Radiactividad

El fenómeno fue descubierto en 1896 por el físico frances Becquerel que al observar las sales de uranio estas podían ennegrecer una placa fotográfica, aunque estuvieran separadas de la misma por una lamina de vidrio o un papel negro. También comprobó que los rayos que producían el oscurecimiento podían descargar un estetoscopio, lo que indicaba que poseían carga eléctrica. En 1896, los químicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos en independiente de su fenómeno físico o químico. También llegaron a la conclusión que la pechblenda, un mineral de uranio, tenia que contener otros elementos radiactivos ya que presentaba una radioactividad más intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel. El matrimonio Curie llevo a cabo una serie de tratamientos químicos de la pechblenda que condujeron al descubrimientos de dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Marie curie también descubrió que el torio es radiactivo.

En 1899, el químico frances Andre Louis Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año los físicos británicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radon, observado en asociación con el torio, el actinio, y el radio.

Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna de las conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con las desintegración del radio y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 240 julios (100 calorías) de energía cada hora. Este efecto de calentamiento continua hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de un gramo de carbón produce un total de 34000 julios (unas 8000 calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos del fenómeno.

Por esto se define a la radiactividad como un fenómeno caracterizado por la transformación espontánea de un núcleo atómico en otro, acompañada de la emisión de partículas y radiaciones electromagnéticas.

Átomo

El concepto de átomo fue ya propuesto por filósofos griegos como Demócrito y los Epicúreos. Sin embargo fue olvidado hasta que el químico inglés John Dalton revisó la idea en su teoría atómica. En el siglo XIX, gracias a los trabajos de Avogadro, se comenzó a distinguir entre átomos y moléculas. La visión moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta el experimento de Rutherford en 1911 y el modelo atómico de Bohr. Posteriores descubrimientos científicos, como la teoría cuántica, y avances tecnológicos, como el microscopio electrónico, han permitido conocer con mayor detalle las propiedades físicas y químicas de los átomos. Aunque la mayor parte de un átomo es espacio vacío, los átomos están compuestos de partículas más pequeñas. Por conveniencia se suele dividir en:

núcleo: en el centro, compuesta por los nucleones (protones y neutrones)

corteza: la parte más externa consistente en una nube de electrones

En el caso de átomos en estado neutro el número de electrones es idéntico al de protones que es lo que caracteriza a cada elemento químico. El número de protones de un determinado átomo se denomina número atómico y determina su posición en la tabla periódica de los elementos. Los átomos con el mismo número atómico, pero distinta masa atómica (por tener diferente número de neutrones) se denominan isótopos.

Isótopos Los átomos del mismo elemento pueden tener diferente número de neutrones; las diferentes versiones posibles de cada elemento son llamadas isótopos. Por ejemplo, el isótopo mas común del hidrogeno no tiene ningún neutrón; pero también hay un isótopo del hidrogeno llamado deuterio con un neutrón y otro, tritio, con dos neutrones.

Hidrogeno Deuterio Tritio

Isótopos estables e inestables: Los átomos que componen la materia tienen un número fijo de protones y electrones para cada uno de los elementos. Pero, un mismo elemento, por ejemplo el Carbono, puede poseer un diferente número de neutrones. Los átomos de carbono tienen generalmente 6 protones y 6 neutrones, y por lo tanto, dan un peso atómico de 12. Pero, hay átomos de carbono con peso atómico 13, que es un isótopo estable, y también átomos de carbono con peso atómico 14, inestable o radiactivo ya que emite radiactividad a medida que se transforma en un elemento estable. Algunos isótopos son estables; en cambio, otros son inestables, con propiedades radiactivas. Los isótopos estables son los que no se descomponen con el tiempo y entre ellos se incluyen algunos isótopos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, carbono y azufre. Los núcleos radiactivos se desintegran en el tiempo a una velocidad que es particular para cada isótopo.

La vida media de un radioisótopo o periodo de semidesintegracion es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos originales. Por ejemplo, la vida media del isótopo de uranio 238 es de 4,5 x 10º años, mientras que la del cobalto 60 es de 5,7 años.

Isótopos radiactivos: también llamados radioisótopos, tienen cierta proporción de átomos con núcleos inestables, los cuales se desintegran hasta formar núcleos estables, emitiendo radiaciones.

La radiactividad se manifiesta en los siguientes casos:

-Numero de protones altos (mayor que 83)

-Núcleos con excesos de protones

-Núcleos con excesos de neutrones.

Radiaciones Aunque no siempre nos damos cuenta todos los cuerpos emiten radiación. ¿Qué pasa cuando le entregamos calor a un trozo de hierro? Al principio se sigue viendo negro, aunque si acercamos la mano podemos sentir la radiación que emite: no visible. Luego empieza a ponerse rojo oscuro (visible), pasa al naranja hasta volverse casi amarillo. Este comportamiento demuestra esta propiedad general: los cuerpos que se encuentran a bajas temperaturas emiten ondas largas, mientras que los que se encuentran a altas temperaturas emiten ondas mas cortas, es decir con mayor energía.

Radiación de onda corta: radiación de onda larga:

Radiación infrarroja (no visible): es emitida en gran cantidad por átomos de los cuerpos calientes, los cuales se encuentran en una constante e intensa vibración. El calor que sentimos cuando estamos cerca de un metal candente se debe en gran parte a los rayos infrarrojos que emite y estos son absorbidos por nuestro cuerpo. Radiación visible: constituyen una región espectro electromagnético que tiene una importancia especial para nosotros. Esta radiación es capas de estimular la visión humana, pues se tratan de ondas luminosas o luz.

Clases de la radiación: -Radiación alfa: son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones. Son derivadas por campos eléctricos y magnéticos. Son pocos penetrantes aunque muy ionizantes. -Radiación beta: son flujos de electrones resultantes de la desintegración de los neutrones del núcleo. Es derivado por campos eléctricos y magnéticos. Es más penetrante aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. -Radiación gamma: son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al no tener carga, los campos eléctricos y magnéticos no la afectan. Es muy peligrosa

Efectos biológicos de las radiaciones: Toda materia viva se halla expuesta a múltiples tipos de radiaciones y constituyen estímulos, específicos e inespecíficos, fisiológicos, patológicos o terapéuticos. Se distinguen los distintos tipos de radiaciones: 1-ondas cortas, poseen propiedades antiinflamatorias y analgésicas y se utilizan predominantemente en reumatología. 2-rayos infrarrojos, producen calor. 3- luz visible, constituye el estimulo especifico de los conos y bastones de las retinas. 4- rayos ultravioletas, pigmentan la piel y poseen poder antirraquítico su irradiación excesiva origina productos inactivos, predispone al desarrollo del cáncer de la piel y junto con la radiación de la luz visible es causa de inflamaciones cutáneas y de la cornea; si esta irradiación es muy intensa origina el síndrome de la insolación. 5- rayos x, atraviesan determinadas sustancias opacas. 6- radiación de partículas alfa, beta, rayos gamma y neutrones.

Radiactividad natural: El físico francés Henri Becquerel, en 1896, mientras investigaba con cuerpos fluorescentes, como el sulfato de uranio y el potasio, halló una nueva propiedad de la materia como es su capacidad de emitir radiaciones. Este descubrimiento, al que luego Marie Curie llamó "radiactividad", se debía a que ciertos elementos tienen la propiedad de emitir radiaciones semejantes a los rayos X en forma espontánea. Tal radiación era penetrante y provenía del cristal de uranio sobre el cual se investigaba.

Radiactividad artificial: Al bombardear diversos núcleos atómicos con partículas alfa de gran energía, se pueden transformar en un núcleo diferente y se transforma en un elemento que no existe en la naturaleza. Los esposos Irene Curie y Frédéric Joliot, experimentando con tales procesos descubren la radiactividad artificial, pues se percatan que al bombardear ciertos núcleos con partículas procedentes de fuentes radiactivas estos se vuelven radiactivos. Si la energía de las partículas es adecuada, entonces puede penetrar en el núcleo generando su inestabilidad y induciendo su desintegración radiactiva. Desde el descubrimiento de los primeros elementos radiactivos artificiales, el hombre ha logrado en el tiempo obtener una gran cantidad de ellos. Es clave en este proceso la aparición de los llamados aceleradores de partículas y de los reactores nucleares. Estos últimos son fuente importante de neutrones que son utilizados para producir gran variedad de radioisótopos.

Efectos biológicos de la radioactividad en los seres vivos

Las radiaciones radiactivas y de rayos x desarrollan efectos biológicos cuando su longitud de onda alcanza cifras inferiores a 10 A. La respuesta de las célula a este agente no varia cualitativamente con el tipo de radiación, pero los signos y síntomas difieren según la intensidad de las radiaciones y las sensibilidad de los tejidos irradiados. Esta sensibilidad esta definida por las leyes de Bergonié-Tribondeau: "las células son tanto mas sensibles a las radiaciones cuanto mayor sea su capacidad de reproducción y menos definidas se hallen su morfología y función". Toda materia viva se halla expuesta a una mínima ionización procedente de las radiaciones cósmicas y, de la radioactividad desprendida en este tipo de experimentos. El estroncio 90 constituye el elemento mas peligrosos de las precipitaciones radiactivas, a causa de su vida media es muy larga (25 años), de su analogía química con el calcio y de las rápidas captación por animales y plantas. Las radiaciones ionizantes se acumulan en el organismo y pueden desarrollar efectos nocivos. Los trastornos determinados por las radiaciones se estudian en tres apartados: 1- trastornos genéticos, constituyen un agente mutágeno sumamente poderoso y son de carácter acumulativo. 2-trastornos debidos a la irradiación crónica, componen una amplia gama de anomalías, desde anemia arregenerativa y leucemia a un acortamiento de la vida, predispone el desarrollo del cáncer. 3-trastornos debidos a la irradiación aguda, efectos de la bomba atómica, síndrome de irradiación aguda. Los síntomas mas precoces son nauseas y diarreas; aparecen después ulceras, septicemia y mas tarde hemorragias por trombositopienia.

Fisión y fusión nuclear

La fisión nuclear es ruptura de un núcleo pesado en dos o, a veces, tres fragmentos de masas aproximadamente iguales, acompañada de la emisión de neutrones de una considerable energía en forma de rayos gamma.

Energía de fisión

La energía desprendida en la fisión esta determinada por la energía que mantiene unidas a las partículas nucleares. Al formarse un núcleo a partir de sus protones y neutrones libres se produce una perdida o defecto de masa. El núcleo resultante tiene una masa inferior a la suma de las masas de los nucleones en estado libre. La perdida de masa da lugar a una desprendimiento de energía que viene determinado por la relación de Einstein: E = m . c² (E, energía desprendida; m, masa que desaparece en el proceso;

c, velocidad de la luz en el vació)

Productos de la fisión: los productos de la fisión nuclear dependen del modo que esta producido. En todo caso, la proporción de neutrones respecto los protones existen un núcleo pesado estable es el orden 1,5 superior a la que se registra en núcleos intermedios, que solo alcanzan valores entre 1,3 y 1,4. Esto hace que en una primera fase se desprendan neutrones residuales. Por otro lado, los núcleos residuales poseen una energía superior a la correspondiente a su estado fundamental, quedando energéticamente excitados, por lo que se desexcitan emitiendo radiaciones gamma de alta energía. Al margen de lo anterior, los núcleos residuales pueden tener todavía un exceso de neutrones, por lo que se trasmutan por emisión de partículas beta, reacción en la que un neutrón se transforma en protón, elevado el numero atómico del núcleo residual. Así, dado el numero de distintos números residuales que pueden producirse, en los productos de la fisión aparecen residuos radiactivos que pueden tardar miles de años en estabilizarse, lo que requiere un cuidadoso proceso de almacenamiento permanente de dicho residuos durante el largo tiempo en que su actividad es peligrosa. Un segundo tipo de residuos radiactivos es el que se genera por la acción de los neutrones emitidos con las paredes del instrumental del recinto donde se produce la fisión, lo que exige una adecuada selección de los materiales para que su actividad sea pequeña y de alta duración.

En cambio, la fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos, o un núcleo y una partícula, se unen para formar un nuevo núcleo de mayor masa. Para los núcleos ligeros, estos procesos van acompañados del desprendimiento de energía, partículas o ambas cosas. Este tipo de reacciones son la fuente principal de energía de las estrellas y se usan en las bombas termonucleares, o de hidrógeno.

El proceso de fusión nuclear puede ser considerado como inverso al de fisión nuclear y responde a causas similares. En la fusión, dos núcleos ligeros cuya energía de enlace por nucleón es pequeña se unen para dar lugar a un núcleo más pesado y con mayor energía de enlace por nucleón. En el proceso se desprende una gran cantidad de energía determinada por la perdida de masa que se produce, ya que la masa del núcleo resultante es menor que la suma de las masas de los núcleos que se fusionan. La relación entre la energía desprendida y la masa perdida en el proceso viene determinada por la relación masa-energía de Einstein: E = m . c² (E, energía desprendida; m, masa que desaparece en el proceso; c, velocidad de la luz en el vació)

Usos y aplicaciones de la Radiactividad

Producción de electricidad en la central nuclear

Una central nuclear tiene cuatro partes:

1. El reactor en que se produce la fisión.

2. El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir el agua.

3. La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor.

4. El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua liquida.

La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad.

En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que ésta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca liquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293° C.

Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica.

Finalmente el agua es enfriada en torres de enfriamiento.

Reactor: Los reactores nucleares pueden ser de dos tipos, dependiendo de que las reacciones que se produzcan en su interior sean de fisión o de fusión.

Los reactores varían en tamaño y complejidad desde simples recipientes abiertos hasta los equipados con calentadores o refrigeradores internos, vías de entrada y de salida para los productos que se van a añadir o para los ya elaborados, agitadores especiales, paredes resistentes y herméticamente cerrados para conseguir en su interior presiones especialmente altas o bajas.

Esquema de los reactores de uranio: arriba de agua en ebullición, debajo de agua de presión

Repercusiones ambientales de la energía nuclear

Una de las ventajas que los defensores de la energía nuclear le encuentran es que es mucho menos contaminante que los combustibles fósiles. Comparativamente las centrales nucleares emiten muy pocos contaminantes a la atmósfera.

Los que se oponen a la energía nuclear argumentan que el hecho de que el carbón y, en menor medida el petróleo y el gas sean sucios no es un dato favorable para la centrales nucleares. Que lo que hay que lograr es que se disminuyan las emisiones procedentes de las centrales que usan carbón y otros combustibles fósiles, lo que tecnológicamente es posible, aunque encarece la producción de electricidad.

Problemas de contaminación radiactiva

En una central nuclear que funciona correctamente la liberación de radiactividad es minimamente y perfectamente tolerable ya que entra en los márgenes de radiación natural que habitualmente hay en la biosfera.

El problema ha surgido cuando han ocurrido accidentes en alguna de las más de 400 de las centrales nucleares. Una planta nuclear típica no puede explotar como si fuera un bomba atómica, pero cuando por un accidente se producen grandes temperaturas en el reactor, el metal que envuelve el uranio se fuente y se escapan radiaciones. También pude escapar por accidente el agua del circuito primario, que esta contenida en el reactor y es radiactiva, a la atmósfera.

Desechos nucleares:

Los residuos que se generan con el uso del uranio o cualquier elemento radiactivo deben ser tratados para que no emitan radiaciones al ambiente. Por esos es que estos desechos son almacenados en grandes silos de hormigón armado, con láminas de acero. Esto hace que los desechos no salgan al medio ambiente. Dichos desechos están guardados en los silos que se encuentran en la planta nuclear a donde fue utilizada.

Actualmente se esta tratando un proyecto donde los residuos producidos en la central de Embalse serán almacenadas en la Patagónia. Este lugar tiene las condiciones geológicas y geográficas necesarias para el almacenamiento de estos residuos.