quimica nuclear

QUIMICA NUCLEAR

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se
refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio,
ahora nos dedicaremos a las reacciones que implican cambios en los núcleos
atómicos.
La rama de la química, denominada química nuclear, que estudia estos
procesos, ha ido ganando espacio en nuestra vida cotidiana, a través de sus
variadas aplicaciones, con connotaciones diversas para el ciudadano y para
el científico. Así, encontramos a la química nuclear en la generación de
energía, en ciertas aplicaciones de la medicina como herramienta de
diagnóstico y también de tratamiento, en la datación (determinación de la
edad) de ciertos objetos, en la dilucidación de estructuras moleculares y
de mecanismos de procesos químicos o biológicos, pero también en la
producción de las bombas atómicas, las de hidrógeno y las de neutrones,
asociado a accidentes como el de la central nuclear de Chernobyl y a las
persistentes noticias sobre contaminación de residuos radiactivos.

La naturaleza de las reacciones nucleares. Radiactividad

Recordemos que los núcleos quedan definidos mediante los números
atómico (Z) y másico (A). El número atómico se refiere al número de
protones mientras que el número másico es igual a la suma del número de
protones más el número de neutrones, es decir, es igual al número total de
nucleones. Con excepción del hidrógeno (11H), todos los núcleos contienen
dos tipos de partículas fundamentales llamadas nucleones: los protones y
los neutrones.
Los isótopos son núcleos con igual Z (corresponden a un mismo
elemento) pero con diferente número másico. Por ejemplo, el uranio presenta
tres isótopos en la Naturaleza con 233, 235 y 238 nucleones. Los mismos son
simbolizados como 23392U, 23592U y 23892U, obviamente, todos poseen 92
protones. El superíndice es el número de masa y el subíndice es el número
atómico. Especies como 147N y 136C se denominan isótonos ya que poseen
igual número de neutrones (N) y diferente de protones.
Los diversos isótopos tienen diferente abundancia natural. Por
ejemplo, el 99,3 % del uranio natural es uranio-238, el 0,7% es uranio-235
y sólo hay trazas de uranio-233. Los distintos núcleos también tienen
diferente estabilidad. De hecho, las propiedades nucleares de un átomo
dependen del número de protones y neutrones que hay en su núcleo.
Recordemos que se aplica el término núclido a un núcleo con un número
específico de protones y neutrones.
Algunos núcleos son inestables y emiten partículas y/o radiación
electromagnética de manera espontánea, fenómeno al que se llama
radiactividad. Los núcleos que son radiactivos se llaman radionúclidos, y
los átomos que contienen estos núcleos se conocen como radioisótopos. Todos
los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son radiactivos. Por
ejemplo, el isótopo del polonio, el polonio-210 (21084Po), decae de modo
espontáneo a 20682Pb y emite una partícula (.
Otro tipo de radiactividad, conocida como transmutación nuclear, se
produce al bombardear el núcleo con neutrones, protones y otros núcleos. La
conversión de 147N a 166C y 11H es un ejemplo de transmutación nuclear, que
se produce cuando el isótopo de nitrógeno captura un neutrón (del Sol).
Este tipo de transmutación suele suceder en el espacio, pero también se
puede lograr por medios artificiales.
El decaimiento radiactivo y la transmutación nuclear son reacciones
nucleares, que son muy distintas a las reacciones químicas ordinarias. Las
diferencias entre esas reacciones se resumen en la siguiente tabla:


"Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares"
"REACCIONES QUIMICAS "REACCIONES NUCLEARES "
"1. Los átomos se reordenan por la"1. Los elementos (o los isótopos "
"ruptura y formación de enlaces "de los mismos elementos) se "
"químicos. "interconvierten los unos en los "
" "otros. "
"2. Sólo los electrones "2. Pueden estar implicados los "
"extranucleares están implicados "protones, neutrones, electrones y"
"en la ruptura y formación de los "otras partículas elementales. "
"enlaces. " "
"3. Las reacciones se acompañan "3. Las reacciones van acompañadas"
"por la absorción o liberación de "por la absorción o liberación de "
"cantidades de energía "cantidades enormes de energía. "
"relativamente pequeñas. " "
"4. Las velocidades de reacción se"4. Las velocidades de reacción, "
"ven afectadas por la temperatura,"por lo general, no se ven "
"presión, concentración y "afectadas por la temperatura, la "
"catalizadores. "presión o los catalizadores. "


Ecuaciones nucleares


La inmensa mayoría de los núcleos que se encuentran en la Naturaleza
son estables y permanecen intactos indefinidamente. Los radionúclidos, en
cambio, son inestables y emiten partículas y radiación electromagnética de
manera espontánea. La emisión de radiación es una de las maneras como un
núcleo inestable se transforma en uno más estable con menos energía. La
radiación emitida es la portadora del exceso de energía. Por ejemplo, el
uranio-238 es radiactivo y sufre una reacción nuclear en la cual se emiten
espontáneamente núcleos de helio-4. Las partículas de helio-4 se conocen
como partículas alfa, y una corriente de estas partículas se llama
radiación alfa. Cuando un núcleo de uranio-238 pierde una partícula alfa,
el fragmento restante tiene un número atómico de 90 y un número de masa de
234. Por tanto, es un núcleo de torio-234. Esta reacción se representa por
medio de la ecuación nuclear siguiente:
23892U ( 23490Th + 42He (1)
Cuando un núcleo se descompone espontáneamente de esta manera, se dice que
se ha desintegrado, o ha sufrido desintegración radiactiva. Debido a que en
esta reacción interviene una partícula alfa, los científicos también
describen el proceso como desintegración alfa.
Observe en la ecuación (1) que la suma de los números de masa es la
misma en ambos lados de la ecuación (238 = 234 + 4). De forma semejante, la
suma de los números atómicos en ambos lados de la ecuación es igual (92 =
90 + 2). Los números de masa y los números atómicos se balancean de manera
similar en todas las ecuaciones nucleares. Las propiedades radiactivas del
núcleo son fundamentalmente independientes del estado de combinación
química del átomo. Así pues, al escribir ecuaciones nucleares no nos
interesa la forma química del átomo en el cual reside el núcleo. No importa
si estamos tratando con el átomo en forma de elemento o de uno de sus
compuestos.


Tipos de desintegración radiactiva


Las tres clases más comunes de desintegración radiactiva son la
radiación alfa ((), beta (() y gamma ((). La siguiente tabla resume algunas
de las propiedades más importantes de estos tipos de radiación:


"Propiedades de la radiación alfa, beta y gamma "
" "Tipo de radiación "
"Propiedad "( "( "( "
"Carga "2+ "1- "0 "
"Masa "6,64.10-24 g "9,11.10-2"0 "
" " "8 g " "
"Poder relativo de "1 "100 "10000 "
"penetración " " " "
"Naturaleza de la "Núcleos de "Electrone"Fotones de alta "
"radiación "42He "s "energía "

La radiación alfa consiste en una corriente de núcleos de helio-4
conocidos como partículas alfa, las cuales escribimos como 42He o 42(. Las
radiaciones beta se componen de partículas beta, que son electrones de alta
velocidad emitidos por un núcleo inestable. Las partículas beta se
representan en las ecuaciones nucleares por medio del símbolo 0-1e o a
veces 0-1(. El superíndice cero indica que la masa del electrón es
extremadamente pequeña en comparación con la masa del nucleón. El subíndice
–1 representa la carga negativa de la partícula, que es opuesta a la del
protón. El yodo-131 es un ejemplo de un isótopo que sufre desintegración
por emisión beta:
13153I ( 13154Xe + 0-1e (2)
En la ecuación (2) se puede observar que la desintegración beta da por
resultado un aumento en el número atómico, de 53 a 54. La emisión beta
equivale a la conversión de un neutrón (10n) en un protón (11p o 11H), la
cual aumenta el número atómico en 1:
10n ( 11p + 0-1e (3)
Sin embargo, tan sólo porque se expulsa un electrón del núcleo, no debemos
pensar que el núcleo está compuesto de estas partículas, así como no
consideramos que un fósforo está compuesto de chispas simplemente porque
las desprende cuando se frota. El electrón comienza a existir sólo cuando
el núcleo sufre una reacción nuclear.
La radiación gamma (o rayos gamma) se compone de fotones de alta
energía, es decir, radiación electromagnética de longitud de onda muy
corta. La radiación gamma no modifica el número atómico ni el número de
masa de un núcleo, y se representa como 00(, o simplemente (. Casi siempre,
acompaña a otra emisión radiactiva porque representa la energía que se
pierde cuando los nucleones que quedan se reorganizan en arreglos más
estables. Por lo general, no se escriben los rayos gamma en las ecuaciones
nucleares.
Otros tipos de desintegración radiactiva que se producen son la
emisión de positrones y la captura de electrones. Un positrón es una
partícula que tiene la misma masa que un electrón pero carga opuesta. El
positrón se representa como 01e.
NOTA: El positrón tiene una vida muy corta porque es aniquilado cuando
choca con un electrón, produciendo rayos gamma: 01e + 0-1e ( 2 00(
El carbono 11 es un ejemplo de un isótopo que se desintegra por emisión de
un positrón:
116C ( 115B + 01e (4)
Observamos que la emisión de un positrón causa que el número atómico
disminuya de 6 a 5. Esta emisión tiene el efecto de convertir un protón en
un neutrón, con lo que el número atómico del núcleo disminuye en 1:
11p ( 10n + 01e (5)
La captura de electrones es la captura por parte del núcleo de un
electrón de una capa interna de la nube de electrones que rodea el núcleo.
El rubidio 81 sufre desintegración de esta manera, como se muestra en la
siguiente ecuación:
8137Rb + 0-1e (electrón orbital) ( 8136Kr (6)
Puesto que el electrón se consume en lugar de formarse en el proceso, se
muestra en el lado de los reactivos de la ecuación. La captura de
electrones, como la emisión de positrones, tiene el efecto de convertir un
protón en un neutrón:
11p + 0-1e ( 10n (7)
La siguiente tabla resume los símbolos que se emplean para representar las
diversas partículas elementales que es común encontrar en las reacciones
nucleares:
"Partículas comunes en la desintegración radiactiva y en las "
"transformaciones nucleares "
"Partícula "Símbolo "
"Neutrón "10n "
"Protón "11H o 11p "
"Electrón "0-1e "
"Partícula alfa "42He o 42( "
"Partícula beta "0-1e o 0-1( "
"Positrón "01e "

Estabilidad nuclear

La estabilidad de un núcleo en particular depende de diversos factores y no
hay una regla única que nos permita predecir si un núcleo específico es
radiactivo y cómo se podría desintegrar. Sin embargo, hay varias
observaciones empíricas que son de utilidad para hacer predicciones.

Proporción de neutrones a protones

Puesto que las cargas iguales se repelen mutuamente, puede parecer
sorprendente que en el reducido volumen del núcleo pueda residir un gran
número de protones. A distancias cortas, sin embargo, existe una intensa
fuerza de atracción, llamada interacción nuclear fuerte, entre los
nucleones. Los neutrones participan íntimamente en esta fuerza atractora.
Todos los núcleos con dos o más protones contienen neutrones. Cuantos más
protones hay en el núcleo, más neutrones se necesitan para mantenerlo
unido. Los núcleos estables de número atómico bajo (hasta alrededor de 20)
tienen aproximadamente números iguales de protones y neutrones. Para los
núcleos de número atómico mayor, el número de neutrones necesarios para
crear un núcleo estable aumenta con más rapidez que el número de protones,
como se muestra en la siguiente figura:


Por tanto, la proporción de neutrones a protones de los núcleos estables
aumenta con el número atómico.
La banda sombreada de la figura anterior es el área dentro de la cual
se encuentran todos los núcleos estables y se conoce como cinturón de
estabilidad. El cinturón de estabilidad termina en el elemento 83
(bismuto). Todos los núcleos con 84 protones o más (número atómico ( 84)
son radiactivos. Por ejemplo, todos los isótopos de uranio, de número
atómico 92, son radiactivos.
El tipo de desintegración radiactiva que sufre un radionúclido en
particular depende en gran medida de su proporción de neutrones a protones
en comparación con la de los núcleos cercanos a él dentro del cinturón de
estabilidad. Podemos visualizar tres situaciones generales:
1. Núcleos por arriba del cinturón de estabilidad (alta proporción de
neutrones a protones): estos núcleos ricos en neutrones pueden reducir su
proporción y avanzar hacia el cinturón de estabilidad emitiendo una
partícula beta. La emisión beta reduce el número de neutrones y aumenta
el número de protones en un núcleo, como lo muestra la ecuación (3).
2. Núcleos por abajo del cinturón de estabilidad (baja proporción de
neutrones a protones): estos núcleos ricos en protones pueden aumentar su
proporción ya sea por emisión de positrones o por captura de electrones.
Ambos tipos de desintegración aumentan el número de neutrones y reducen
el de protones, como se puede ver en las ecuaciones (5) y (7). La emisión
de positrones es más común que la captura de electrones entre los núcleos
más ligeros; en cambio, la captura de electrones se hace cada vez más
común al aumentar la carga nuclear.
3. Núcleos con número atómico ( 84: estos núcleos pesados, que están más
allá del borde superior derecho de la banda de estabilidad, tienden a
sufrir emisión alfa. La emisión de una partícula alfa disminuye tanto el
número de neutrones como el de protones en 2 unidades, lo que desplaza al
núcleo en diagonal hacia el cinturón de estabilidad.
Estas tres situaciones se resumen en la siguiente figura:

En este punto debemos señalar que nuestras pautas no siempre funcionan. Por
ejemplo, el torio-233, 23390Th, del cual podríamos esperar que sufriera
desintegración alfa, de hecho sufre emisión beta. Adicionalmente, unos
pocos núcleos radiactivos se encuentran de hecho dentro del cinturón de
estabilidad. Por ejemplo, tanto el 14660Nd como el 14860Nd son estables y
están dentro del cinturón de estabilidad; en cambio, el 14760Nd, que se
ubica entre ambos es radiactivo.

Series radiactivas

Ciertos núcleos, como el uranio-238, no pueden adquirir estabilidad por una
emisión sencilla. En consecuencia, se produce una serie de emisiones
sucesivas. Como se muestra en la figura de la página siguiente, el uranio-
238 se desintegra a torio-234, el cual es radiactivo y se desintegra a
protactinio-234. Este núcleo también es inestable y se desintegra
posteriormente. Este tipo de reacciones sucesivas continúa hasta que se
forma un núcleo estable, el plomo-206.
Una serie de reacciones nucleares que comienza con un núcleo inestable y
termina con uno estable se conoce como serie radiactiva o serie de
desintegración nuclear. Hay tres de estas series en la naturaleza. Además
de la serie que se inicia con el uranio-238 y concluye con el plomo-206,
hay una que comienza con el uranio-235 y termina con el plomo-207. La
tercera principia con torio-232 y acaba con plomo-208.



Observaciones adicionales
Dos observaciones adicionales son de utilidad para predecir la estabilidad
nuclear:
Los núcleos con 2, 8, 20, 28, 50 u 82 protones o 2, 8, 20, 28, 50, 82 o
126 neutrones son por lo general más estables que los núcleos que no
contienen estos números de nucleones. Estos números de protones y
neutrones se llaman números mágicos.
Los núcleos con números pares tanto de protones como de neutrones son en
general más estables que los que contienen números impares de nucleones,
como se muestra en la siguiente tabla:
"Número de isótopos estables con números pares e impares de "
"protones y neutrones "
"Número de isótopos "Protones "Neutrones "
"estables " " "
"157 "Par "Par "
"53 "Par "Impar "
"50 "Impar "Par "
"5 "Impar "Impar "



Estas observaciones se pueden entender en términos del modelo de capas
del núcleo; de acuerdo con esta descripción, los nucleones residen en capas
análogas a la estructura en capas de los electrones de los átomos. Así como
ciertos números de electrones (2, 8, 18, 36, 54 y 86) corresponden a
configuraciones electrónicas estables de capas completas, también los
números mágicos de nucleones representan capas completas en los núcleos.
Como ejemplo de la estabilidad de los núcleos que tienen números mágicos de
nucleones, se puede observar que la serie radiactiva que se representa en
la figura anterior concluye con la formación del núcleo estable 20682Pb, el
cual tiene un número mágico de protones (82).
También hay indicios que sugieren que los pares de protones y los
pares de neutrones tienen una estabilidad especial, análoga a los pares de
electrones de las moléculas. Así pues, los núcleos estables con un número
par de protones y un número par de neutrones son mucho más numerosos que
los que tienen números impares (ver tabla anterior).

Transmutaciones nucleares
En las reacciones nucleares vistas hasta ahora un núcleo se desintegra
espontáneamente. Otra manera como un núcleo puede cambiar de identidad
consiste en ser golpeado por un neutrón o por otro núcleo. Las reacciones
nucleares que se inducen de esta forma se conocen como transmutaciones
nucleares.
La primera conversión de un núcleo en otro fue realizada en 1919 por
Ernest Rutherford. Este científico consiguió convertir el nitrógeno-14 en
oxígeno-17 más un protón empleando las partículas alfa de alta velocidad
que emite el radio. La reacción es
147N + 42He ( 178O + 11H (8)
Esta reacción demostró que es posible inducir reacciones nucleares
golpeando núcleos con partículas del tipo de las partículas alfa. Esta
clase de reacciones han permitido sintetizar cientos de radioisótopos en el
laboratorio.
Las transmutaciones nucleares se representan por lo común enumerando,
en orden, el núcleo objetivo, la partícula que bombardea, la partícula
expulsada y el núcleo producto. Escrita de esta manera, la ecuación (8) es
147N ((, p) 178O. La partícula alfa, el protón y el neutrón se abrevian
como (, p y n, respectivamente.

Uso de partículas con carga
Las partículas con carga, como las partículas alfa, se deben mover a gran
velocidad para superar la repulsión electrostática que existe entre ellas y
el núcleo objetivo. Cuanto mayor es la carga nuclear en el proyectil o en
el blanco, tanto más rápidamente se deberá mover el proyectil para producir
una reacción nuclear. Se han ideado muchos métodos para acelerar partículas
con carga empleando campos magnéticos y electrostáticos fuertes. Estos
aceleradores de partículas, conocidos popularmente como "rompeátomos",
tienen nombres como ciclotrón y sincrotrón. El ciclotrón se ilustra en la
siguiente figura:

Los electrodos huecos en forma de D se llaman "des". Las partículas
proyectil se introducen en una cámara al vacío dentro del ciclotrón, y son
aceleradas luego confiriendo alternativamente carga positiva y negativa a
las des. Unos imanes colocados arriba y debajo de las des mantienen las
partículas en movimiento en una trayectoria espiral hasta que finalmente
son desviadas fuera del ciclotrón y emergen para chocar con la sustancia
objetivo. Los aceleradores de partículas se han usado principalmente para
sintetizar elementos pesados y para investigar la estructura fundamental de
la materia.

Uso de neutrones
Casi todos los isótopos que se usan en cantidades significativas en
medicina e investigación científica se fabrican empleando neutrones como
proyectiles. Puesto que los neutrones son neutros, el núcleo no los repele.
En consecuencia, no es necesario acelerarlos, como se hace con las
partículas con carga, para producir reacciones nucleares. (De hecho, no se
pueden acelerar de esa manera). Los neutrones necesarios se producen por
reacciones que se llevan a cabo en reactores nucleares. Por ejemplo, el
cobalto-60, que se usa en la terapia de radiación contra el cáncer, se
produce por captura de neutrones. El hierro-58 se coloca en un reactor
nuclear, donde es bombardeado por neutrones. Se lleva a cabo la serie de
reacciones siguiente:
5826Fe + 10n ( 5926Fe
5926Fe( 5927Co + 0-1e
5927Co + 10n ( 6027Co

Elementos transuránicos
Se han utilizado transmutaciones artificiales para producir los elementos
de número atómico mayor de 92, los cuales se conocen como elementos
transuránicos porque ocupan posiciones que siguen inmediatamente al uranio
en la tabla periódica. El elemento 93 (neptunio) y el 94 (plutonio) se
descubrieron en 1940. Se produjeron bombardeando uranio-238 con neutrones:
23892U + 10n ( 23992Np + 0-1e
23992Np ( 23994Pu + 0-1e
Los elementos de número atómico mayor se forman en cantidades pequeñas en
los aceleradores de partículas. Por ejemplo, se forma curio-242 cuando un
blanco de plutonio-239 se bombardea con partículas alfa aceleradas:
23994Pu + 42He ( 24296Cm + 10n
En diciembre de 1994 un equipo de científicos europeos sintetizaron
el elemento 111 bombardeando un blanco de bismuto durante varios días con
un haz de átomos de níquel:
20983Bi + 6428Ni ( 272111X + 10n
Sorprendentemente, su descubrimiento se basó en la detección de sólo tres
átomos del nuevo elemento. Estos núcleos tienen una vida muy corta, y
sufren desintegración alfa milisegundos después de su síntesis. El mismo
grupo de científicos informó también la síntesis del elemento 112 en
febrero de 1996.

Velocidades de desintegración radiactiva
¿Porqué ciertos radioisótopos, como el uranio-238, existen en la
Naturaleza, en tanto que otros no y es necesario sintetizarlos? La clave
para responder esta pregunta está en darse cuenta que los distintos núcleos
sufren desintegración radiactiva a diferentes velocidades. Muchos
radioisótopos se desintegran prácticamente por completo en cuestión de
segundos, o menos; es obvio que estos núcleos no se encuentran en la
Naturaleza. En cambio, el uranio-238 se desintegra con gran lentitud; por
consiguiente, y no obstante su inestabilidad, todavía podemos observar este
isótopo en la Naturaleza. Una característica importante de un radioisótopo
es su velocidad de desintegración radiactiva.
La desintegración radiactiva es un proceso de primer orden.
Recordemos que una reacción de primer orden es aquella cuya velocidad
depende de la concentración de un solo reactivo elevada a la primera
potencia. Este proceso de primer orden tiene una vida media característica,
que es el tiempo que se requiere para que reaccione la mitad de cualquier
cantidad de sustancia dada. La velocidad de desintegración de un núcleo se
analiza comúnmente en términos de su vida media.
Cada isótopo tiene su propia vida media característica. Por ejemplo,
la vida media del estroncio-90 es de 29 años. Si partiéramos de 10,0 g de
estroncio-90, sólo quedarían 5,0 g de este isótopo después de 29 años;
después de otros 29 años quedarían 2,5 g, y así sucesivamente. El estroncio-
90 se desintegra a itrio-90, como se muestra en la siguiente ecuación:
9038Sr ( 9039Y + 0-1e
La pérdida de estroncio-90 en función del tiempo se muestra en la siguiente
figura:

Se observan vidas medias muy cortas, de hasta millonésimas de
segundo, y otras muy largas, del orden de miles de millones de años. En la
siguiente tabla se indican las vidas medias de algunos radioisótopos:

"Vida media y tipo de desintegración de varios radioisótopos "
" "Isótopo "Vida media "Tipo de "
" " "(años) "desintegración "
"Radioisótopos "23892U "4,5.109 "Alfa "
"naturales " " " "
" "23592U "7,1.108 "Alfa "
" "23290Th "1,4.1010 "Alfa "
" "4019K "1,3.109 "Beta "
" "146C "5730 "Beta "
"Radioisótopos "23994Pu "24000 "Alfa "
"sintéticos " " " "
" "13755Cs "30 "Beta "
" "9038Sr "28,8 "Beta "
" "13153I "0,022 "Beta "

Una característica importante de las vidas medias de desintegración nuclear
es que no son afectadas por condiciones externas como temperatura, presión
o estado de combinación química. Por consiguiente, y a diferencia de las
sustancias químicas tóxicas, los átomos radiactivos no se pueden hacer
inofensivos a través de reacciones químicas o de cualquier otro tratamiento
práctico. En este punto, no podemos hacer otra cosa que dejar que estos
núcleos pierdan radiactividad al ritmo característico de cada uno. Mientras
tanto, por supuesto, debemos tomar precauciones para aislar los
radioisótopos a causa del daño que puede causar la radiación.

Fechado

Puesto que la vida media de cualquier núclido en particular es constante,
la vida media puede servir como reloj molecular para determinar la edad de
diferentes objetos. Por ejemplo, el carbono-14 se ha usado para determinar
la edad de los materiales orgánicos. El procedimiento se basa en la
formación de carbono-14 por captura de neutrones en la atmósfera superior:
147N + 1ºn ( 146C + 11p
Esta reacción suministra una fuente pequeña, aunque razonablemente
constante, de carbono-14. El carbono-14 es radiactivo y sufre
desintegración beta con una vida media de 5730 años.
146C ( 147N + 0-1e
Al emplear el fechado con radiocarbono, suponemos que la proporción
de carbono-14 a carbono-12 en la atmósfera ha sido constante durante al
menos 50000 años. El carbono-14 se incorpora al dióxido de carbono, el cual
a su vez se integra, a través de la fotosíntesis, a moléculas de carbono
más complejas dentro de las plantas. Cuando los animales comen las plantas,
el carbono-14 se incorpora a los mismos. Debido a que una planta o un
animal vivo ingiere constantemente compuestos de carbono, consigue mantener
una proporción de carbono-14 a carbono-12 que es idéntica a la de la
atmósfera. Sin embargo, cuando el organismo muere, deja de ingerir
compuestos de carbono y no repone el carbono-14 que se pierde por
desintegración radiactiva. La proporción de carbono-14 a carbono-12
disminuye en consecuencia. Midiendo esta proporción y comparándola con la
de la atmósfera, podemos estimar la edad de un objeto. Por ejemplo, si la
proporción disminuye a la mitad de la atmósfera, podemos concluir que el
objeto tiene una edad de una vida media, es decir, 5730 años. Este método
no se puede usar para fechar objetos cuya antigüedad es mayor de
aproximadamente 50000 años. Después de este tiempo la radiactividad es
demasiado baja como para poder medirla con exactitud.
La técnica de fechado por radiocarbono se ha corroborado comparando
la edad de los árboles que se determina contando sus anillos y la calculada
por análisis de radiocarbono. A medida que un árbol crece, incorpora un
anillo cada año. En el crecimiento antiguo el carbono-14 se desintegra,
mientras que la concentración de carbono-12 permanece constante. Los dos
métodos de fechado concuerdan con una diferencia de alrededor del 10%. La
mayor parte de la madera que se usó en estos ensayos provenía de pinos de
California, que alcanzan edades de hasta 2000 años. Usando árboles que
murieron en épocas conocidas hace miles de años, es posible hacer
comparaciones hasta aproximadamente el año 5000 a.C.
Se pueden usar otros isótopos de forma similar para fechar otros
tipos de objetos. Por ejemplo, se requieren 4,5.109 años para que la mitad
de una muestra de uranio-238 se desintegre a plomo-206. La edad de las
rocas que contienen uranio se puede determinar por tanto midiendo la
proporción de plomo-206 a uranio-238.
Las rocas más antiguas que se encuentran en la Tierra tienen una
antigüedad de aproximadamente 3.109 años. Esta edad indica que la corteza
terrestre ha sido sólida durante al menos este tiempo. Los científicos
calculan que se requirieron de 1 a 1,5.109 años para que la tierra se
enfriara y su superficie se solidificara. Esto sitúa la edad de la Tierra
entre 4,0 y 4,5.109 (unos 4500 millones) de años.

Cálculos con base en la vida media

¿Cómo determinamos la vida media del uranio-238? De manera similar, ¿cómo
determinamos cuantitativamente la edad de un objeto?
La desintegración radiactiva es un proceso cinético de primer orden.
Por consiguiente, su velocidad es proporcional al número N de núcleos
radiactivos que hay en la muestra:
Velocidad = kN (8)
La constante de primer orden, k, se conoce como constante de
desintegración. La velocidad con que una muestra se desintegra es su
actividad, y se suele expresar como el número de desintegraciones
observadas por unidad de tiempo.
Una ecuación de velocidad de primer orden se puede transformar en
otra ecuación sumamente útil:
Nt
ln ---- = -kt (9)
N0
En esta ecuación, t es el intervalo de tiempo de desintegración, k es la
constante de desintegración, N0 es el número inicial de núcleos (en el
tiempo cero) y Nt es el número que queda después del intervalo de tiempo.
Tanto la masa de un radioisótopo en particular como su actividad son
proporcionales al número de núcleos radiactivos. Por tanto, el término
Nt/N0 de la ecuación (9) se puede sustituir ya sea por la proporción de la
masa en cualquier tiempo t a la masa en el tiempo t = 0 o por la proporción
de las actividades en el tiempo t y t = 0.
De la ecuación (9) podemos obtener la relación entre la constante de
desintegración, k, y la vida media, t1/2:
0,693
k = -----------
t1/2

Detección de la radiactividad

Se han ideado métodos para detectar emisiones de sustancias radiactivas.
Becquerel descubrió la radiactividad a causa del efecto de la radiación
sobre las placas fotográficas. Las placas y películas fotográficas se han
usado desde hace mucho tiempo para detectar la radiactividad. La radiación
afecta la película fotográfica como lo hacen los rayos X. Con cuidado, se
puede usar película para obtener una medida cuantitativa de la actividad.
Cuanto mayor es el grado de exposición a la radiación, más oscura es el
área del negativo revelado. Las personas que trabajan con sustancias
radiactivas traen consigo placas de película para registrar la medida de su
exposición a la radiación.
La radiactividad también se puede detectar y medir usando un
instrumento conocido como contador Geiger. El funcionamiento del contador
Geiger se basa en la ionización de la materia causada por la radiación. Los
iones y electrones que genera la radiación ionizante permiten la conducción
de una corriente eléctrica. El diseño básico de un contador Geiger se
muestra en la siguiente figura:

Consiste en un tubo metálico lleno de gas. El cilindro tiene una "ventana"
hecha de un material que pueden penetrar los rayos alfa, beta o gamma. En
el centro del tubo hay un alambre, el cual está conectado a una terminal de
una fuente de corriente directa, y el cilindro metálico está unido a la
otra terminal. La corriente fluye entre el alambre y el cilindro metálico
siempre que la radiación que entra produce iones. El impulso de corriente
que se crea cuando entra radiación al tubo se amplifica; cada impulso se
cuenta como una medida de la cantidad de radiación.
Ciertas sustancias que son excitadas electrónicamente por la
radiación también se pueden usar para detectar y medir la misma. Por
ejemplo, algunas sustancias excitadas por radiación emiten luz cuando los
electrones regresan a sus estados de más baja energía. Estas sustancias se
llaman fósforos. Las diferentes sustancias responden a partículas
distintas. Por ejemplo, el sulfuro de cinc responde a las partículas alfa.
En el pasado, la carátula de los relojes luminosos se pintaba con una
mezcla de ZnS y una cantidad minúscula de RaSO4. El ZnS emite luz visible
cuando es alcanzado por partículas alfa provenientes de la desintegración
radiactiva del radio y esto hace que el cuadrante brille en la oscuridad.
Un instrumento llamado contador de centelleo se usa para detectar y
medir radiación, con base en los diminutos destellos de luz que se producen
cuando la radiación alcanza un material fosforescente adecuado. Los
destellos se amplifican electrónicamente y se cuentan para medir la
cantidad de radiación.




Radiotrazadores
A causa de la facilidad con la que se detectan los radioisótopos, se pueden
usar para seguir un elemento a través de sus reacciones químicas. Por
ejemplo, la incorporación de átomos de carbono del CO2 en la glucosa
durante la fotosíntesis se ha estudiado usando CO2 que contiene carbono-14:

Luz solar
6 14CO2 + 6 H2O ( 14C6H12O6 + 6 O2
Clorofila
Se dice que el CO2 está marcado con carbono-14. Los dispositivos de
detección como el contador de centelleo permiten seguir el movimiento del
carbono-14 a través de los diversos compuestos intermedios hasta la
glucosa.
El uso de radioisótopos es posible porque todos los isótopos de un
elemento tienen propiedades químicas idénticas. Cuando una pequeña cantidad
de un radioisótopo se mezcla con los isótopos estables naturales del mismo
elemento, todos los isótopos sufren las mismas reacciones. La radiactividad
del radioisótopo pone de manifiesto la trayectoria del elemento. Debido a
que el radioisótopo se puede usar para trazar el camino del elemento, se
conoce como radiotrazador.

Efectos biológicos de la radiación

Recibimos un bombardeo constante de radiación proveniente de fuentes
naturales y artificiales. Por ejemplo, estamos expuestos a la radiación
infrarroja, ultravioleta y visible del Sol, a ondas de radio de estaciones
de televisión y radio, microondas de los hornos y rayos X de diversos
procedimientos médicos. Además, estamos expuestos a la radiactividad del
suelo y otros materiales naturales. Las distintas energías de estas
diversas clases de radiación son importantes para entender sus variados
efectos sobre la materia.
Cuando la materia absorbe radiación, su energía puede causar ya sea
excitación o ionización de la materia. Se produce excitación cuando la
radiación absorbida excita los electrones a estados de mayor energía o
aumenta el movimiento de las moléculas haciéndolas moverse, vibrar o girar.
Ocurre ionización cuando la radiación elimina un electrón de un átomo o
molécula. En general, la radiación que causa ionización, llamada radiación
ionizante, es mucho más dañina para los sistemas biológicos que la
radiación que no la causa, llamada radiación no ionizante.
Casi todos los tejidos vivos contienen al menos 70 % de agua en masa.
Cuando se irradia un tejido vivo, la mayor parte de la energía de la
radiación es absorbida por moléculas de agua. Por tanto, es común definir
la radiación ionizante como radiación capaz de ionizar agua, un proceso que
requiere una energía mínima de 1216 kJ/mol. Los rayos alfa, beta y gamma
(lo mismo que los rayos X y la radiación ultravioleta de más alta energía)
poseen energías que sobrepasan esta cantidad y son por tanto formas de
radiación ionizante.
Cuando la radiación ionizante pasa a través de un tejido vivo, se
eliminan electrones de las moléculas de agua, con lo que se forman iones
H2O+ muy reactivos. Un ion H2O+ puede reaccionar con otra molécula de agua
para formar un ion H3O+ y una molécula neutra OH:
H2O+ + H2O ( H3O+ + OH
La inestable y muy reactiva molécula OH es un ejemplo de radical libre, una
sustancia con uno o más electrones no apareados, como se puede ver en la
siguiente estructura de Lewis: (Ö ( H. La presencia del electrón no
apareado se suele destacar escribiendo la especie con un solo punto, (OH.
En las células y tejidos, estas partículas pueden atacar una multitud de
biomoléculas circundantes para producir nuevos radicales libres, los
cuales, a su vez, atacan todavía más compuestos. Así pues, la formación de
un solo radical libre puede iniciar un gran número de reacciones químicas
que son capaces en último término de perturbar las operaciones normales de
las células.
El daño que produce la radiación depende de la actividad y energía de
la misma, de la duración de la exposición y de si la fuente está dentro o
fuera del cuerpo. Fuera del cuerpo, los rayos gamma son particularmente
dañinos porque penetran los tejidos humanos con gran eficacia, como lo
hacen los rayos X. En consecuencia, el daño que causan no está limitado a
la piel. En cambio, la piel detiene casi todos los rayos alfa, y los rayos
beta sólo consiguen penetrar aproximadamente 1 cm más allá de la superficie
de la piel. Por tanto, ni unos ni otros son tan peligrosos como los rayos
gamma, a menos que la fuente de radiación entre de alguna manera en el
cuerpo. Dentro del organismo, los rayos alfa son particularmente peligrosos
porque transfieren rápidamente su energía al tejido circundante e inician
daños considerables.

Capacidad relativa de penetración de la radiación alfa, beta y gamma

En general, los tejidos que muestran mayor daño a consecuencia de la
radiación son los que se reproducen con rapidez, como la médula ósea, los
tejidos formadores de sangre y los nódulos linfáticos. El efecto principal
de una exposición prolongada a dosis bajas de radiación es la inducción de
cáncer. El cáncer es causado por daños al mecanismo regulador del
crecimiento de las células, lo que induce a la célula a reproducirse sin
control. La leucemia, que se caracteriza por el crecimiento excesivo de
glóbulos blancos de la sangre, es probablemente el principal problema de
cáncer asociado a la radiación.
En vista de los efectos biológicos de la radiación, es importante
determinar si algún nivel de exposición no ofrece peligro.
Desafortunadamente, los intentos por fijar normas realistas se han visto
obstaculizados por la falta de comprensión de los efectos de la exposición
de larga duración a la radiación. Los científicos que se ocupan de fijar
normas sanitarias han aplicado la hipótesis de que los efectos de la
radiación son proporcionales a la exposición, incluso en dosis bajas. Se
supone que cualquier cantidad de radiación causa cierto riesgo de lesión, y
los efectos de las dosis altas se extrapolan a las más bajas. En cambio,
otros científicos consideran que existe un umbral abajo del cual la
radiación no representa un riesgo. Hasta que las pruebas científicas
permitan definir la cuestión con cierta confianza, es más seguro suponer
que incluso los niveles bajos de radiación plantean cierto peligro.

Dosis de radiación

Se usan varias unidades distintas para medir radiación. El becquerel (Bq)
es la unidad SI para la actividad de la fuente de radiación, es decir, para
la rapidez con la que las desintegraciones nucleares están ocurriendo. Un
becquerel se define como una desintegración nuclear por segundo. Una unidad
de actividad más antigua, pero que todavía se usa ampliamente, es el curie
(Ci), que se define como 3,7.1010 desintegraciones por segundo, que es la
velocidad de desintegración de 1 g de radio. Así pues, una muestra de 4,0
mCi de cobalto-60 sufre (4,0.10-3)(3,7.1010) = 1,5.108 desintegraciones por
segundo y tiene una actividad de 1,5.108 Bq.
Dos unidades de uso común para medir la cantidad de exposición a la
radiación son el gray y el rad. El gray (Gy), que es la unidad SI de dosis
adsorbida, corresponde a la absorción de 1 J de energía por kilogramo de
tejido. El rad (radiation absorbed dose; dosis de radiación adsorbida)
corresponde a la absorción de 1.10-2 J de energía por kilogramo de tejido.
Por consiguiente, 1 Gy = 100 rads. El rad es la unidad de uso más frecuente
en medicina.
No todas las formas de radiación tienen la misma eficiencia para
dañar materiales biológicos. Por ejemplo, un rad de radiación alfa puede
producir más daño que un rad de radiación beta. Para hacer la corrección
por estas diferencias la dosis de radiación se multiplica por un factor que
mide el daño biológico relativo causado por la radiación. El factor de
multiplicación se conoce como efectividad biológica relativa de la
radiación y se abrevia RBE (relative biological effectiveness). La RBE es
aproximadamente 1 para la radiación gamma y beta, y 10 para la radiación
alfa. El valor exacto de la RBE varía con la rapidez de la dosis, la dosis
total y el tipo de tejido afectado. El producto de la dosis de radiación en
rads por la RBE de la radiación proporciona la dosis efectiva en unidades
de rem (roentgen equivalent for man; equivalentes en roentgens para el
hombre):
Número de rems = (número de rads) (RBE)
La unidad SI de dosificación efectiva es el Sievert (Sv), el cual se
obtiene multiplicando la RBE por la unidad SI de dosis de radiación, el
gray; por tanto, 1 Sv = 100 rem. El rem es la unidad de daño por radiación
que se usa ordinariamente en medicina.
Los efectos de las exposiciones de corta duración a la radiación
aparecen en la siguiente tabla:

"Efectos de la exposición de corta duración a la radiación "
"Dosis "Efecto "
"(rem) " "
"0 a 25 "No hay efectos clínicos detectables "
"25 a 50 "Disminución temporal ligera de la cuenta de glóbulos "
" "blancos en la sangre "
"100 a 200 "Náusea, descenso notable en los glóbulos blancos de la "
" "sangre "
"500 "Muerte de la mitad de la población expuesta menos de 30 "
" "días después de la exposición "

Una exposición de 600 rem es mortal para casi cualquier ser humano. Para
poner este número en perspectiva, una radiografía dental típica significa
una exposición de alrededor de 0,5 mrem. La exposición media para una
persona en un año, debida a todas las fuentes naturales de radiación
ionizante (llamada radiación de fondo) es de alrededor de 360 mrem.

Fisión nuclear

Tanto la división de núcleos pesados (fisión) como la unión de núcleos
ligeros (fusión) son procesos exotérmicos. Las plantas comerciales de
energía nuclear y las formas más comunes de armamento nuclear dependen del
proceso de fisión nuclear para su funcionamiento. La primera fisión nuclear
que se descubrió fue la del uranio-235. Este núcleo, al igual que los de
uranio-233 y plutonio-239, sufre fisión cuando es alcanzado por un neutrón
de movimiento lento. Este proceso de fisión inducida se ilustra en la
siguiente figura:
Un núcleo pesado se puede dividir de muchas maneras distintas. En las
siguientes ecuaciones se muestran dos formas de división del uranio-235:
( 13752Te + 9740Zr + 2 10n

10n + 23592U
( 14256Ba + 9136Kr + 3 10n

Se han encontrado más de 200 isótopos diferentes de 35 elementos distintos
entre los productos de fisión del uranio-235. Casi todos ellos son
radiactivos.
En promedio, se producen 2,4 neutrones por cada fisión de uranio-235.
Si una fisión produce 2 neutrones, estos 2 neutrones pueden causar dos
fisiones. Los 4 neutrones que se liberan de esta manera pueden producir
cuatro fisiones, y así sucesivamente, como se muestra en la siguiente
figura:


Fusión nuclear

Se produce energía cuando los núcleos ligeros se fusionan para formar otros
más pesados. Las reacciones de este tipo son el origen de la energía que
produce el Sol. Los estudios espectroscópicos indican que el Sol se compone
de 73% de H, 26% de He y sólo 1 % de todos los demás elementos, en masa.
Entre los diversos procesos de fusión que se considera se están llevando a
cabo están los siguientes:
11H + 11H ( 21H + 01e
11H + 21H ( 32He
32He + 32He ( 42He + 2 11H
32He + 11H ( 42He + 01e
Se han propuesto teorías para la generación de los demás elementos a través
de procesos de fusión.
La fusión es atractiva como fuente de energía a causa de la
disponibilidad de isótopos ligeros y porque en general los productos de
fusión no son radiactivos. No obstante lo anterior, la fusión no se usa
actualmente para generar energía. El problema es que se requieren energías
elevadas para vencer la repulsión entre núcleos. Las energías necesarias se
alcanzan por medio de altas temperaturas.