Transformaciones nucleares y sus aplicaciones

Capítulo 5

Hemos estudiado diferentes cambios o transformaciones que puede experimentar la materia.

En el siguiente cuadro se comparan las diferencias entre los procesos físicos y químicos en relación a los procesos nucleares.

TRANSFORMACIONES FÍSICAS TRANSFORMACIONES QUÍMICAS TRANSFORMACIONES NUCLEARES

Las sustancias que intervienen no se mo-difican, son las mismas, cambia solamente su aspecto (forma, volumen, estado, etc.).

Los elementos se conservan.

El número de átomos de cada elemento es igual antes y después del cambio.

La masa se conserva.

Ej.: Cuando se producen deshielos en las montañas, el agua en estado sólido se transforma en agua en estado líquido. Las moléculas que forman el hielo y el agua líquida son iguales. Si se considera una muestra de hielo los elementos constituyentes son el hidró-geno y el oxígeno; éstos también son los elementos que componen el agua líquida.

H2O (s) fusión H2O (l)

Las sustancias iniciales se modifican obteniéndose sustancias nuevas al final de la reacción.

Los elementos se conservan.

El número de átomos de cada elemento es igual antes y después del cambio.

La masa se conserva.

Ej.: Si el agua líquida se descompone por acción de la corriente eléctrica se producen dos sustancias: dihidrógeno y dioxígeno.Los elementos constituyentes del agua (O y H) son los mismos que forman el gas dioxígeno y el gas dihidrógeno, dos sustancias diferentes entre sí y respecto del agua.

2 H2O (l) electrólisis 2 H2(g) + O2(g)

Las sustancias cambian.

Los elementos cambian (excepto en las emisiones gamma)

El número de átomos de cada elemento varía (excepto en las emisiones gamma).

La masa no se conserva.

Ej.: Al emitir partículas alfa (α) se produce la transformación de uranio (U) en otro elemento, torio (Th), por lo tanto se forma una sustancia diferente.En este proceso de desintegración la masa perdida se transforma en gran cantidad de energía que se libera.

235U desintegración

231Th +

4α

92 90 2

167Transformaciones nucleares y sus aplicaciones. • Capítulo 5 Química • 3º C.B.

Radiactividad natural y artificial

Las transformaciones nucleares se producen en forma natural o pro-vocadas por el hombre.

Radionucleidos naturales

La teoría más aceptada acerca de la formación del Universo sostiene que entre 12.000 y 15.000 millones de años antes del momento actual, en un instante determinado, se produjo una enorme explosión llamada Big-Bang (fig.1).

En el largo proceso de formación del Universo fueron apareciendo los radionucleidos.

Otros radionucleidos se generan continuamente por bombardeo de rayos cósmicos sobre núcleos estables.

Por ejemplo, por acción de los rayos cósmicos el nitrógeno atmosfé-rico se transforma en C-14 que resulta un isótopo natural y radiactivo de este elemento. La emisión radiactiva del C-14 se emplea para deter-minar la edad de los fósiles (método de datación con C-14).

Radionucleidos artificiales

Desde principios del siglo XX se han ido creando radionucleidos ar-tificiales, intencionalmente en algunos casos, o como productos no es-perados de otras acciones.

Se llaman transmutaciones nucleares a aquellos procesos que pro-ducen la transformación de un núcleo en otro diferente.

Ejemplos: • loselementosllamadostransuránicos(Z>92),nosonnaturales,

fueron sintetizados en el laboratorio. Por ejemplo, al bombardear uranio-238 con neutrones se obtiene

un nuevo elemento, neptunio- 239.

238U +

1n

239Np +

0e

92 0 93 -1

• elcobalto-60seobtienebombardeandoconneutronesalcobal-to-59 (isótopo natural). El Co–60 es un emisor gamma que se uti-liza en medicina (radioterapia) y en la industria.

59Co +

1n

60Co

27 0 27

Sintetizar significa produ-cir, obtener, elaborar, crear, formar.

Transuránicos o también lla-mados transuránidos son los elementos ubicados en la Tabla Periódica después del uranio cuyo Z es 92.

Fig. 1. Imagen artística del Big- Bang.

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También a principios del siglo XX el hombre aprendió, además de sintetizar radionucleidos, a extraer la energía acumulada en los núcleos atómicos (energía nuclear) y transformarla para su utilización con di-ferentes fines.

Estudiaremos dos tipos de transformaciones nucleares, por la im-portancia de ellas como fuentes energéticas:

• Fisiónnuclear• Fusiónnuclear

Fisión Nuclear

La fisión nuclear consiste en la división de núcleos “pesados” (que poseen excesiva cantidad de protones y neutrones).

Para lograr fisiones, se bombardean por ejemplo, núcleos de ura-nio-235 (“combustible” nuclear) con neutrones. Al impactar adecuada-mente un neutrón en un núcleo de uranio, éste se divide en dos núcleos más pequeños, liberando neutrones y gran cantidad de energía (fig. 2).

fisión ???

Fig. 2. Representación de una fisión nuclear.

Si los neutrones liberados impactan contra otros núcleos de ura-nio-235 éstos también se fisionan produciendo más neutrones y más energía. Así la reacción puede repetirse y multiplicarse.

Este fenómeno se conoce como reacción en cadena. Puede ser con-trolada mediante moderadores en un reactor nuclear (fig. 3) o incon-trolada como sucede con las armas nucleares (fig. 4).

En los reactores nucleares se producen y controlan fisiones nucleares que liberan energía, la que es transformada en energía eléctrica.

Algunos países emplean la fisión como fuente energética desde hace medio siglo. Si bien las centrales nucleares cuentan con importantes sistemas de seguridad, durante estas cinco décadas han ocurrido algu-nos incidentes y accidentes. Quizás uno de los más conocidos fue el de Chernobyl en 1986.

Fisión significa rotura, división.

Fig. 4. Las armas nucleares provocan desastres de tal magnitud que sus con-secuencias perduran por varias genera-ciones.

Fig. 3. Las centrales nucleares están equipadas con reactores donde se pro-duce la fisión nuclear.

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La siguiente ecuación representa un ejemplo de reacción de fisión nuclear:

1n +

235U

93Kr +

140Ba + 3 1

n + energía0 92 36 56 0

Esta ecuación indica que cuando un neutrón bombardea un núcleo de uranio- 235 lo fisiona formándose dos núcleos más pequeños (kriptón- 93, bario- 140) y 3 neutrones, liberándose además energía.

Los núcleos formados son radionucleidos muy contaminantes. Una desventaja de este proceso radica justamente en los desechos radiacti-vos que se producen y que deben ser descartados cuidando que no con-taminen el medio ambiente ya que su actividad puede perdurar durante miles de años.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear se produce cuando núcleos pequeños se unen a elevadísima temperatura liberando gran cantidad de energía (fig. 5).

La siguiente ecuación representa un ejemplo de reacción de fusión nuclear:

2H +

3H

4He +

1n + energía

1 1 2 0

La energía solar resulta de la fusión de núcleos de hidrógeno, obte-niéndose He (fig. 6).

Se ha estudiado este proceso tratando de reproducir la fusión que ocurre naturalmente en el Sol y demás estrellas para obtener energía “limpia” ya que los núcleos obtenidos de He no son radiactivos.

Sin embargo, una desventaja que aún hoy lo vuelve inaplicable, es la elevada temperatura que se necesita para lograr la unión de los núcleos. Solo se ha alcanzado esta temperatura recurriendo previamente a una fisión nuclear, por lo tanto esta dependencia no resulta conveniente.

El Tokomak, fue diseñado como reactor de fusión nuclear pero los intentos han fracasado y la investigación continúa.

Fig. 5. Representación de una fusión nuclear. En este ejemplo el deuterio y el tritio se fusionan formando helio y un neutrón además de liberar energía.

Fig. 6. Fusión en el Sol. Las estrellas mueren cuando su “combustible” se ago-ta. Una estrella alcanza su mayor tama-ño cuando todo su hidrógeno central se ha transformado en helio y para seguir brillando la temperatura del centro debe aumentar lo suficiente como para provo-car la fusión de estos núcleos de helio.

Deuterio

Tritio

Helio

Neutrón

Isótopos del hidrógeno.Protio (principal)Deuterio (o H pesado)Tritio (o H radiactivo)

1 H12 H1

3 H1

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Aplicaciones de la radiactividad

Las reacciones nucleares provocadas por el hombre (artificiales) han sido utilizadas principalmente para:

• obtenerenergía,tantoconfinesbélicoscomoparacubrirlasnece-sidades energéticas en las diversas actividades humanas (fig. 7 y 8)

• producirradionucleidosconmúltiplesaplicaciones,comotraza-dores o como fuente de radiaciones en medicina, el agro, la in-dustria y diferentes investigaciones.

Mencionaremos algunos ejemplos importantes del uso de radio-isótopos pero las aplicaciones son muy variadas.

La irradiación con cobalto-60 se utiliza para conservar alimentos, es-terilizar medicamentos y diferentes materiales (fig. 9 y 10).

El tratamiento de los efluentes cloacales con energía ionizante ga-rantiza la eliminación total de agentes patógenos. Luego pueden ser uti-lizados como abono orgánico natural o como relleno sanitario.

Uno de los radioisótopos producidos en la fisión del uranio es el molibdeno-99 que por decaimiento genera tecnecio-99. Este isótopo es ampliamente usado en medicina nuclear porque permite la realización de diagnósticos por imágenes y estudio de diferentes procesos metabó-licos. Para estos estudios también se utilizan como trazadores el Tl-201, el I-131 y el F-18.

La incorporación de trazadores en los fertilizantes permite conocer la cantidad óptima que debe usarse y el mejor lugar de aplicación para que no sea barrido por la lluvia y la erosión. En general se logra utili-zando al fósforo -32 como trazador.

Las fugas tanto de agua como de gas u otros fluidos pueden detectar-se utilizando trazadores que se inyectan en las cañerías permitiendo el seguimiento de los mismos con un detector de radiación.

La erradicación de plagas también se puede realizar con radiación esterilizando al macho de la especie para que no pueda reproducirse.

Fig. 10. Alimentos irradiados.Fig. 9. Pictograma que se utiliza para indicar que un alimento ha sido tratado mediante radiación.

Fig. 7. Submarino nuclear.

Fig. 8. Torres de refrigeración en central nuclear expulsando vapor de agua.

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Aplicaciones y problemas1) Explica las diferencias entre las transformaciones físicas, químicas

y nucleares. Ejemplifica.

2) La radiactividad artificial tiene múltiples aplicaciones. Menciona algunos ejemplos (fig.1).

3) ¿Cuáles son las ventajas de la fusión con respecto a la fisión nuclear?

Investiga y reflexiona4) El carbono-14 se utiliza para la datación de fósiles. Investiga: a) ¿cómo se produce naturalmente este isótopo? b) ¿en qué consiste el método de datación?

5) NOTICIA. Planta de irradiación de alimentos en nuestro país. A partir del 2009 el LATU dispone de un equipo irradiador por ra-

yos gamma (EMI-9), para la realización de las pruebas que deman-da la industria, según los requerimientos de calidad del comercio.

Investiga a) ¿Que significa la sigla LATU? b) ¿Por qué se llama “pasteurización en frío” a este tratamiento de

los alimentos? c) ¿Qué enfermedades se evitan con estas prácticas de esterilización? d) ¿Qué beneficios tiene la irradiación de pescado, cítricos y otros

alimentos perecederos? e) ¿Cuál es la importancia económica para el país? f) ¿Qué pictograma indica que un alimento ha sido irradiado?

6) Investiga sobre Einstein (fig. 3) a) Su biografía. b) El significado de su ecuación E=mc2. c) La relación con el armamento nuclear. d) La teoría de la relatividad. e) Otros trabajos y aportes científicos.

7) Busca información sobre experimentos realizados con bombas nu-cleares y sus consecuencias tanto para el medio ambiente como para el hombre.

8) El Correo Español conmemoró el Año Mundial de la Física con la emisión de un sello. Investiga

a) ¿Qué representa la simbología de este sello? b) ¿Por qué se eligió el año 2005 para esta conmemoración?

Fig. 2. Ejercicio 5.

Fig. 3. Ejercicio 6. Albert Einstein. (14 de marzo de 1879, 18 de abril de 1955).

Fig. 4. Ejercicio 8.

Actividades

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Fig. 1. Ejercicio 2. Misil nuclear.

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Ampliando el horizonte...

Observa la secuencia de fotos e investiga

• ¿EnquélugardeMontevideoseconstruyóelCUDIM?• ¿Cuándocomenzaronlasobras?¿Cuándoseinauguró?• ¿Quéinvestigacionesfuturassepiensarealizarenestecentro?• ¿QuécompuestoquimicoserepresentaconFDG?

CUDIM: un gran avance científico en nuestro país

El Centro Uruguayo de Imagenología Molecular (CU-DIM) tendrá como cometidos el desarrollo de la investi-gación, capacitación de profesionales y aplicaciones de radioisótopos en ciencias de la salud, en especial para:

- diagnóstico- exámenes clínicos a pacientes con cobertura de salud pública y privada fundamen-talmente en las áreas de oncología y neurología.

- capacitación- a fin de promover el perfecciona-miento docente, profesional y técnico.

- investigación clínica y biomédica- evolución del impacto del ciclotrón-PET en diversas pato-logías y en la evaluación de nuevas drogas en in-vestigación y desarrollo.

Un ciclotrón es un acelerador de partículas que per-mitirá producir los radioisótopos necesarios para estos estudios médicos, principalmente 18F, 11C y 15O

La tomografía por emisión de positrones, PET (Po-sitron Emission Tomography), es una técnica no invasi-va de diagnóstico e investigación por imagen capaz de medir la actividad metabólica de los diferentes tejidos del cuerpo humano, especialmente del sistema nervio-so central. Permite también detectar problemas cardía-cos, enfermedad de Alzheimer, diferentes tipos de cán-cer y además realizar un seguimiento de la evolución y respuesta a los tratamientos indicados en cada caso. El trazador más utilizado en oncología es un análogo de la glucosa marcado con flúor: FDG

información extraída y adaptada de www.cudim.org

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