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Radiactividad La radiactividad es un fenómeno natural o provocado por el que ciertos elementos, emiten partículas o radiaciones electromagnéticas que provocan la impresión de las placas fotográficas, ionizan gases, atraviesan objetos e incluso pueden provocar alteraciones en el comportamiento de las células de los seres vivos. Estas emisiones radiactivas fueron descubiertas por Henry Becquerel que observó como unos trozos de pechblenda le estropearon unas placas fotográficas que tenía almacenadas debajo de ellos. Resultaba sumamente curioso que este mineral presentase una actividad mayor que el uranio puro. El trabajo de búsqueda y aislamiento de los elementos que acompañaban al uranio. Este trabajo fue encargado a Pierre y Marie Curie, después de remover ocho toneladas de este mineral, lograron aislar un gramo de cloruro de radio, además de descubrir el polonio. Estos cambios se producen en el núcleo atómico (reacciones nucleares). Las emisiones radiactivas pueden ser de distintos tipos y por ello sus efectos serán diferentes.

El núcleo de uranio 238 emite una partícula α (alfa) que es simplemente un núcleo de helio y se transforma en un núcleo de thorio 234. A continuación el thorio puede emitir una partícula β (un electrón) que se produce en el núcleo por transformación de un neutrón en un protón y un electrón. Es consecuencia de la interacción débil que se produce en el núcleo atómico se +

–

considera que las partículas portadoras son los bosones Z, W y W .

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A veces, tras la emisión de partículas α o β, para alcanzar una situación más estable, el núcleo debe emitir radiación electromagnética de alta energía (radiación γ gamma)

Se llaman radiaciones ionizantes aquellas que tienen la capacidad de producir iones en el aire. Las radiaciones α tienen carga positiva puesto que son desviadas en un campo eléctrico hacia el electrodo negativo, por el contrario la radiación β tiene carga negativa, siendo atraída por el electrodo positivo en el seno de un campo eléctrico, por último la radiación γ no se desvía en el seno de un campo eléctrico lo que implica que no tiene carga.

La capacidad de penetración de las emisiones radiactivas varía siendo la mayor para la radiación γ que solo es detenida por una gruesa capa de hormigón, un menor para la radiación β que es detenida por una lámina metálica y muchísimo menor para la radiación α que es detenida por un papel o nuestra propia piel.

Así la peligrosidad para nuestro organismo de un emisor radiactivos cuando está fuera de nuestro cuerpo es de mayor a menor γ , β y α por el contrario si el emisor está dentro de nuestro organismo la peligrosidad es la inversa α , β y γ.

Radiactividad natural La radiactividad se debe a la inestabilidad de algunos isótopos. Estos isótopos tratan de llegar a una situación de mayor estabilidad cambiando su composición nuclear o emitiendo energía en forma de radiación electromagnética o, lo que es más común, haciendo varias de estas cosas de forma consecutiva. El proceso puede darse de forma espontánea en la naturaleza y decimos entonces que se trata de radiactividad natural. Estabilidad de isótopos radiactivos. Imagen tomada de quimica4m.blogspot.com

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La gráfica representa los isótopos existentes, en el eje horizontal el número atómico y en el vertical el número de neutrones. Cuando un isótopo está fuera de la zona de estabilidad trata de ir a ella mediante la emisión de partículas α , β o radiación γ. Ley de la desintegración radiactiva Como se puede intuir cualquier núcleo que emite radiación α o β se transforma en otro distinto con lo que se puede decir que el primer núcleo se ha desintegrado. Se trata de un proceso espontáneo y al azar. Si el número de núcleos es N la velocidad con que desaparecen vendrá dada por su derivada con respecto al tiempo y será proporcional al número de núcleos existentes N. La constante de proporcionalidad es λ y recibe el nombre de constante de desintegración radiactiva:

Si consideramos el tiempo que tarda en reducirse a la mitad el número inicial de núcleos:

La actividad de una sustancia radiactiva se define como el número de emisiones por unidad de tiempo, o lo que es lo mismo el número de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo. La unidad de actividad es el Becquerel (Bq)

Las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas tienen un poder ionizante que no pueden detectar los seres humanos. No obstante estas si pueden detectarse mediante el uso de aparatos de medida como los contadores Geiger y otros detectores… Existen varias unidades de medida de la radiación ionizante, unas tradicionales y otras del SI. −

Unidades tradicionales: son el Röntgen, el Rad., el REM.

−

Unidades del SI: son las más utilizadas el Culombio/kg, el Gray (Gy) y el Sievert (Sv). El roentgen se utiliza para cuantificar la exposición radiométrica, es decir, la carga total de iones liberada por unidad de masa de aire seco en condiciones estándar de presión y temperatura. Equivale a la exposición de una unidad electrostática de carga liberada en un centímetro cúbico de aire. En las unidades del SI, es la exposición recibida por 1 kg de aire si se produce un número de pares de iones equivalente a 2,58·10-4 C. 1 roentgen = 1 R = 2,58 10-4 C/kg. rad era la unidad de dosis absorbida. Su equivalencia es 1 rad=0,01 Gy rem (unidad para indicar la peligrosidad de una radiación) era la unidad de dosis equivalente y de dosis efectiva, equivalente a 1 rad para rayos gamma. 1 rem=0,01 Sv Para descargar este pdf y ver las animaciones visita http://fisicayquimicaenflash.es

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La dosis absorbida es una magnitud utilizada en Radiología y Protección radiológica, para medir la cantidad de radiación ionizante recibida por un material y más específicamente por un tejido o un ser vivo. La dosis absorbida mide la energía depositada en un medio por unidad de masa. La unidad en el Sistema Internacional es el J/kg, que recibe el nombre especial de gray (Gy) 1Gy = 100 rad. No obstante este no es un buen indicador de los efectos biológicos de la radiación sobre los seres vivos, 1 Gy de radiación alfa puede ser mucho más nociva que 1 Gy de fotones, por ejemplo. Deben aplicarse una serie de factores para que los efectos biológicos sean reflejados, obteniéndose así la dosis equivalente. El riesgo de efectos estocásticos debidos a la exposición a una radiación puede ser medido con la dosis efectiva, que es un promedio ponderado de la dosis equivalente de cada tejido expuesto, tomando en cuenta la sensibilidad de las poblaciones celulares que los forman. La unidad de estas dos últimas magnitudes es el sievert. El sievert (símbolo Sv) es una unidad derivada del SI que mide la dosis de radiación absorbida por la materia viva, corregida por los posibles efectos biológicos producidos. 1 Sv es equivalente a un julio por kilogramo (J kg-1). Se cumple la equivalencia 1 Sv = 1 Gy para las radiaciones electromagnéticas (Rayos X y gamma) y los electrones, pero para otras radiaciones debe utilizarse un factor corrector: 20 para la radiación alfa, de 1 a 20 para neutrones,...). Esta unidad es utilizada para medir diferentes magnitudes usadas en protección radiológica, como la dosis equivalente, la dosis colectiva, la dosis ambiental o la dosis efectiva entre otras, cada una de ellas corregida o "ponderada" por distintos factores que reflejan distintos aspectos, como la Eficiencia Biológica Relativa (RBE en inglés). Síntomas en los humanos a causa la radiación acumulada durante un mismo día (los efectos se reducen si el mismo número de Sievert se acumula en un periodo más largo): 0 - 0,25 Sv: Ninguno 0,25 - 1 Sv: Algunas personas sienten náuseas y pérdida de apetito, y pueden sufrir daños en la médula ósea, ganglios linfáticos o en el bazo. 1 - 3 Sv: náuseas entre leves y agudas, pérdida de apetito, infección, pérdida de médula ósea más severa, así como daños en ganglios linfáticos , bazo, con recuperación solo probable. 3 - 6 Sv: náusea severa, pérdida de apetito, hemorragias, infección, diarrea, descamación, esterilidad, y muerte si no se trata. 6 - 10 Sv: Mismos síntomas, más deterioro del sistema nervioso central. Muerte probable. Más de 10 Sv: parálisis y muerte. Síntomas en humanos por radiación acumulada durante un año, en milisieverts (1 Sv=1000 mSv): 2.5 mSv: Radiación media anual global. 5.5 - 10.2 mSv: Valores naturales medios en [Guarapari] (Brasil) y en [Ramsar] (Iran). Sin efectos nocivos.6.9 mSv: Escáner CT. 50 - 250 mSv: Límite para trabajadores de prevención y emergencia, respectivamente.

El núcleo del átomo El núcleo está formado por protones y neutrones que a su vez están constituidos por quarks. En el momento en que Rutherford plantea su modelo nuclear del átomo ya se intuye que el núcleo está constituido por partículas positivas (protones) y que tiene que haber otras partículas neutras (neutrones) fue él mismo quien plantea la necesidad de su existencia en 1918 auque éstas no son descubiertas hasta 1932 por Chadwick Los protones y los neutrones están constituidos por otras partículas menores quarks descubiertas en las décadas de 1960 y 1970. Estas partículas están formando parte de los protones y de los neutrones en grupos de tres y tienen carga ± 1/3 o ± 2/3 la unidad natural de -19

carga (1,6·10 C). También forman parte de los mesones.

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Hay seis tipos de quarks: up (u), down (d), top (t), botton (b), charme (c) y strange (s) aunque los cuatro últimos tienen una vida tremendamente corta. Los protones están formados por dos quarks up y uno down mientras que los neutrones están formados por dos down y uno up. El núcleo está constituido por nucleones (neutrones y protones). El número de protones de un núcleo es el número atómico (Z) y es característico de cada elemento químico. El número total de neutrones y protones se llama número másico (A). Los átomos del mismo elemento que tienen diferente número másico se llaman isótopos. Las partículas que forman el núcleo están en un espacio muy reducido. A distancias menores -15

que 10

m o fm (femtómetro también llamdo Fermi en Física Nuclear) prevalece la fuerza

nuclear fuerte que es responsable de la cohesión del núcleo atómico. Se trata de una fuerza siempre atractiva e independiente de la carga que se manifiesta a distancias muy cortas y que supera con mucho las fuerzas de repulsión electrostática entre los protones. Es importante tener en cuenta que esta fuerza desaparece a distancias mayores. Se trata pues de fuerzas de corto alcance a diferencia de las fuerzas gravitatoria y electromagnética. Las partículas materiales son de dos tipos: −

Leptones (no están sometidas a la fuerza nuclear fuerte): electrón, muón, tauón , neutrinos

−

Hadrones (sometidas a la fuerza nuclear fuerte) y formadas por quarks: protones, neutrones, mesones.

Además cada partícula tiene su antipartícula correspondiente. Las antipartículas serían: positrón (antipartícula del electrón), antiprotón, antineutrón, antineutrino... Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula se aniquilan desprendiendo energía, al contrario un fotón suficientemente energético puede dar lugar a un par partícula antipartícula. Energía de enlace El núcleo es estable y para destruirlo o al menos extraer de él nucleones es necesario aportar energía. Si lo que pretendemos es descomponer el núcleo en sus componentes tenemos que aportar la misma energía que se libera en el momento de su formación. Esta energía es la energía de enlace.

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Representando la energía por nucleón frente al número atómico se obtiene una gráfica como la que se indica a continuación:

Reacciones nucleares En estos procesos solamente intervienen los núcleos atómicos que pueden ser bombardeados por partículas subatómicas o con otros núcleos y dan lugar a nuevos núcleos distintos a los primeros. Siempre se cumple en una reacción nuclear que la suma de los números atómicos permanece constante así como la suma de los números másicos.

1 0

n +147N →146C +11p

Estas reacciones en ocasiones se producen de forma natural dando lugar a transmutaciones en los núcleos que tienen lugar por emisión de partículas α , β o radiación γ en varios pasos consecutivos hasta que se forma un núcleo estable. Estos procesos se conocen como series radiactivas y son tres:

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serie Torio Neptunio Uranio Actinio

tipo

elemento

4n

232

4n+1

237

4n+2

238

4n+3

235

T (años)

Th

208

6

207

9

206

8

207

1,41·10

Np

2,14·10

U

4,47·10

Ac

estable

10

7,04·10

Pb Bi Pb Pb

“Cuando un núcleo emite una partícula α se forma otro que tiene como número atómico dos unidades menos que el anterior y su número másico disminuye en cuatro unidades. Si lo que se emite es una partícula β esto se debe a que un neutrón se transforma en un protón y un electrón por lo que el número atómico aumenta en una unidad y el número másico permanece constante”. Estas dos leyes del desplazamiento radiactivo fueron enunciadas de forma independiente por Soddy y Fajans. 215 84Po 18Ar

→ 82Pb

40

211

40

→ 19K

4

+ 2He (emisión α) 0

+ -1e (emisión β)

Por último cuando un núcleo sobreexcitado emite radiación γ pasa a un estado de menor energía pero no sufre ninguna transmutación. Reacciones de fisión La fisión nuclear es una reacción en la que un núcleo se divide en otros dos mas ligeros cuando es bombardeado por neutrones. Este proceso tiene lugar con un defecto de masa que se transforma en energía. La reacción de fisión nuclear fue estudiada en 1938 en primer lugar por Hahn y Strassmann en los preludios de la guerra mundial. Sin embargo la explicación del proceso fue dada por Lisa Meitner con su modelo de la gota líquida. Supone que los neutrones lentos que inciden sobre el núcleo pesado lo deforman como si de una gota de agua se tratara. Debido a ésto los extremos del núcleo deformado se repelen y se parte en dos menores liberando neutrones que a su vez participarán en nuevos procesos de fisión. 1 0 1 0

235 92

U

n

236 92

U

92 36

n 141 56

Kr 1 0

n

Ba

1 0

n

El proceso puede llevarse a cabo de forma controlada en los reactores nucleares para producir energía eléctrica o de forma no controlada con lo que la reacción tiene lugar de forma explosiva.

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Reacciones de fusión A partir de núcleos pequeños que se unen se puede formar otro mayor. El proceso también origina al final del mismo un defecto de masa que se transforma en energía. 2 1

H +13H →24He+ 01n

6

Esta reacción comienza a transcurrir a elevadas temperaturas (superiores a 10 K). Estas reacciones tienen lugar en las estrellas y gracias a ellas nuestro sol emite energía en forma de radiación electromagnética que llega a la Tierra y la mantiene a una temperatura adecuada para la existencia de la vida en la Tierra. Sería una fuente ideal de energía aunque todavía no se ha logrado controlar de forma rentable.

Fuerzas fundamentales en la Naturaleza Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza son cuatro: −

Fuerza gravitatoria Responsable de la interacción gravitatoria

−

Fuerza electromagnética Responsable de la interacción eléctrica y magnética

−

Fuerza nuclear fuerte Responsable de que los componentes del núcleo se mantengan unidos a pesar de tener los protones carga del mismo signo

−

Fuerza nuclear débil Responsable del decaimiento de partículas mas pesadas hacia otras más ligeras (ejemplo la emisión de radiación β.

Las partículas portadoras de fuerza entre las que se encuentran: −

Para la interacción gravitatoria se considera una partícula llamada gravitón su existencia se predice aunque no está descubierta.

−

El fotón que es la partícula portadora en la interacción electromagnética.

−

La partícula portadora en la interacción nuclear fuerte se llama gluón.

−

Los bosones W , W y Z son los responsables de la interacción nuclear débil que es la

+

-

causante del decaimiento de los quarks o de otras partículas en otras más ligeras, por ejemplo la emisión de radiación β.

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