QUIMICA NUCLEAR

Las reacciones químicas tradicionales ocurren como resultado de la interacción entre la valencia de electrones alrededor del núcleo del átomo. En 1896, Henri Becquerel, expandió el campo de la química para incluir los cambios nucleares cuando descubrió que el uranio emitía radiación. Poco después del descubrimiento de Becquerel, Marie Sklodowska Curie empezó a estudiar la radioactividad y completó en gran medida el primer trabajo sobre cambios nucleares. Curie descubrió que la radiación era proporcional a la cantidad de elementos radioactivos presentes, y propuso que la radiación era una propiedad de los átomos (al contrario a una propiedad química de un compuesto). Marie Curie fue la primera mujer en ganar el Premio Nobel y la primera persona en ganar dos (el primero, compartido con su esposo Pierre y con Becquerel por descubrir la radioactividad; y el segundo por descubrir los elementos radioactivos radio y polonio).

Radiación y Reacciones Nucleares En 1902, Frederick Soddy propuso la teoría que 'la radioactividad es el resultado de un cambio natural de un isótopo de un elemento hacia un isótopo de un elemento diferente.' Las reacciones nucleares incluyen cambios en las partículas del núcleo de un átomo y por consiguiente causan un cambio en el átomo mismo. Todos los elementos más pesados que el bismuto (Bi) (y algunos más livianos) exhiben una radioactividad natural y por consiguiente pueden 'decaer en' hacia elementos más livianos. Al contrario que las reacciones químicas normales que forman moléculas, las reacciones nucleares resultan en la transmutación de un elemento en un isótopo diferente o en un elemento diferente (recuerde que el número de protones de un átomo define el elemento, por lo tanto un cambio de un protón resulta en un cambio de un átomo). Hay tres tipos comunes de radiación y cambios nucleares:

1. La Radiación Alpha (a) es la emisión de una partícula alpha del núcleo de un átomo. Una

partícula a contiene 2 protones y 2 neutrones (y es similar a un núcleo He: ) Cuando un átomo emite una partícula a, la masa atómica del átomo disminuirá cuatro unidades (ya que 2 protones y 2 neutrones están perdidos) y el número atómico (z) disminuirá 2 unidades. Se dice que el elemento se 'transmuta' en otro elemento que es 2 z unidades más pequeño. Un ejemplo de una transmutación a tiene lugar cuando el uranio decae hacie el elemento torio (Th) emitiendo una partícula alpha tal como se ve en la siguiente ecuación: (Nota: en la química nuclear, los símbolos de los elementos tradicionalmente van precedidos de su peso atómico (arriba a la derecha) y el número atómico (arriba a la izquierda)).

2. La Radiación Beta(b) es la transmutación de un neutrón (seguido de la

emisión de un electrón del núcleo del átomo : ). Cuando un átomo emite una partícula b, la masa del átomo no cambiará (puesto que no hay cambio en el número total de partículas nucleares), sin embargo el número atómico aumentará l (porque el neutrón se transmutó en un protón adicional). Un ejemplo de esta descenco del isotopo de carbón llamado carbón-14 en el elemento nitrogeno es el siguiente:

3.La Radiación Gamma (g) incluye la emisión de energía electromagnética (similar a la energía proveniente de la luz) de un núcleo de un átomo. Ninguna partícula es emitida durante la radiación gamma, y por consiguiente la radiación gamma no causa en sí misma la transmutación de los átomos. Sin embargo, la radiación g es emitida generalmente durante, y simultáneamente, a la disminución radioactiva a o b. Los rayos X, emitidos durante la disminución beta del cobalto-60, son un ejemplo común de la radiación gamma

Vida Media La disminución radioactiva procede de acuerdo a un principio llamado vida media. La vida media(T½) es la cantidad de tiempo necesaria para la disminución de la ½ del material radioactivo. Por ejemplo, el elemento radioactivo bismuto (210Bi) puede experimentar disminución alpha para formar el elemento talio (206Tl) con una reacción de vida media igual a 5 días. Si iniciamos un experimento comenzando con 100g de bismuto en un contenedor con la tapa cerrada, después de 5 días tendremos 50g de bismuto y 50g de talio en la jarra. Después de otros 5 días (10 desde el principio), la ½ del bismuto restante disminuirá y nos quedarán 25g de bismuto y 75g de talio en la jarra. Tal como está ilustrado, la reacción procede en mitades, con la mitad de lo que sobra del elemento radioactivo disminuirá su vida media en cada período.

238

92U

4

2He +

234

90Th

238

92U

4

2He +

234

90Th

14

6C

0 -1

e + 14

7N

Disminución Radioactiva del Bismuto-210 (T½ = 5 días)

La fracción del material original que sobra después de la disminución radioactiva puede ser calculada usando la ecuación:

Fracción sobrante = 1 2n(donde n = # de vida media transcurrida)

La cantidad de material radioactivo que sobra después de un número dado de vida media es por consiguiente:

Cantidad sobrante = Cantidad Original * Fracción sobrante

La reacción de disminución y el T½ de una substancia son específicas al isotopo de un elemento que experimenta una disminución radioactiva. Por ejemplo, Bi210 puede experimentar un decaer a Tl206 con un T½ de 5 días. ¡Comparativamente, el Bi215, experimenta un decaer al Po215 con un T½ de 7.6 minutos, y el Bi208 experimenta otro modo de disminución radioactiva (llamada captura del electrón) con un T½ de 368,000 años!

Las Reacciones Nucleares ArtificialesMientras que muchos elementos experimentan disminución radioactiva naturalmente, las reacciones nucleares puede también ser estimuladas artificialmente. Hay dos tipos de reacciones nucleares artificiales:

1) La Fisión Nuclear: son reacciones en las cuales un núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, soltando una gran cantidad de energía en el proceso. Comúnmente esto ocurre al 'lanzar' un neutrón en el núcleo de un átomo. La energía del neutrón en forma de 'bala' provoca la división del blanco en dos (o más) elementos que son menos pesados que el átomo original.

La Reaccón de Fisión del Uranio-235

Durante la fisión de U235, 3 neutrones son soltados adicionalmente a los dos átomos resultantes. Si estos neutrones chocan con núcleos U235 vecinos, ellos pueden estimular la fisión de estos átomos y empezar una reacción en cadena nuclear autónoma. Esta reacción en cadena es la base del poder nuclear. A medida que los átomos de uranio siguen dividiéndose, la reacción libera una significativa cantidad de energía. El calor liberado durante esta reacción es recogido y usado para generar energía eléctrica.

2) La Fusión Nuclear: son reacciones en las cuales dos o más elementos se 'fusionan' para formar un elemento más grande, soltando energía en este proceso. Un buen ejemplo es la fusión de dos isótopos de hidrógeno 'pesado' (deuterio: H2 y tritio: H3) en el elemento helio.

Fusión Nuclear de Dos Isótopos de Hidrógeno

Las reacciónes de fusión liberan enormes cantidades de energía y son comúnmente referidas como reacciones termonucleares. A pesar que mucha gente piensa que el sol es una gran bola de fuego, el sol (y todas las estrellas) son en realidad enormes reactores de fusión. Las estrellas son esencialmente gigantes bolas de gas de hidrógeno bajo tremenda presión debido a las fuerzas gravitacionales. Las moléculas de hidrógeno son fusionadas en helio y elementos más pesados dentro de las estrellas, soltando energía que recibimos como luz y calor.

USOS DE ISÓTOPOS RADIACTIVOSLa primera utilización de los isótopos radiactivos con fines experimentales se realizó en Austria en 1913, justamente diez años después de la concesión del Premio Nóbel a Henry Becquerel y Marie Curie por el descubrimiento de la Radiactividad. Fue concretamente el físico George Charles de Hevery quien utilizó un isótopo de plomo (Pb−210) para estudiar la solubilidad del sulfato y cromato de plomo. Con el invento del ciclotrón a principios de la década de los treinta y el posterior desarrollo de los reactores nucleares en la década de los cincuenta comienza la fabricación industrial de isótopos radiactivos.Gracias al uso de reactores nucleares hoy, en día es posible obtener importantes cantidades de material radiactivo a bajo costo. Es así como desde finales de los años 40, se produce una expansión en el empleo pacífico de diversos tipos de Isótopos Radiactivos en diversas áreas del quehacer científico y productivo del hombre. Estas áreas se pueden clasificar en:1) Agricultura y Alimentacióna)Control de Plagas.Se sabe que algunos insectos pueden ser muy perjudiciales tanto para la calidad y productividad de cierto tipo de cosechas, como para la salud humana. En muchas regiones del planeta aún se les combate con la ayuda de gran variedad de productos químicos, muchos de ellos cuestionados o prohibidos por los efectos nocivos que producen en el organismo humano. Sin embargo, con la tecnología nuclear es posible aplicar la llamada "Técnica de los Insectos Estériles (TIE)", que consiste en suministrar altas emisiones de radiación ionizante a un cierto grupo de insectos machos mantenidos en laboratorio. Luego los machos estériles se dejan en libertad para facilitar su apareamiento con los insectos hembra. No se produce, por ende, la necesaria descendencia.De este modo, luego de sucesivas y rigurosas repeticiones del proceso, es posible controlar y disminuir su población en una determinada región geográfica. En Chile, se ha aplicado con éxito la técnica TIE para el control de la mosca de la fruta, lo que ha permitido la expansión de sus exportaciones agrícolas.b)Mutaciones.La irradiación aplicada a semillas, después de importantes y rigurosos estudios, permite cambiar la información genética de ciertas variedades de plantas y vegetales de consumo humano. El objetivo de la técnica, es la obtención de nuevas variedades de especies con características particulares que permitan el aumento de su resistencia y productividad.c)Conservación de Alimentos.En el mundo mueren cada año miles de personas como producto del hambre, por lo tanto, cada vez existe mayor preocupación por procurar un adecuado almacenamiento y mantención de los alimentos. Las radiaciones son utilizadas en muchos países para aumentar el período de conservación de muchos alimentos. Es importante señalar, que la técnica de irradiación no genera efectos secundarios en la salud humana, siendo capaz de reducir en forma considerable el número de organismos y microorganismos patógenos presentes en variados alimentos de consumo masivo.

La irradiación de alimentos es aplicada en Chile en una planta de irradiación multipropósito ubicada en el Centro de Estudios Nucleares Lo Aguirre, con una demanda que obliga a su funcionamiento ininterrumpido durante los 365 días del año.

2) Medicinaa)Vacunas.Se han elaborado radiovacunas para combatir enfermedades parasitarias del ganado y que afectan la producción pecuaria en general. Los animales sometidos al tratamiento soportan durante un período más prolongado el peligro de reinfección siempre latente en su medio natural.b)Medicina Nuclear.Se ha extendido con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico.En terapia médica con las técnicas nucleares se puede combatir ciertos tipos de cáncer. Con frecuencia se utilizan tratamientos en base a irradiaciones con rayos gamma provenientes de fuentes de Cobalto−60, así como también, esferas internas radiactivas, agujas e hilos de Cobalto radiactivo. Combinando el tratamiento con una adecuada y prematura detección del cáncer, se obtienen terapias con exitosos resultados.c)Radioinmunoanálisis.Se trata de un método y procedimiento de gran sensibilidad utilizado para realizar mediciones de hormonas, enzimas, virus de la hepatitis, ciertas proteínas del suero, fármacos y variadas sustancias.El procedimiento consiste en tomar muestras de sangre del paciente, donde con posterioridad se añadirá algún radioisótopo específico, el cual permite obtener mediciones de gran precisión respecto de hormonas y otras sustancias de interés.d)Radiofármacos.Se administra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite estudiar, mediante imágenes bidimensionales (centelleografía) o tridimensionales (tomografía), el estado de diversos órganos del cuerpo humano.De este modo se puede examinar el funcionamiento de la tiroides, el pulmón, el hígado y el riñón, así como el volumen y circulación sanguíneos. También, se utilizan radiofármacos como el Cromo − 51 para la exploración del bazo, el Selenio − 75 para el estudio del páncreas y el Cobalto − 57 para el diagnóstico de la anemia.3) Medio AmbienteEn esta área se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis de diversos contaminantes del medio ambiente. La técnica más conocida recibe el nombre de Análisis por Activación Neutrónica, basado en los trabajos desarrollados en 1936 por el científico húngaro J.G. Hevesy, Premio Nobel de Química en 1944. 4) Industria e Investigacióna)Trazadores.Se elaboran sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso. Luego se detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su emisión radiactiva, lo que permite investigar diversas variables propias del proceso. b)Instrumentación.Son instrumentos radioisótopicos que permiten realizar mediciones sin contacto físico directo. Se utilizan indicadores de nivel, de espesor o bien de densidad.c)Imágenes.Es posible obtener imágenes de piezas con su estructura interna utilizando radiografías en base a rayos gamma o bien con un flujo de neutrones. Estas imágenes reciben el nombre de Gammagrafía y Neutrografía respectivamente, y son de gran utilidad en la industria como método no destructivo de control de calidad. Con estos métodos se puede comprobar la calidad en soldaduras estructurales, en piezas metálicas fundidas, en piezas cerámicas, para análisis de humedad en materiales de construcción, etc..d)Datación.Se emplean técnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones geológicas y arqueológicas. Una de las técnicas utiliza el Carbono−14, que consiste en determinar la cantidad de dicho isótopo contenida en un cuerpo orgánico. La radiactividad existente, debida a la presencia de Carbono−14, disminuye a la mitad cada 5730 años, por lo tanto, al medir con precisión su actividad se puede inferir la edad de la muestra.e)Investigación.Utilizando haces de neutrones generados por reactores, es posible llevar a cabo diversas investigaciones en el campo de las ciencias de los materiales. Por ejemplo, se puede obtener información respecto de estructuras cristalinas, defectos en sólidos, estudios de monocristales, distribuciones y concentraciones de elementos livianos en función de la profundidad en sólidos, etc..En el ámbito de la biología, la introducción de compuestos radiactivos marcados ha permitido observar las actividades biológicas hasta en sus más mínimos detalles, dando un gran impulso a los trabajos de carácter genético.COMENTARIOS

Dentro de la gran cantidad de usos que se le pueden da a la radiactividad, creo que es una forma correcta el usarlos para beneficio y ayuda de la humanidad, ya que es de todos bien sabido el hecho de que con estos elementos o reacciones también se pueden crear artefactos en perjuicio de la humanidad misma.Esta clase de elementos tiene (aparte de lo ya mencionado) una infinita gama de usos, tanto en beneficio como en prejuicio humano.