un reactor conectado a un sistema de generación eléctrica. La energía obtenida en una central nuclear es enorme en comparación con la producida en una central termoeléctrica.

Hay 2 grandes tipos de reactores: los de potencia y los de investigación. Los primeros funcionan básicamente como calderas, donde la fuente de calor es la fisión de los átomos. En tanto los reactores de investigación emplean los neutrones generados en el proceso de fisión para producir radioisótopos  de interés y para irradiar  materiales con fines de investigación científica y tecnológica. La energía térmica generada es disipada al ambiente a través de torres de enfriamiento     



Ventajas y desventajas de las centrales nucleares


Ventajas
·         La energía nuclear no emite gases efecto invernadero por lo que retrasa el calentamiento global.
·         Una fuga o una explosión es muy poco probable en las centrales nucleares modernas.
·         Los residuos radiactivos se pueden reducir aplicando nuevas tecnologías.
·         Se evita la dependencia de combustibles fósiles.
Desventajas
·         Emite radiaciones que pueden afectar la salud de las personas.
·         Produce desechos altamente radiactivos de manejo complicado.
·         Existe el riesgo de accidentes nucleares.
·         El costo de instalación es muy elevado y se requiere desarrollo tecnológico
·         Si se genera en países con expansión militar aumenta el riesgo de las armas nucleares.

Transmutación nuclear artificial


La química actual nació de la alquimia. El sueño de los alquimistas era la transmutación de los elementos, en especial de la transformación de metales comunes en oro, cosa que nunca lograron. Rutherford al bombardear núcleos de nitrógeno-14 con radiación alfa produjo un nuevo núcleo oxígeno-17. Así se creó la transmutación nuclear artificial. En la actualidad se usan neutrones o partículas cargadas con las que se bombardean los núcleos objetivo. Para vencer la fuerza de repulsión que se genera se utilizan los aceleradores de partículas o ciclotrones y para provocar la reacción nuclear se conducen las partículas fuera del ciclotrón para generar la colisión. Los neutrones (que no necesitan aceleradores) se usan para obtener isótopos. Mediante esta práctica se han sintetizado elementos transuránicos y se han descubierto subpartículas nucleares.



Aplicación de radioisótopos


Los radioisótopos se producen en los reactores nucleares de investigación. Los isótopos radiactivos emiten radiaciones por lo que se usan como trazadores o para tratamiento por los efectos que las radiaciones producen en las células. Como trazadores se introducen en el organismo vivo u otro sistema. Así se conocen los procesos y cómo intervienen los átomos en el sistema en estudio. Los isótopos radiactivos o radiofármacos de vida media han servido para los médicos a la hora de estudiar los órganos y tejidos detectando tempranamente enfermedades y así se tratan de manera oportuna. La radiación puede destruir células malignas, destruyendo muchas veces tumores.

Otros usos de los trazadores


Campo de aplicación
Características
Industria
Permiten investigar diversas variables propias del proceso. Introduciéndose en el proceso y detectando su trayectoria gracias a la emisión radiactiva.
Estudio del medioambiente
Se usan para la detección y análisis del contaminante. Se irradia una muestra y se obtienen los espectros gamma que emite. Así se identifican los elementos y las concentraciones.
Agricultura
Se usan en el estudio de la efectividad de los nutrientes sobre distintos cultivos. Se utilizan para ello fertilizantes con radioisótopos, se realizan a partir de mutaciones genéticas con radioisótopos, etc.


 

 

Armas nucleares


El uso de la fisión nuclear con fines militares y fabricación de armas han sido nefastas para la humanidad. Hay unidades como un kilotón (Kt) que son 1000 toneladas de TNT y un megatón (Mt) que es 1000 kilotones.
Bomba A: Se basan en la fisión nuclear y se usan como combustible uranio, plutonio y mezclas de ellos, que se fisionan liberando gran cantidad de energía y radiaciones. La mayoría están en misiles.
Bomba H: Se basan en la fusión nuclear y el combustible es el hidrógeno y el helio. Se somete a temperaturas de millones de grados Celcius para que explote, explotando antes una bomba A.
Bomba de neutrones: Es una modificación de la bomba H. Es un mecanismo de fusión que reduce la onda expansiva o pulso térmico, que libera gran cantidad de neutrones que bombardean los alrededores.

Efectos de una guerra nuclear


Han sido estudiados en experiencias como las de Hiroshima y Nagasaki, en la cual el ataque nuclear es centralizado y fulminante y el adversario no puede contraatacar.
En estudios recientes se descubrió que un grupo de bacterias pueden sobrevivir a una dosis de radiación gamma de 1,5 millones rad. Así como esos seres son los únicos que reparan su ADN y pueden seguir viviendo serían los únicos organismos que sobrevivirían.

lunes, 10 de octubre de 2011

6. Velocidad de desintegración radiactiva

Hoy podemos conocer la edad aproximada de la Tierra debido a las desintegraciones nucleares de los elementos de la corteza.  

La velocidad de desintegración es el número de átomos que se desintegran en un tiempo determinado expresándose en la ecuación: Vt= DN/Dt en donde Vt es la velocidad de desintegración a un tiempo Dt. DN es el número de núcleos radiactivos que quedan en un tiempo Dt.

La ley de velocidad para el decaimiento radiactivo (que es proporcional a los núcleos radiactivos presentes) está dada por la expresión Vt = -k Nt ; k es la constante de velocidad de primer orden.

In= Nt/N0= -kt. En esta nueva ecuación se determina la constante de velocidad en donde N0 es el número de núcleos radiactivos iniciales y t es el tiempo. Igualando las ecuaciones anteriores obtenemos: DN/Dt = -kNt.


6.1. Vida media



Es el concepto utilizado para referirse a la velocidad en que ocurren las reacciones nucleares. La vida media (t1/2) es el tiempo que demora en desintegrarse la mitad de los núcleos de cualquier sustancia radiactiva en relación a su valor inicial, se conoce también como “período de semidesintegración”. Las vidas medias de los isótopos (constante de velocidad) radiactivos varían mucho de un núcleo a otro; desde fracciones de segundos hasta miles de trillones de años.

 

 

6.2 Datación radiactiva



Se usa para establecer la edad de los objetos de interés arqueológico, basándose en el cálculo de la cantidad relativa o concentración de un isótopo inestable, de vida media relativamente larga. El C-14 se encuentra en el aire en forma de dióxido de carbono radiactivo que es absorbido por plantas e incorporado a sus células. A través de la cadena trófica los seres vivos absorben un porcentaje de este isótopo. Cuando la planta o animal muere termina de intercambiar materia y energía con el medio por lo que el C-14 disminuye a través de desintegraciones nucleares transformándose el C-14 en N-14 (átomo estable) y emite radiación beta.
El C-14 está presente en la naturaleza en uno de cada billón de átomos de carbono. Pasados 5730 años el C-14 disminuye a la mitad. Luego de dos períodos de vida media (11460 años) queda la cuarta parte de él, en tres períodos la octava parte, etc. Cuando menor es la cantidad de C-14 en los restos orgánicos más antiguos son, permitiendo datar organismos que vivieron hasta 50000 años atrás porque la proporción de C-14 en la atmósfera es constante.

6.3 Efectos de las emisiones radiactivas en los seres humanos



Aproximadamente el 80% de la radiación proviene de fuentes naturales como: los rayos cósmicos, la radiación infrarroja, visible y ultravioleta provenientes del sol y el gas radón un radioisótopo natural. El otro 20% es de fuentes artificiales como: de las estaciones radiales y de televisión de la que recibimos ondas de radio, de los hornos microondas recibimos microondas, de los rayos X al tomarnos una radiografía, etc. El bombardeo constante de radiación que recibimos se llama radiación de fondo. Algunas radiaciones α, β y γ pueden alterar el mecanismo regulador del crecimiento de las células, lo que deriva en cáncer. Los tejidos vivos contienen un alto porcentaje de agua las que absorben la radiación y generan radicales libres. Al pasar la radiación se forma H2O+. A su vez esto genera iones hidronio (H3O+) y un radical libre ∙OH, según la ecuación: 

H2O+ + H2O→H3O+ + ∙OH

El daño que se provoca por las radiaciones depende de varios factores como el tipo de radiación, la dosis, el tiempo de exposición, el tipo de tejido afectado y la sensibilidad de la persona. Los rayos X y γ penetran los tejidos no se limitan a la piel como los α y β.  La transferencia de energía de las radiaciones produce daños en todas las moléculas de un ser vivo. Son significativos los daños a las macromoléculas como el ADN y a todo el mecanismo portador de la información genética. Las daños pueden ser agudos e inmediatos, pero también con efectos tardíos. Para medir la cantidad absorbida se utiliza en medicina el gray (Gy), 1Gy = 100rad. Para expersar el daño biológico se utiliza el rem y el sievert (Sv), 1Sv = 100rem.

5. Series radiactivas


Cerca de 80 elementos de la tabla periódica son estables, están formados por un isótopo no radiactivo que no presenta desintegración nuclear. Esta estabilidad se genera a través de emisiones α y β. Una serie radiactiva es el conjunto secuenciado de reacciones nucleares que comienzan con un núcleo radiactivo y terminan con un núcleo estable. Las emisiones α o β van acompañadas por radiaciones γ. Como liberan energía los procesos de desintegración nuclear son exergónicas.

4. Decaimiento radiactivo y tipos de radiación

El decaimiento radiactivo es la liberación de radiación por los isótopos radiactivos, los núcleos inestables de estos isótopos experimentan un proceso de desintegración nuclear para corregir la relación cuantitativa entre protones y neutrones. En las reacciones nucleares el núcleo inestable se llama núcleo padre y emite radiaciones espontáneas, convirtiéndose en un núcleo más estable llamado núcleo hijo.   En el proceso se emite un poco de energía llamada Q. Entre 1896 y 1903 se estudiaron la naturaleza de las radiaciones que se clasificaron en: alfa (α), beta (β) y gama (γ).

Emisión alfa (α o H42 )

Flujo de partículas formadas por dos protones y dos neutrones. Tiene masa de 4 u y una carga de +2siendo idéntica al núcleo de He. Se producen en los núcleos de gran masa (Z≥83) en donde la fuerza de repulsión de los protones supera a la del núcleo siendo radiactivos emitiendo radiación para tener menor masa.  

XA→YA-4Z-2 + He 42 +Q

Emisión beta (β o e0-1)

Un núcleo inestable emite una partícula idéntica a un electrón para mejorar la relación neutrones/protones. Se escribe β- su carga es -1. En el núcleo un neutrón se transforma en protón liberándose un electrón sin cambiar la masa atómica.

XAZ→YAZ+1+ e0-1+Q


Emisión de positrones o beta positiva (β+ o e01-)

Los núcleos inestables emiten partículas idénticas al electrón pero con carga +1. Ocurriendo en núcleos en donde la cantidad de protones es mayor que la de neutrones. La partícula que se emite se llama positrón. La masa atómica no se altera.

XAZ→YAZ-1+ e01+ Q

Emisión gamma (γ)

Es una radiación electromagnética pero de alta frecuencia. No poseen carga ni masa, no produce cambios en el núcleo sino que pérdida de energía. Emite estos rayos para compensar el estado inestable de los procesos alfa y beta. También cuando un núcleo es impactado por una partícula de masa elevada.

*XAZ→YAZ+ γ


4.1 Comparación de las emisiones radiactivas 

 

Características
Radiaciones alfa
Radiaciones beta
Radiaciones gamma
Masa y volumen
Elevados
7000 veces menor que las α
Carecen de masa y se comportan como sutiles agujas
Velocidad a la que viajan
Viajan a un décimo de la radiación β
Velocidad cercana a la luz
A la velocidad de la luz
Poder ionizante
Gran poder ionizante
100 veces menor que la β
Menor que las α y β
Poder de penetración
Bajo
Medio
Alto. Atraviesan la materia



4.2 Poder ionizante

 


La ionización es un proceso físico-químico por el que se producen iones por el exceso o falta de electrones. Las radiaciones α, β y γ tienen el poder para arrancar electrones a los átomos que chocan, convertirlos en iones. Eso es el poder ionizante en las radiaciones α es 100 veces mayor que en las β y ésta 100 veces superior a la γ. El poder ionizante de las emisiones radiactivas varían en sentido inverso al poder de penetración. Las radiaciones nucleares al ser ionizantes pueden generar cambio genéticos en los seres vivos por lo que son peligrosas.

3. Radiactividad


Un núcleo es inestable cuando emite partículas y/o radiación electromagnética de manera espontánea lo que se conoce como emisión radiactiva o radiactividad. En 1869el físico Henri Becquerel vio por primera vez este fenómeno y descubrió que los minerales de uranio podían velar una placa fotográfica sin luz concluyendo que emitían radiaciones en forma espontánea. Después Marie Curie y su esposo Pierre Curie buscaron otras sustancias con esas características. Llamaron al polonio y al radio elementos radiactivos.
Como la radiactividad no se percibe se usa un elemento llamado contador Geiger-Muller.

2. ¿Qué mantiene unidas a las partículas del núcleo?

Existe una fuerza llamada interacción nuclear fuerte que vence la repulsión entre protones y mantiene unido el núcleo. Es una fuerza atractiva de corto alcance que actúa a distancias entre partículas del orden de 10 -15 m. Actuando entre dos protones, dos neutrones, o entre un protón y un neutrón. Mientras mayor es esta fuerza más estable es el núcleo atómico.

¿De dónde proviene la energía que mantiene unidas a las partículas del núcleo?

Albert Einstein planteó que la masa no se crea ni se pierde sino que se transforma en energía la que es necesaria para mantener unidas a las partículas del núcleo, según la relación de equivalencia masa-energía:

 E= m x c 2  en donde c es la velocidad de la luz (3x 108 m/s) 

Luego la variación de masa (masa final – masa inicial) entonces la energía es:

DE= Dm x c2

La energía se expresa en joules. Esta ecuación nos indica que parte de la masa del núcleo tiene una equivalencia en energía, la que necesita para mantener los nucleones unidos.

1. Nucleo atómico

Ernest Rutherford realizó un experimento junto con su equipo de trabajo aplicando la técnica de dispersión por choque, en la cual bombardeaba una lámina de oro con partículas alfa cargadas positivamente. Alrededor puso una pantalla circular la que permitía ser atravesada o detenía algunas partículas. Según este experimento se concluyó la existencia del núcleo atómico en el que se concentra más del 99% de la masa con carga positiva. La otra parte del átomo es vacía y allí se ubican los electrones girando en órbitas circulares alrededor del núcleo constituyendo la corteza atómica. Después el científico Niels Bohr perfeccionó el modelo anterior asignándoles a los electrones órbitas definidas en torno al núcleo. Desde 1925 se le han realizado modificaciones al modelo de Bohr hasta llegar al actual; que explica el comportamiento del electrón en átomos con varios electrones. James Chadwick en 1932 descubrió el neutrón que carece de carga eléctrica y semejante al protón.  Así llegamos al modelo actual que posee en su núcleo partículas positivas (protones) y partículas neutras (neutrones). Ambas partículas reciben el nombre de nucleones. Orbitando alrededor del núcleo están los electrones de carga negativa.

1.1  Isótopos



Frederick Soddy demostró experimentalmente la existencia de varios átomos de un mismo elemento pero con distinta masa. Los llamó isótopos los cuales tienen igual número atómico (protones) y diferente número másico (neutrones). Tienen iguales propiedades químicas (poseen igual número de electrones), pero sus propiedades físicas son diferentes. Se anotan con su símbolo un guión y su número másico o el número másico como superíndice y el atómico como subíndice llamándose núclido.