martes, 10 de noviembre de 2009

QUIMICA NUCLEAR

Química nuclear





La Química Nuclear se dedica a los cambios naturales y artificiales en los núcleos
de los átomos y a las reacciones químicas de las sustancias radiactivas. La
Radiactividad natural es el ejemplo mas conocido de la química nuclear. Dentro de
esta se consideran los efectos de las emisiones radiactivas (alfa, beta, y gamma)
sobre las sustancias, incluyendo a los seres vivos .

El uso cada día mas generalizado de los reactores nucleares para la producción
De electricidad hace de la química nuclear una ciencia importante para todo
Ciudadano.







Tipos de emisiones

Los núcleos atómicos de una sustancia radiactiva no son estables y se transmutan
Espontáneamente en otros núcleos emitiendo partículas alfa, beta y gamma.
Las partículas alfa son átomos de He doblemente ionizados, es decir, que han
Perdido sus dos electrones. Por tanto, tienen dos neutrones y dos protones. Es la
radiación característica de isótopos de número atómico elevado, tales como los
del uranio, torio, radio, plutonio. Dada la elevada masa de estas partículas y a que
se emiten a gran velocidad por los núcleos (su velocidad es del orden de 107m/s),
al chocar con la materia pierden gradualmente su energía ionizando los átomos y
se frenan muy rápidamente, por lo que quedan detenidas con tan sólo unos cm de
aire o unas milésimas de mm de agua. En su interacción con el cuerpo humano no
son capaces de atravesar la piel. Así pues, tienen poco poder de penetración
siendo absorbidos totalmente por una lámina de aluminio de 0.1 mm de espesor o
una simple hoja de papel.

Las partículas beta son electrones emitidos a grandes velocidades próximas a la
de la luz. Debido a la menor masa que la radiación alfa, tienen más poder de
penetración que las partículas alfa siendo absorbidas por una lámina de aluminio
de 0.5 mm de espesor y quedan frenadas en algunos m de aire, o por 1 cm de
agua. En el cuerpo humano, pueden llegar a traspasar la piel, pero no sobrepasan
el tejido subcutáneo. Los positrones son partículas con masa despreciable y carga
equivalente a la de un protón.

Las partículas gamma son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza
que los rayos X pero de menor longitud de onda. Su poder de penetración es muy
elevado frente al de las partículas alfa o beta, pudiendo atravesar el cuerpo
humano. Quedan frenadas con espesores de 1 m de hormigón o unos pocos cm
de plomo, por lo que cuando se utilizan fuentes radiactivas que emiten este tipo de
radiación, hay que utilizar blindajes adecuados.




REACCIONES NUCLEARES


Una reacción nuclear implica cambios de los átomos de uno o dos elementos en
uno o mas átomos de otro u otros elementos.
E = m c2
Mediante técnicas muy precisas es posible determinar la masa de un núcleo
atómico formado por una cantidad de neutrones ( que llamamos N) y otra cantidad
de protones (que llamamos Z), es decir en total por A nucleones (A=N+Z).
También se pueden medir la masa de un protón aislado y la de un neutrón aislado.
La sorpresa es que la masa del núcleo resulta siempre menor que la suma de las
masas de los nucleones que lo constituyen.

Esto parece muy raro. En la vida cotidiana esto sería equivalente por ejemplo a
mezclar un kilo de harina con medio kilo de manteca y que la pasta resultante
pesara menos que un kilo y medio.

La masa que falta en los núcleos atómicos cuando los formamos juntando todos
los nucleones no ha desaparecido, sino que se ha transformado en energía, como
lo establece la famosa relación de Einstein " E = mc2 ". Einstein dice, ¡y tiene
razón!, que la energía de un cuerpo (E) es igual a su masa (m) multiplicada por la
velocidad de la luz (c) al cuadrado. Cuando desaparece una cantidad de masa,
aparece una cantidad equivalente de energía. En nuestra desaparición de masa al
formar el núcleo, la energía que aparece es llamada energía de unión. Esa
energía de unión actúa como un pegamento que une a los nucleones. Si
quisiéramos separar (disociar) de vuelta todos los nucleones tendríamos que
hacer fuerza a medida que los separamos, es decir tendríamos que hacer trabajo.

El trabajo total que haríamos en ese caso sería igual a la energía de unión.

La energía de unión por nucleón, es decir la energía de unión dividida por el
número de nucleones (A), nos indica cuánta masa perdió en promedio cada
nucleón presente en el núcleo, y nos da idea de cuán "pegados" están los
nucleones entre sí. Cuanto más grande es la energía de unión por nucleón, más
agarrados están unos a otros y más difícil es separarlos.

No sabemos por qué esto es así, pero sabemos que la energía de unión por
nucleón no es igual para todos los elementos: es pequeña para núcleos livianos
(cerca del hidrógeno), se hace máxima para núcleos intermedios (cerca del hierro)
y se vuelve a achicar para núcleos pesados (plomo, uranio). Esto indica que los
núcleos más difíciles de disociar son justamente los núcleos medios, ya que su
pérdida de masa por nucleón es la más grande.

Toda transformación de núcleos que conduzca a la formación de núcleos
intermedios producirá entonces energía. Por ejemplo, si lográramos partir un
núcleo de plomo en dos, los dos núcleos resultantes serían intermedios y en el
proceso se liberaría energía. Si lográramos juntar dos núcleos de azufre (livianos),
también formaríamos un núcleo intermedio y también obtendríamos energía. En
cambio deberíamos gastar mucha energía en producir azufre partiendo un núcleo
intermedio o en producir plomo juntando dos núcleos intermedios.

Estas transformaciones que pueden ocurrir en los núcleos de los átomos, y que
consisten fundamentalmente en juntar o separar nucleones y/o grupos de
nucleones se denominan reacciones nucleares. La energía liberada en las
reacciones nucleares es la energía nuclear.

A lo largo de millones y millones de siglos las reacciones nucleares se van
produciendo naturalmente en el universo. A medida que se van formando núcleos
intermedios es muy difícil que ellos se destruyan por otras reacciones nucleares,
ya que es más fácil que ocurra una reacción que produzca energía que otra que
necesite energía (como es más fácil bajar una escalera que subirla). Esto explica
por qué las estrellas más viejas tienen mucho hierro.


METODOS PARA DETECTAR RADIACIÓN

Puesto que las emisiones de las sustancias radiactivas son invisibles, se han
desarrollado diversos métodos indirectos para detectarlas. Se describirán cuatro
de esos métodos. Todos ellos se basan en el hecho que en los átomos y
moléculas afectadas por las radiaciones, ciertos electrones se desplazan a niveles
energéticos mas altos.

Métodos Fotográficos: El papel y la película fotográfica se han usado durante
mucho tiempo en la detección de la radiactividad. Las emisiones afectan a la
emulsión fotográfica de la misma manera que la luz visible. Despues de la
exposición, el papel o película se revelan en la forma usual.

Método Fluorescente: Muchas sustancias son capaces de absorber energía
radiante de longitud de onda corta (por ejemplo, rayos gamma, X, y ultravioleta) o
energía cinética de partículas de alta velocidad (alfa y beta) y transformarlas en
energía radiante de una longitud de onda que esta situada en la región visible por
el ojo humano.

Cámaras de Niebla: Inventada en 1911 por el físico ingles C.T.R. Wilson, permite
Ver la trayectoria de una radiación ionizante en su paso a través de un gas. Wilson
Produjo niebla artificial en el laboratorio saturando u cierto volumen de aire con
Vapor de agua y causando el enfriamiento de la humedad por medio de una rápida
Expansión. Si no están presentes iones, u otras partículas que sirvan como núcleos
para condensar la niebla, el aire quedara sobre saturado de humedad. Wilson
encontró que al colocar una sustancia radiactiva en el aire sobresaturado de una
cámara de niebla, de dicha sustancia emanaban líneas delgadas de niebla.
Contadores de ionización de gases: En un contador de ionización de gases una
Partícula ionizante pasa atreves de un gas entre dos electrodos cargados. Los
iones formados en el gas son atraídos por los electrodos y producen pulsaciones
en forma de un flojo de corriente.


USOS DE ISÓTOPOS RADIACTIVOS

La primera utilización de los isótopos radiactivos con fines experimentales se
realizó en Austria en 1913, justamente diez años despues de la concesión del
Premio Nobel 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.

Las aplicaciones de los isótopos radiactivos son múltiples y abarcan distintos
campos como la industria, medicina e investigación.
En cualquiera de estos campos se utilizan los isótopos para múltiples funciones
tales como: Medida de caudales, prospecciones mineras, control de
contaminación de aguas, elaboración de radiofármacos, estudios y análisis
citológicos, investigación bioquímica, radiodiagnosis, tratamiento del cáncer, y
otros muchos usos.

Todas estas aplicaciones son muy beneficiosas para la humanidad, pero como
cualquier otra actividad genera residuos que es necesario tratar y gestionar para
preservar al hombre y al medio ambiente de las acciones perniciosas de las
radiaciones.

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:
Agricultura y Alimentación
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.

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.

Conservación de Alimentos.

En el mundo mueren cada año miles de personas como producto del hambre, por l
o 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.




Hidrología.

Gracias al uso de las técnicas nucleares es posible desarrollar diversos estudios
relacionados con recursos hídricos. En estudios de aguas superficiales es posible
caracterizar y medir las corrientes de aguas lluvias y de nieve; caudales de ríos,
fugas en embalses, lagos y canales y la dinámica de lagos y depósitos.
En estudios de aguas subterráneas es posible medir los caudales de las napas,
identificar el origen de las aguas subterráneas, su edad, velocidad, dirección, flujo,
relación con aguas superficiales, conexiones entre acuíferos, porosidad y
dispersión de acuíferos.

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.


Medicina Nuclear.
Se ha extendido con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en
medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico.

En el diagnóstico se utilizan radiofármacos para diversos estudios de:
· Tiroides.
· Hígado.
· Riñón.
· Metabolismo.
· Circulación sanguínea.
· Corazón.
· Pulmón.
· Trato gastrointestinales.

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.



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.
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.








Medio Ambiente

En 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. La
técnica consiste en irradiar una muestra, de tal forma, de obtener a posteriori los
espectros gamma que ella emite, para finalmente procesar la información con
ayuda computacional. La información espectral identifica los elementos presentes en la muestra y las concentraciones de los mismos.

Una serie de estudios se han podido aplicar a diversos problemas de
contaminación como las causadas por el bióxido de azufre, las descargas
gaseosas a nivel del suelo, en derrames de petróleo, en desechos agrícolas, en
contaminación de aguas y en el smog generado por las ciudades.


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. Entre
otras variables, se puede determinar caudales de fluidos, filtraciones, velocidades
en tuberías, dinámica del transporte de materiales, cambios de fase de líquido a gas, velocidad de desgaste de materiales, etc..
Instrumentación.
Son instrumentos radio isotópicos que permiten realizar mediciones sin contacto
físico directo. Se utilizan indicadores de nivel, de espesor o bien de densidad.




transformaciones nucleares

transformaciones nucleares se pueden producir de una manera espontánea,
mediante emisión de radiaciones a o /3, verificándose un desplazamiento de dos
lugares hacia la izquierda en el sistema periódico en el primer caso (emisión a), y
de uno a la derecha en el segundo (emisión a), según la ley de corrimiento de
Frederick Soddy. La captura por el núcleo de un electrón de las capas electrónicas
K, L, M..., da lugar a la conversión de un protón en neutrón, lo que significa
También un desplazamiento hacia la izquierda en el sistema periódico. La más
Frecuente es la captura K, proceso inverso a la creación K o incorporación de una
Partícula /3 a la K inmediata al núcleo. En un sentido amplio, a la Química nuclear
Le corresponde el estudio de las transformaciones radiactivas espontáneas,
Radioelementos naturales, elementos transuránicos, y efectos y separaciones
Isotópicos. También incluye el estudio de una serie de notables aplicaciones
Geoquímicas, geológicas y astrofísicas, acciones químicas de las radiaciones
Ionizantes, efectos biológicos de las radiaciones, fenómenos de fluorescencia y
Coloración inducidos, indicadores radiactivos, cambios isotópicos, así como
Aplicaciones analíticas, electroquímicas, bioquímicas y fisiológicas, técnicas e
Industriales, etc. Es de gran interés un aspecto de la Química nuclear que se
Refiere al estudio de las reacciones en que se producen elementos nuevos. Así, de
La colisión de una partícula alfa (a) con un núcleo de nitrógeno, hay la posibilidad
De dos procesos que dejan libre un protón:
(1) ZN+ZHe -~ 13C+ZH+iH
(2) ZN +Z He 180 + 111-1
En (1) la desintegración se realiza sin que la partícula alma quede ligada
Definitivamente; en (2) se efectúa la captura de la partícula alfa y queda suelto un
Protón. En estas ecuaciones, los índices superiores representan las masas
Nucleares; y los inferiores, las cargas nucleares de las distintas partículas;
Además, la suma de los índices superiores y la de los índices inferiores de cada
Miembro de estas ecuaciones han de ser iguales.

La desintegración del aluminio también se verifica con producción de
Protones:I7A1+ZHe _> 30Si+lHEl neutrón se produce bombardeando con
Partículas a él berilio: 49Be+ZHe --> I2C+In Estas transmutaciones, originadas por
Partículas producen núcleos estables; sin embargo, la mayoría de los elementos
dan isótopos inestables al ser bombardeados por neutrones que han sido
Retardados, mediante su paso a través de agua o de parafina. La Química nuclear
está estrechamente relacionada con la Física nuclear, pero con métodos y
problemas propios.

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