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Rayos X Hace algo más de un siglo, en 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), científico alemán de la Universidad de Würzburg, descubrió una radiación (entonces desconocida y de ahí su nombre de rayos X) que tenía la propiedad de penetrar los cuerpos opacos Los rayos X son invisibles a nuestros ojos, pero producen imágenes visibles cuando usamos placas fotográficas o detectores especiales para ello.
Imagen radiográfica de una soldadura bien hecha
Soldadura mal hecha por falta de penetración (línea
negra)
De casi todos son conocidas las aplicaciones de los rayos X en el campo de la Medicina para
realizar radiografías, angiografías (estudio de los vasos sanguíneos) o las llamadas tomografías computarizadas. Y el uso de los rayos X se ha extendido también a la detección de
fallos en metales o análisis de pinturas. Históricamente hablando, pasaron muchos años desde el descubrimiento de los rayos X en 1895, hasta que el descubrimiento de esta radiación revolucionó los campos de la Física, la Química y la Biología. La potencialidad de su aplicación en estos campos vino indirectamente de la mano de Max von Laue (1879-1960), profesor sucesivamente en las Universidades Munich, Zurich, Frankfurt, Würzburg y Berlín, quien pretendiendo demostrar la naturaleza ondulatoria de esta nueva radiación usó un cristal de blenda frente a los rayos X, obteniendo la confirmación de su hipótesis y demostrando al mismo tiempo la naturaleza periódica de los cristales. Laue recibió por ello el Premio Nobel de Física de 1914. Pero quienes realmente sacaron provecho del descubrimiento de los alemanes fueron los británicos Bragg (padre e hijo), William H. Bragg (1862-1942) y William L. Bragg (1890-1971), quienes en 1915 recibieron el Premio Nobel de Física al demostrar la utilidad del fenómeno que había descubierto von Laue para obtener la estructura interna de los cristales. Pero todo esto será objeto de apartados posteriores. Los rayos X son radiaciones electromagnéticas, como lo es la luz visible, o las radiaciones ultravioleta e infrarroja, y lo único que los distingue de las demás radiaciones electromagnéticas es su llamada longitud de onda, que es del orden de 10
-10 m (equivalente a la unidad de
longitud que conocemos como Angstrom). Los rayos X que más interesan en el campo de la Cristalografía de rayos X son aquellos que disponen de una longitud de onda próxima a 1 Angstrom (fundamentalmente los denominados rayos X "duros" ) y corresponden a una frecuencia de aproximadamente 3 millones de THz (tera-herzios) y a una energía de 12.4 keV (kilo-electrón-voltios), que a su vez equivaldría a una
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temperatura de unos 144 millones de grados. Estos rayos X se producen en los laboratorios de Cristalografía o en las llamadas grandes instalaciones de sincrotrón (como el ESRF: European
Synchrotron Radiation Facility).
Los equipos que se utilizan en los laboratorios de Cristalografía para producir estos rayos X son relativamente sencillos. Disponen de un generador de alta tensión (unos 50.000 voltios), que se suministra al llamado tubo de rayos X, que es realmente donde se produce la radiación.
Esos 50 kV se suministran como diferencia de potencial (alto voltaje) entre un filamento incandescente (por el que se hace pasar una corriente i de bajo voltaje, unos 5 A a unos 12 V) y un metal puro (normalmente cobre o molibdeno), estableciéndose entre ambos una corriente de unos 30 mA de electrones libres. Desde el filamento incandescente (cargado negativamente) saltan electrones hacia el ánodo (cargado positivamente) provocando, en los átomos de este último, una reorganización electrónica en sus niveles de energía
Estado energético de los
electrones en un átomo del ánodo que va a ser alcanzado por un
electrón del filamento
Estado energético de los
electrones en un átomo del ánodo después del impacto con un
electrón del filamento
Electrones que vuelven a su estado inicial, emitiendo esta energía en forma de rayos X
llamados característicos
Esquema sobre la producción de rayos X característicos de un metal. Un electrón de alta energía puede producir la salida de un electrón cercano al núcleo. La vacante así producida se rellena por el salto de otro electrón de una capa superior, con mayor energía. Esa diferencia de energía entre niveles (característica del átomo) se transforma en radiación X característica, con una longitud de onda (energía) determinada. Animación tomada de
En las grandes instalaciones de sincrotrón, la generación de los rayos X es distinta. Una instalación sincrotrónica contiene un anillo muy grande (del orden de kilómetros) por el que se hacen circular electrones a altísima velocidad en el interior de canales rectilíneos que de vez en
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cuando se quiebran para adaptarse a la curvatura del anillo. A estos electrones se les hace cambiar de dirección para pasar de un canal a otro usando campos magnéticos de gran energía. Y es en ese momento, en el cambio de dirección, cuando los electrones emiten una radiación muy energética denominada radiación sincrotrónica. Esa radiación está compuesta por un contínuo de longitudes de onda que abarcan desde las microondas hasta los llamados rayos X duros.
Esquema del punto de giro entre dos segmentos rectilíneos en un sincrotrón. Imagen adaptada según aparece en el ESRF
Detalle de cómo se producen los rayos X en las curvaturas de la trayectoria de los electrones en un sincrotrón. Imagen adaptada según aparece en el ESRF
Los rayos X que se obtienen en las instalaciones de sincrotrón tienen dos grandes ventajas para la Cristalografía de rayos X: 1) la longitud de onda se puede modular a voluntad, y 2) su
brillo es un billón de veces (1012
) superior a la de los rayos X convencionales.
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La Radiactividad
El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel en
1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba
un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica
envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba
velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol
y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima.
Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia
ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía
una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie
Curie llamaría más tarde radiactividad.
Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que
había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que
otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la
radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental
del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los
átomos. En 1898 descubren dos nuevas sutancias radiactivas: el radio y el polonio,
mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y
Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado
de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura
y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de
las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el
premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad
natural. Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por
el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en
la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford,
quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres
componentes que denominó: alfa, beta y gamma.
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Como se observa en la Figura, las partículas son desviadas levemente por la presencia
de placas eléctricas, hacia el polo (- ), las partículas se desviaban bastante en la
dirección del polo (+) de manera similar al electrón, con las mismas características de
masa, etc. Finalmente, los rayos simplemente no eran afectados por la presencia de
campos externos. Aplicando entonces las mismas ecuaciones a las descritas
anteriormente para electrones y Espectros de Masas, se logró determinar para cada una
lo siguiente:
La radiación es un haz de electrones provenientes del núcleo del átomo.
Los rayos consisten de partículas cargadas positivamente en la cantidad 2+. Las
partículas son comparativamente de mucho mayor masa que las partículas . La
medición de su masa dio por resultado que correspondía a ser iones de Helio, He++.
Los rayos no transportan carga, no poseen masa medible, son de alta energía y su
movimiento es semejante al de los rayos X;
no
corresponden a partículas.
Los rayos son de baja penetrabilidad: los detiene una hoja de
papel. En cambio, los rayos son alrededor de 100 veces más
penetrante y los rayos son 1000 veces más penetrante en la
materia. La figura muestra de manera gráfica esta capacidad de
cada una de las radiaciones planteadas, junto a una tabla de sus características.
Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida,
prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los
rayos X, recien descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por
su querido radio, Mme Curie murió a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene
continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la
radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel.
Radiactividad
El calor natural de la Tierra que calienta a las aguas termales, o que proporciona
energía a los géiseres o a un volcán proviene de las reacciones químicas nucleares que
son producidas por la radiactividad de los minerales del interior de la Tierra.
La radiactividad libera energía, pero no ha llegado a ser una fuente importante. En
pequeña escala, la radiactividad se usa para alimentar pequeñas fuentes de energía en
los vehículos espaciales y hace que se caliente una muestra de radio. A gran escala
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funde rocas y es la fuente de energía geotérmica que proviene del interior de la Tierra.
Las reglas de la radiactividad están regidas por la equivalencia entre la masa y la
energía. Las partículas se desintegran sólo si los productos combinados tienen menos
masa después de la desintegración que antes. La masa de un neutrón es ligeramente
mayor que la masa total de un protón más un electrón (y el antineutrino). Cuando un
neutrón se desintegra la masa final es menor que la masa inicial.
Uno de los factores que limitan el número de núcleos atómicos estables diferentes que
pueden existir es la inestabilidad del neutrón. No se produce una desintegración
espontánea en las reacciones químicas nucleares en las que la masa final es mayor que
la masa inicial. EL nucleo es una pequeña región central del átomo donde se encuentran
distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben
el nombre de nucleones. La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción
eléctrica. Es más, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración.
El hecho de que en el núcleo existan protones y neutrones es un indicador de que debe
existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente
relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama
nuclear y es la que predomina en el núcleo. Para explicar la naturaleza de las fuerzas
nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los núcleos, es necesario
analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene una masa y está cargado
electricámente. Además, tiene un tamaño que se puede medir por su radio. Los
nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones mutuas y la intensidad de sus
interacciones se puede medir por su energía de enlace o energía de ligadura nuclear.
Los nucleidos se clasifican en:
Isótopos: núcleos con igual número de protones, pero distinto número
de neutrones, y por tanto distinto número másico.
Isótonos: núcleos con igual número de neutrones, pero distinto
número de protones, y por tanto distinto número másico.
Isóbaros: núcleos con distinto número de protones y distinto número
de neutrones, pero igual número másico.
Un núcleo se considera estable si no se transmuta(desintegra) en 1021
años, si bien puede
transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones.
Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el
resto ha sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 nucleidos, de
los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han
producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los nucleidos son radiactivos.
Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el
tiempo formando otros nucleidos.
ENERGIA DE ENLACE NUCLEAR
Se define como la energía necesaria para separar los nucleones de un núcleo, o bien
como la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el núcleo.
El origen de la energía de ligadura o de enlace nuclear reside en la desaparición de una
parte de la masa de los nucleones que se combinan para formar el núcleo. Esta
diferencia de masa recibe el nombre de defecto másico, y se transforma en energía cuyo
cálculo se puede realizar por la ecuación de Einstein, E=m.c2
Si a la suma de las masas de los nucleones y electrones de un átomo le restamos la masa
medida experimentalmente a través del espectrógrafo de masas, obtenemos el defecto
másico, y podemos calcular la energía total de enlace. La energía de enlace o de
ligadura será equivalente a la energía liberada en la formación de un núcleo.
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La u.m.a. se define como la doceava parte de la masa del átomo 6C12
y 1 u.m.a.=1'66.10-
27Kg, por lo que sustituyendo en la ecuación de Einstein, E=m.c
2, E = 931.5 MeV, es
decir, 1 u.m.a. libera 931'5 MeV. Por tanto, la energía liberada (B) en la formación de
un núcleo será:
B = defecto másico × 931 MeV.
CARACTERISTICAS DE LAS FUERZAS NUCLEARES
Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de gran intensidad dado el tamaño
de los núcleos y su enorme densidad, que predominan en el núcleo venciendo la
repulsión electrostática entre los protones.
Son de corto alcance, es decir, cada nucleón interacciona con los nucleones más
próximos, si bien a distancias muy cortas, las fuerzas nucleares se hacen
repulsivas lo que explica que los nucleones permanezcan a distancias medias
constantes y que el volumen por nucleón sea constante.
La fuerza de interacción entre dos nucleones es independiente de la carga, por lo
que la fuerza entre dos nucleones, bien sean protón-protón, neutrón-neutrón o
protón-neutrón, es aproximadamente la misma
Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos diferentes de los que cerca de 300
son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del
tiempo. La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones
que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los
elementos químicos ligeros, por ejemplo, los isótopos 612
C, 714
N y 816
O son estables. Al
graficar el número de neutrones “contra” el número de protones de los isótopos se
obtiene la zona conocida como “el cinturón de estabilidad”
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.
N= neutrones Z=PROTONES
Los isótopos estables tienen una relación neutrones/protones que cae dentro del
“cinturón de estabilidad”. Para isótopos ligeros de peso atómico pequeño, la relación
estable es de 1.0 y para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1.5. No existen
isótopos estables para elementos químicos de número atómico mayor a 83 (el bismuto).
Los isótopos que tienen una relación neutrones/protones mayor o menor al “cinturón de
estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de
reacción nuclear que se llama radiactividad. A medida que aumenta el número atómico
Un núcleo inestable produce una reacción química llamada descomposición radiactiva o
desintegración. En la naturaleza existen sólo unos pocos núcleos inestables y su
descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad natural. En el
laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de
descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial. La radiactividad
natural emite tres radiaciones que se conocen como radiaciones alfa (), beta () y
gamma (), y nunca se emiten positrones.
La radiación alfa () consiste en la emisión de partículas con carga positiva de +2
y con una masa de 4 uma. Estas partículas son idénticas a los núcleos de los átomos de
helio ordinario 24He
+2. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados
situados al final de la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen muchos protones
y la repulsión eléctrica es muy fuerte pn, por lo que tienden a obtener N
aproximadamente igual a Z, y para ello emite una partícula alfa. En el proceso se
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desprende mucha energía que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, es
decir que estas partículas salen con velocidades muy altas.
En el proceso un núcleo cualquiera de número másico A y número atómico Z, se
convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nºatómico Z-2, y se emite una
partícula alfa.
ZAX ----> Z-2
A-4H +
4 He
2+
Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico disminuye en 2
unidades y su masa atómica disminuye en 4 unidades. Por ejemplo, si un átomo de
uranio de número atómico 92 y número de masa 238, emite una partícula alfa se
produce un isótopo de torio de número atómico 90 y número de masa 234. El proceso
nuclear se representa mediante la ecuación química nuclear:
92 238
U ---> 90 234
Th + radiación alfa + radiación gamma.
Como partículas alfa son núcleos de helio, 24He
2+, contienen 2 protones y 2
neutrones, y una carga de +2, pero por convención la ecuación anterior se representa
como:
92 238
U ---> 90 234
Th + 24He
Esta ecuación química es una ecuación química nuclear típica en la que se conservan
tanto los números de masa como los números atómicos, es decir, el número de masa del
“reactivo” (238) es igual a la suma de los números de masa de los “productos” (234 + 4)
y el número atómico (92) es igual a la suma de los números atómicos de los “productos”
(90 + 2)
La radiación beta () consiste de una emisión de partículas cargadas negativamente,
de propiedades idénticas a las de los electrones. La emisión de partícula (m=0, carga =
-1) transforma a un neutrón (masa = 1, carga = 0) del núcleo en un protón (masa = 1,
carga = +1). Por lo tanto, la emisión de radiación no cambia el número de masa, pero
el número atómico aumenta en una unidad Aparece para cualquier tipo de núcleo, pero
es típica de núcleos con exceso de neutrones, es decir n>p. Es un mecanismo usado por
los núcleos para llegar a la línea de estabilidad (N aproximadamente igual Z)
La radiación Beta- consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los
núcleos, pero en el núcleo sólo hay protones y neutrones, ¿cómo puede emitir
electrones? En 1934 Fermi explicó esta radiación suponiendo que en la desintegración
beta menos, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino
mediante la reacción:
n0 ----> p
+ + e
- + antineutrino
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La emisión beta menos da como resultado otro núcleo distinto con un protón más, la
reacción sería:
ZAX ----> Z+1
AY + e
-+ antineutrino
.Un ejemplo de emisión de radiación es la desintegración radiactiva del torio-234 (90
protones y 144 neutrones) a protactinio-234 (91 protones y 143 neutrones) más
radiación , que se representa mediante la ecuación química nuclear:
90234
Th ---> 91234
Pa + -10e
RADIACIÓN BETA positiva
Mediante este mecanismo un núcleo emite espontáneamente positrones, e+,
antipartículas del electrón de igual masa pero con carga eléctrica opuesta. Lo que ocurre
es que un protón del núcleo se desintegra dando lugar a un neutrón, un positrón o
partícula Beta+ y un neutrino . Así el núcleo se desprende de los protones que le sobran
y se acercan a la línea de estabilidad N = Z. Por ello se da en núcleos con exceso de
protones. la reacción sería:
p+nº +e
+
ZAX ----> Z-1
AY + e
++ neutrino
Algunos ejemplos son:
30P ---->
30Si + e
+
40K ---->
40Ar + e
+
Captura electrónica
Se da en núcleos con exceso de protones. El núcleo captura un electrón de la corteza
electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.
p+ + e
- ----> n
0 + neutrino
ZAX + e
- ----> Z-1
AY + neutrino
La radiación gamma ()
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Consiste en una emisión de fotones de alta energía y de longitud de onda muy corta (
= 0.0005 a 0.1 nm). La emisión de radiación gamma acompaña a casi todas las
reacciones nucleares. Se produce debido a un cambio de energía en el núcleo. Un núcleo
excitado, procedente de la emisión de partículas o , emite a su vez un fotón,
descendiendo a un estado energético más bajo y más estable. La radiación no produce
ningún cambio en el número atómico ni en el número de masa. Esta es la razón por la
que suele no escribirse en las ecuaciones de las reacciones nucleares. Es una radiación
muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena con planchas de plomo y
muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética, de los tres tipos de
radiación es la más peligrosa.
ZAX
* ----> Z
AX + Rad gamma
Ley de desintegración radiactiva
En 1902 Ernest Rutherford y Frederick Soddy, sugirieron que el ritmo con que una
sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el
tiempo. La desintegración radiactiva tiene lugar cuando un elemento se transforma en
otro cambiando el número de nucleones que forman el núcleo. Es un fenómeno
probabilístico que sigue la ley de Poisson. De forma natural sólo ciertos isótopos son
adiactivos. Cuando se transforman en otros elementos se dice que decaen. El elemento
de partida se llama isótopo radiactivo, radioisótopo o isótopo padre, y aquel en el que se
transforma se conoce como elemento hijo o isótopo radiogénico.
Para caracterizar el decaimiento radiactivo de un material se utiliza el periodo de
semidesintegración, T1/2. Es el tiempo que debe transcurrir para que se desintegren la
mitad de los isótopos dados.
La cantidad de radioisótopo N que permanece sin desintegrar transcurrido un tiempo
dado se relaciona con la cantidad inicial No a través de la ley de decaimiento
radiactivo:donde N es el número de núcleos que quedan sin desintegrar, N0 es el número
de núcleos iniciales, y N0 - N es el número de núcleos desintegrados. La constante
lambda λes la constante de desintegración.
N=No e-λ.t
El fenómeno de la radiactividad es aleatorio sujeto a una cierta probabilidad de
desintegración. Por eso lambda es la probabilidad por unidad de tiempo de que los
núcleos pertenecientes a esa población se desintegren.
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Semivida o periodo de desintegración, T1/2, es el tiempo que tarda una muestra
radiactiva en reducirse a la mitad.
no depende de la cantidad de nucleos (tiene una cinetica de 1er orden)
Se define también la vida media como el tiempo que tarda un núcleo en desintegrarse:
En la tabla siguiente aparecen los periódos de semidesintegración de algunos isótopos
radiactivos.
Berilio-8 10-16
s
Polonio-213 4 10-6
s
Aluminio-28 2.25 min
Yodo-131 8 días
Estroncio-90 28 años
Radio-226 1600 años
Carbono-14 5730 años
Rubidio-87 5.7 10 10
años
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Series Radiactivas
Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto
también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que
aparezca un núcleo estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del
inicial(núcleo padre) forman una serie o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o
familias radiactivas, tres de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los
radionúclidos primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que
sobreviven en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es
comparable a la edad de la Tierra.
Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac-227, la otra
serie radiactiva es laa del Np-297, que debería haberse extinguido, pero las pruebas
nucleares relizadas han liberado estos núcleos y por lo tanto ha vuelto aparecer esta
cadena radiactiva. En cada serie todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232,
por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n
un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series radiactivas.
Series radiactivas
NºMásico Cadena del Padre Semivida (años) Producto final
4n Torio Th-232 1.41 1010
Pb-208
4n+1 Neptunio Np-237 2.14 106 Pb-209
4n+2 Uranio-Radio U-238 4.51 109 Pb-206
4n+3 Uranio-Actinio U-235 7.18 108 Pb-208
Magnitudes y unidades radiológicas
Magnitud Definición Unidad
Sistema Internacional Otros
Actividad Nº de desintegraciones por 1 Becquerelio = 1 Bq = 1 Curio = 1 Ci
14
unidad de tiempo 1 d.p.s(desintegración
por segundo)
= 3.7 1010
Bq
Exposición
Carga total dee iones
liberada por unidad de masa
de aire (válido en aire seco)
1 Culombio/kilogramo
= 1 C/kg
1 Roentgen = 1
R = 2.58 10-4
C/kg
Tasa de
exposición
Exposición por unidad de
tiempo 1 C/kg s 1 R/s, 1 R/h
Dosis
absorvida
Energía depositada por
unidad de masa de material
(Análoga a la exposición
pero para materiales)
1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg
1 rad = 100
ergios/gramo
1Gy = 100 rad
Tasa de
dosis
absorvida
Dosis aabsorvida por unidad
de tiempo 1 Gy/s rad/h, rad/min
Dosis
equivalente
La dosis absorvida produce
efectos distintos según el tipo
de radiación, por eso se
define la dosis equivalente
que es independiente de la
radiación que la haya
producido.
1 Sievert = 1 Sv 1 rem , 1Sv =
100 rem
Dosis
efectiva
Suma ponderada de las dosis
equivalentes en los distintos
órganos
1 Sievert = 1 Sv 1 rem 1 Sv =
100 rem
Radiactividad artificial o inducida. Reacciones de bombardeo.
En los últimos 50 años se han obtenido en el laboratorio más de 1200 isótopos
radiactivos. El número de isótopos por elemento químico varía desde uno (hidrógeno y
boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se obtienen por reacciones de bombardeo, en las que
un núcleo estable se transforma en radiactivo. Una reacción típica de bombardeo se
produce, por ejemplo, cuando se bombardea el isótopo estable del aluminio 1327
Al con
neutrones, al absorber un neutrón se transforma en el isótopo 1328
Al que es inestable y se
desintegra con emisión de un electrón formando un isótopo estable de silicio, 1428
Si.
Este proceso se representa mediante las ecuaciones nucleares:
1327
Al + 01n ---> 13
28Al , para la reacción de bombardeo con neutrones.
1328
Al ---> 1428
Si + -10e , para reacción de desintegración.
15
Los primeros isótopos radiactivos artificiales fueron elaborados, en 1934 por Irene
Curie (1897-1956) y Frédéric Joliot (1900-1958), bombardeando isótopos estables con
-30
radiactivo y se libera un neutrón, se representa mediante la ecuación nuclear:
1327
Al + 24He ---> 15
30P + 0
1n
El fósforo-30, que es radiactivo, se desintegra emitiendo una partícula llamada
positrón, que tiene la misma masa que un electrón pero con carga +1 (10e, e
+), este
proceso se representa mediante la ecuación nuclear:
1530
P ---> 1430
Si + 11e
se emiten positrones pero es frecuente en la desintegración en la radiactividad inducida.
Se puede observar en la ecuación de desintegración del fósforo-30, que el resultado de
la emisión de un positrón es la transformación de un protón del núcleo en un neutrón (el
1530
P tiene 15 protones y 15 neutrones y el 1430
Si tiene 14 protones y 16 neutrones).
La emisión de positrones se produce en los isótopos “ligeros” con núcleos poco
estables, debido al bajo contenido de neutrones. Por ejemplo, el isótopo del carbono-11,
611
C, (tiene 6 protones y 5 neutrones) se desintegra formando el boro (511
B) y con la
emisión de un positrón, dicho proceso de desintegración se representa mediante la
ecuación nuclear siguiente:
611
C ---> 511
B + 10e
614
C ---> 714
N + -10e
Una aplicación de las reacciones de bombardeo es la obtención de elementos
químicos muy pesados. Quienes más han contribuido en este campo son los
norteamericanos Glenn Theodore Seaborg (1912- ),
Albert Ghiorso y sus colaboradores y el grupo ruso dirigido por G. N. Flerov. Seaborg
propuso el uso de núcleos muy pesados como partículas de bombardeo para sintetizar
elementos químicos de número atómico mucho más grande que cualquier otro
conocido. Para utilizar este procedimiento se requiere de grandes aceleradores y por este
método se sintetizaron elementos químicos con números atómicos más grandes que el
del uranio (del 93 al 106).
El bombardeo con neutrones es efectivo para sintetizar los siguientes elementos
químicos al uranio, pero el rendimiento decrece rápidamente al aumentar el número
atómico. Por lo que, para sintetizar elementos químicos muy pesados es necesario
bombardear blancos apropiados con iones positivos de alta energía, acelerados a
velocidades muy altas. Es posible conseguir un aumento grande del número atómico,
utilizando como partícula de bombardeo el carbono-12.
Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con neutrones.
16
Uranio-238 ---> Neptunio-239: 92238
U + 01n ---> 92
239U ---> 93
239Np + -1
0
Neptunio-239 ---> Plutonio-239: 93239
Np ---> 94239
Pu + -10e
Plutonio-239 ---> Americio-241: 94239
Pu + 2 01n ---> 94
241Pu ---> 95
241Am
+ -10e
Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con iones positivos.
Plutonio-239 ---> Curio-242: 94239
Pu + 24He ---> 96
242Cm + 0
1n
Curio-242 ---> Californio-245: 96242
Cm + 24He ---> 98
245Cf + 0
1n
Uranio-238 ---> Californio-246: 92238
U + 612
C ---> 98246
Cf + 4 01n
Californio-249 ---> Elemento 104: 98249
Cf + 612
C ---> 104257
Unq + 4 01n
Californio-240 ---> Elemento 105: 98249
Cf + 715
N ---> 105260
Unp + 4 01n
Californio-249 ---> Elemento 106: 98249
Cf + 818
O ---> 106263
Unh + 4 01n
Nota. Los investigadores Estadounidenses propusieron los nombres de
“Rutherfordium” y “Hahnium” para los elementos químicos 104 respectivamente y los
investigadores rusos propusieron “Bohrium” y “Kurchatovium”. La Unión Internacional
de Química Aplicada propuso los nombres de “Unnilquadium”, Unq; “Unnilpentium”,
Unp; y Unnilhexium”, Unh, para los elementos químicos 104, 105 y 106
respectivamente.Los isótopos de los elementos muy pesados tienen un periodo de vida
media muy cortos. La mayor parte de ellos han sido sintetizados en cantidades muy
pequeñas, en algunos casos sólo unos pocos átomos. Uno de los grandes logros de los
investigadores de estos elementos químicos es su habilidad para estudiar sus
propiedades con muestras inferiores a los microgramos. Las evidencias químicas y
físicas de los elementos químicos del 89 (Actino, Ac) al 102 (Nobelio, No) forman una
serie de tierras raras, al ir completando el subnivel 5f. El elemento químico 103 forma
una nueva serie de elementos químicos de transición.
.
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