QUIMICA
Introducción La química nuclear es una rama de la química la cual estudia las reacciones de desint desintegr egraci ación ón o trans transfor formac mación ión de los núcleo núcleos s radioa radioacti ctivos vos.. Los Los dos tipos tipos más comunes de desintegración radioactiva se caracterian por la emisión de partículas alfa ! "eta. La química nuclear se "asa en la energía nuclear esta energía es li"erada durante la #sión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden o"tenerse mediante procesos nucleares que superan con muc$o a las que pueden lograrse mediante procesos químicos% que sólo implican las regiones e&ternas del átomo.
ANTECEDENTES La era nuclear comenó en '()*% con el casual descu"rimiento de +ecquerel so"re la nat natural urale ea a radi radio oacti activ va del uran uranio io.. La la" la"orio orios sa inve invest stig igac ació ión n que que sig siguió uió% partic particular ularmen mente te la de ,ut$erfo ut$erford rd%% conducondu-o o al concep concepto to revol revoluci uciona onario rio de que la radioactividad es un efecto nuclear. Algunos núcleos atómicos representan un cam"io repen epenti tino no ! espo espont ntán áneo eo%% li"e li"era rand ndo o part partíc ícul ulas as ener energ gti tica cas s car cargada gadas s que que van van acompa/adas por energía radiante en forma de penetrantes ra!os gamma. Como resultado de la emisión espontánea de partículas cargadas% los núcleos radioactivos se desintegran o transforman en núcleos de diferentes elementos La energía nuclear puede li"erarse en dos formas diferentes0 por #sión de un núcleo pesado o por fusión de dos núcleos ligeros. 1n am"os casos se li"era energía porque los productos tienen una energía de enlace ma!or que los reactivos. Las reacciones de fusi fusión ón son son difí difícil ciles es de mant manten ener er porq porque ue los los núcl núcleo eos s se repe repelen len entr entre e sí% sí% per pero a diferencia de la #sión no generan productos radiactivos.
Los cientí#cos nucleares $an aprendido que e&isten dos modelos con respecto a la esta"i esta"ilid lidad ad del núcleo núcleo en relac relación ión con la desint desintegra egració ción n radioa radioacti ctiva. va. Agrupa Agrupan n los núcleos "asándose en que tengan un número par o impar de protones ! neutrones. '
QUIMICA Cuando se consideran todos lo isótopos no radioactivos de os elementos% se o"serva que que son son cons consid ider era" a"le leme ment nte e mas mas a"un a"unda dant ntes es los los que que tien tienen en un nume numero ro par par de protones ! neutrones. 2e apro&imadamente igual a"undancia son los isótopos cu!os núcl núcleo eos s tien tienen en un nume numerro par par de prot proton ones es ! un nume numero ro impa imparr de neut neutro rone nes s ! aquellos que tienen un numero impar de protones pero un numero par de neutrones. Los isótopos esta"les menos a"undantes son los núcleos que tienen un numero impar de protones ! neutrones3 $a! solo ) de estos núcleos esta"les impar4impar entre los 566 isótopos esta"les conocidos. La esta"ilidad nuclear parece ser ma!or cuando el numero de neutrones es igual o un poco ma!or que el numero de protones. 7ara un núcleo que se encuentra fuera de la ona de esta"ilidad% la desintegración radioactiva conduce a un cam"io en la relación neutr neutres8 es8pr proto otones nes%% que le acerc acerca a a la ona ona de esta"i esta"ilid lidad. ad. 9arias arias desint desintegra egracio ciones nes radioactiv radioactivas as se producen producen antes de que la relación relación neutrones8 neutrones8prot protones ones alcance un valor en la ona de esta"ilidad.
NATURALEZA NA TURALEZA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS La $umanidad $a utiliado desde el principio de su e&istencia reacciones químicas para para produ producir cir energ energía. ía. 1n primer primer lugar lugar median mediante te la com"us com"ustió tión n de madera madera o de car"ón% pasando por las que tienen lugar en los motores de e&plosión de los coc$es ! :
QUIMICA llegando $asta las más so#sticadas% que tienen lugar en los motores de propulsión de las naves espaciales. Las reacciones químicas van acompa/adas en unos casos de un desprendimiento ! en otros de una a"sorción de energía% pero ;de dónde procede esta energía< Cada átomo ! cada molcula de una sustancia posee una determinada energía química o energía interna característica% que depende de las energías cintica ! potencial de las partículas constitu!entes0 átomos% electrones ! núcleos. 7or tanto% se puede a#rmar que los reactivos de una reacción química poseen un determinado contenido energtico propio =energía interna> ! los productos otro diferente. ?i en una reacción química disminu!e la energía interna del sistema% se desprende energía. ?i% por el contrario% aumenta la energía interna% se a"sor"e energía. La energía de una reacción es la energía que se pone en -uego en la reacción !% por tanto% es igual al "alance de energía interna entre los productos ! los reactivos. ?i e&iste desprendimiento de energía% la reacción se denomina e&oenergtica !% por el contrario% si para que se efectúe la reacción% se requiere el aporte de energía% la reacción se llama endoenergtica. La energía desprendida o a"sor"ida puede ser en forma de energía luminosa% elctrica% etc% pero $a"itualmente se mani#esta en forma de calor% por lo que el calor desprendido o a"sor"ido en una reacción química% se llama ca lor de reacción ! tiene un valor característico para cada reacción% en unas determinadas condiciones da presión ! temperatura. Las reacciones qu!icas "ueden entonces clasi#carse en$ e%ot&r!icas o endot&r!icas' según se d& des"rendi!iento o a(sorción
de calor) TI*O DE REACCIONES QUÍMICAS Modernamente% desde un criterio "asado en la naturalea de las reacciones stas se clasi#can en dos grandes grupos0 a> ,eacciones ácido4"ase. "> ,eacciones de o&idación4reducción. a> ,eacciones ácido4"ase% en donde0
La reacción de un +cido con una (ase se deno!ina reacción de neutrali,ación' - es una reacción de transferencia de protones. 7or e-emplo0 5
QUIMICA ./Cl0Ca 1O/2. CaCl.3./.O @ se a#rma que la reacción de neutraliación entre un ácido ! una "ase es una reacción de formación de sal más agua. "> ,eacciones de o&idación4reducción0 1n un principio se de#nió o&idación como toda reacción de com"inación de cualquier sustancia con el o&ígeno% ! reducción como la reacción inversa% de prdida de o&ígeno de una sustancia.
Actualmente se considera que &idación es un proceso de prdida de electrones ! Reducción es el proceso inverso de ganancia de electrones. 2e forma que0
Cu 45 Cu.6 0 . e es una o%idación . A76 3 . e 45 . A7 es una reducción Am"os procesos no e&isten de forma independiente% de forma que todo proceso de o&idación va unido necesariamente a otro de reducción. Una reacción de o%idación8
reducción es una reacción en la que 9a- trans:erencia de electrones desde la sustancia que se o%ida a la que se reduce) 2e esta forma se tendrá que0
Cu 3 . A76 45 Cu.6 3 . A7 7uesto que los cationes de"en ir acompa/ados de un anión% se podrá escri"ir dic$a reacción de la siguiente forma0
Cu0.A7C; 45 CuCl.3.A7
Reacciones de sntesis ?on las reacciones en la que unos reactivos se com"inan para dar lugar a un nuevo producto. 2e forma genrica se pueden representar mediante0 B
QUIMICA A3< 85 C donde el reactivo A se com"ina con el + para producir C.
Reacciones de desco!"osición 2entro de estas reacciones e&isten dos clases de descomposiciones0
a2 Desco!"osiciones si!"les 1ste es un tipo de reacción química inverso al de síntesis% en donde una sustancia reaccionante se descompone en dos o más productos. enricamente estas reacciones se pueden representar mediante0
A 85 <0C donde la sustancia A da origen a los productos + ! C.
(2 Desco!"osiciones !ediante un reacti=o 1n este caso% para que se efectúe la descomposición de una sustancia% se requiere el concurso de otro reactivo% ! se pueden representar mediante0 A+ 3 C 4> AC 3 +C donde la sustancia A+ es transformada mediante C en otras dos distintas% AC!+C.
Reacciones de sustitución o des"la,a!iento 1n este tipo de reacciones un elemento o grupo de elementos que forman parte de un compuesto son desplaados por otro compuesto% ! se pueden representar por0
A< 3 C 45 AC 3 < que indica que el compuesto de fórmula A+ reacciona con C para formar el compuesto AC ! de-ar li"re +.
Reacciones de do(le sustitución D
QUIMICA 1n estas reacciones se da un intercam"io entre los elementos o grupos de elementos de las sustancias que intervienen en la reacción% ! se pueden representar mediante0
Esta(ilidad Nuclear La radiactividad es un proceso estrictamente nuclear% es un proceso de desintegración espontánea del núcleo. La estabilidad nuclear es el equili"rio entre las fueras de repulsión elctrica de los protones ! la fuera atractiva nuclear de corto alcance% que e&perimentan los protones ! neutrones del núcleo. La relación entre el número de protones =E> ! neutrones=F> es por lo tanto clave para la esta"ilidad del núcleo. 7ara los núcleos ligeros F es apro&imadamente igual a E% es decir la relación entre F ! E es ' =F 8 E G'>% por lo que son esta"les. 7ara los núcleos pesados la esta"ilidad se consigue con ma!or número de neutrones ! la relación entre F ! E puede llegar a ser de $asta '.D* =F 8 EG'.D*> % desviándose del valor ' en el que el núcleo es esta"le. 1ste comportamiento de los diferentes núcleos está representado en la grá#ca . La esta"ilidad nuclear está relacionada con la cantidad relativa de protones ! neutrones que pose un núcleo. Aquellas especies con E par son más numerosas que las de E impar. Los puntos negros son los isótopos esta"les ! la fran-a ascendente es la fran-a de esta"ilidad nuclear. "serve que para EH:6% los que son esta"les tienen más neutrones que protones. 7ara un elemento dado% en la parte central están los isótopos esta"les ! $acia arri"a ! $acia a"a-o los isótopos radiactivos. ?i un núcleo con E protones tiene e&ceso o de#ciencia de neutrones es inesta"le. La línea recta =EGF> es la condición ideal de esta"ilidad. ;7orque los protones no se repelen entre sí% desintegrando el núcleo< 1n el núcleo no operan las fueras de atracción ! repulsión coulom"icas que se usan para e&plicar las interacciones entre iones positivos ! negativos. 1n el núcleo operan las interacciones fuertes% que son unas '66 veces ma!ores que las coulom"icas ! que operan sólo en distancias e&tremadamente cortas al interior del núcleo. 1&isten algunas regularidades que de#nen a los isotopos esta"les si los valores de E ! F son pares o impares0 a> Los isotopos esta"les con E par son más numerosos que los isotopos con E impar. "> 1l *6 de los núclidos esta"les tienen E ! F par. c> ?on esta"les sólo B núclidos con E ! F impar. d> ?on núclidos e&tremadamente esta"les los que poseen E o F0 :% (% :6% :(% D6% (: ! ':*. A estos números se les conoce como Jnúmeros mágicosJ.
*
QUIMICA Radiacti=idad La radiacti=idad o radioacti=idad es un fenómeno físico natural% por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos% emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográ#cas% ioniar gases% producir Kuorescencia% atravesar cuerpos opacos a la lu ordinaria% etc. 2e"ido a esa capacidad se les suele denominar radiaciones ioniantes =en contraste con las no ioniantes>. Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnticas% en forma de ra!os o ra!os gamma% o "ien corpusculares% como pueden ser núcleos de elio% electrones o positrones% protones u otras. 1n resumen% es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos% que son capaces de transformarse en núcleos de elementos de otros átomos. La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son Jinesta"lesJ. 1s decir que se mantienen en un estado e&citado en sus capas electrónicas o nucleares% con lo que para alcanar su estado fundamental de"en perder energía. Lo $acen en emisiones electromagnticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cintica. 1sto se produce variando la energía de sus electrones =emitiendo ra!os >% sus nucleones =ra!o gamma> o variando el isótopo =al emitir desde el núcleo electrones% positrones% neutrones% protones o partículas más pesadas>% ! en varios pasos sucesivos% con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtindose en uno muc$o más ligero% como el Uranio que con el transcurrir de los siglos aca"a convirtindose en plomo. 1s aprovec$ada para la o"tención de energía% usada en medicina =radioterapia ! radiodiagnóstico> ! en aplicaciones industriales =medidas de espesores ! densidades entre otras>. La radiactividad puede ser0 •
•
Fatural0 manifestada por los isótopos que se encuentran en l a naturalea. Arti#cial o inducida0 manifestada transformaciones arti#ciales.
por
los
radioisótopos
producidos en
•
Radiacti=idad natural 1n '()* +ecquerel descu"rió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente% al o"servar que vela"an las placas fotográ#cas envueltas en papel negro. io ensa!os con el mineral en caliente% en frío% pulveriado% disuelto en ácidos ! la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. 7or tanto% esta nueva propiedad de la materia% que reci"ió el nom"re de radiactividad% no dependía de la forma física o química en la que se encontra"an los átomos del cuerpo radiactivo% sino que era una propiedad que radica"a en el interior mismo del átomo.
N
QUIMICA 1l estudio del nuevo fenómeno ! su desarrollo posterior se de"e casi e&clusivamente al matrimonio Curie% quienes encontraron otras sustancias radiactivas como el torio% polonio ! radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente% por lo que dedu-o Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica. 1l fenómeno de la radiactividad se origina e&clusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. ?e cree que la causa que lo origina es de"ida a la interacción neutrón4protón del mismo. Al estudiar la radiación emitida por el radio se compro"ó que era comple-a% pues al aplicarle un campo magntico parte de ella se desvia"a de su tra!ectoria ! otra parte no. 7ronto se vio que todas estas reacciones provenían del núcleo atómico que descri"ió ,ut$erford en ')''% quien tam"in demostró que las radiaciones emitidas por las sales de uranio eran capaces de ioniar el aire ! de producir la descarga de cuerpos cargados elctricamente. Con el uso del neutrino% partícula descrita en ')56 por 7auli pero no medida $asta ')D* por Cl!de CoOan ! sus cola"oradores% consiguió descri"irse la radiación "eta. 1n ')5: Pames C$adOic descu"rió la e&istencia del neutrón que Rolfgang 7auli $a"ía predic$o en ')56% e inmediatamente despus 1nrico Sermi descu"rió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no mu! comunes de desintegración eran en realidad neutrones.
Radiacti=idad arti#cial ?e produce la radiactividad inducida cuando se "om"ardean ciertos núcleos esta"les con partículas apropiadas. ?i la energía de estas partículas tiene un valor adecuado penetran dentro del núcleo "om"ardeado ! forman un nuevo núcleo que% en caso de ser inesta"le% se desintegra despus radiactivamente. Sue descu"ierta por los esposos Pean Srederic Poliot4Curie e IrTne Poliot4Curie% "om"ardeando núcleos de "oro ! aluminio con partículas alfa. "servaron que las sustancias "om"ardeadas emitían radiaciones despus de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas de "om"ardeo. 1n ')5B Sermi se encontra"a en un e&perimento "om"ardeando núcleos de uranio con los neutrones recin descu"iertos. 1n ')5(% en Alemania% Lise Meitner% tto a$n ! Srit ?trassmann veri#caron los e&perimentos de Sermi. 1s más% en ')5) demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a ca"o estos e&perimentos era "ario. Mu! pronto con#rmaron que era resultado de la división de los núcleos de uranio0 la primera o"servación e&perimental de la #sión. 1n Srancia% Pean Srdric Poliot4Curie descu"rió que además del "ario% se emitían neutrones secundarios en esa reacción% $aciendo facti"le la reacción en cadena. am"in en ')5: Mar lip$ant teorió so"re la fusión de núcleos ligeros =de $idrógeno>% descri"iendo poco despus ans +et$e el funcionamiento de las estrellas en "ase a este mecanismo. 1l estudio de la radiactividad permitió un ma!or conocimiento de la estructura del núcleo atómico ! de las partículas su"atómicas. ?e a"re la posi"ilidad de convertir (
QUIMICA unos elementos en otros. Incluso el sue/o de los alquimistas de transformar otros elementos en oro se $ace realidad% aunque no resulte renta"le.
Clases - co!"onentes de radiación Clases de radiación ioniante ! cómo detenerla. Las partículas alfa =núcleos de $elio> se detienen al interponer una $o-a de papel. Las partículas "eta =electrones ! positrones> no son capaces de atravesar una capa de aluminio. ?in em"argo% los ra!os gamma =fotones de alta energía> necesitan una "arrera muc$o más gruesa% pudiendo los más energticos atravesar el plomo. ?e compro"ó que la radiación puede ser de tres clases diferentes0 '. ,adiación alfa0 ?on Ku-os de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones ! dos protones =núcleos de $elio>. ?on desviadas por campos elctricos ! magnticos. ?on poco penetrantes aunque mu! ioniantes. ?on mu! energticos. :. Radiación (eta0 ?on Ku-os de electrones ="eta negativas> o positrones ="eta positivas> resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado e&citado. 1s desviada por campos magnticos. 1s más penetrante aunque su poder de ioniación no es tan elevado como el de las partículas alfa. 7or lo tanto cuando un átomo e&pulsa una partícula "eta aumenta o disminu!e su número atómico una unidad =de"ido al protón ganado o perdido>. 5. Radiación 7a!!a0 ?on ondas electromagnticas. 1s el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnticas de longitud de onda corta% tienen ma!or penetración ! se necesitan capas mu! gruesas de plomo u $ormigón para detenerlas. Las le!es de desintegración radiactiva% descritas por ?odd! ! Sa-ans% son0 •
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Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa% la masa del átomo =A> resultante disminu!e en B unidades ! el número atómico =E> en :. Cuando un átomo radiactivo emite una partícula "eta% el número atómico =E> aumenta o disminu!e en una unidad ! la masa atómica =A> se mantiene constante. Cuando un núcleo e&citado emite radiación gamma no varía ni su masa ni su número atómico% solo pierde una cantidad de energía $V =donde J$J es la constante de 7lanc ! JVJ es la frecuencia de la radiación emitida>.
)
QUIMICA Causa de la radiacti=idad 1n general son radiactivas las sustancias que no presentan un "alance correcto entre protones o neutrones% tal como muestra el grá#co al inicio del artículo. Cuando el número de neutrones es e&cesivo o demasiado peque/o respecto al número de protones se $ace más difícil que la fuera nuclear fuerte de"ida al efecto del intercam"io de piones pueda mantenerlos unidos. 1ventualmente el desequili"rio se corrige mediante la li"eración del e&ceso de neutrones o protones% en forma de partículas W que son realmente núcleos de elio% partículas X que pueden ser electrones o positrones. 1stas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad mencionados0 •
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,adiación W% que aligera los núcleos atómicos en B unidades másicas% ! cam"ia el número atómico en dos unidades. ,adiación X% que no cam"ia la masa del núcleo% !a que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa% ! cam"ia el número atómico en una sola unidad =positiva o negativa% según la partícula emitida sea un electrón o un positrón>.
La radiación por su parte se de"e a que el núcleo pasa de un estado e&citado de ma!or energía a otro de menor energía% que puede seguir siendo inesta"le ! dar lugar a la emisión de más radiación de tipo W% Y o Z. La radiación Z es por tanto un tipo de radiación electromagntica mu! penetrante !a que tiene una alta energía por fotón emitido.
Trans!utación nuclear La trans!utación es un trmino relacionado con la alquimia% física ! química que consiste en la conversión de un elemento químico en otro. 2esde los tiempos de la Alquimia se creía que esto era posi"le a "ase de reacciones químicas. ?o"re todo desde que se conocía que la densidad del oro ! el plomo eran mu! seme-antes =ver0 7iedra #losofal>. 2esde el descu"rimiento del átomo se sa"e que esto no es posi"le químicamente. Las reacciones químicas afectan tan sólo a los electrones de la cortea. La transmutación implica la alteración de los núcleos atómicos% lo que es un proceso totalmente '6
QUIMICA diferente. 7ara cam"iar un elemento en otro $a! que modi#car el número de protones que $a! en el núcleo. 1l plomo tiene (: protones ! el oro N). Así que para convertir el plomo en oro de"e perder tres protones. Fo solo es teóricamente posi"le% tam"in se $a $ec$o en la práctica3 pero para $acerlo se necesita consumir muc$a energía% tanta que el oro resultante es más caro que comprarlo en el mercado. 1s decir% es posi"le% pero no es una fuente económica de conseguirlo. ?in em"argo% dic$o fenómeno aparece en la naturalea de forma espontánea cuando ciertos elementos químicos e isótopos tienen núcleos inesta"les. 1n dic$os elementos% se producen fenómenos de radiación =alp$a ! "eta> ! de #sión nuclear en donde los elementos van transmutándose en elementos de peso atómico inferior $asta que su núcleo se vuelve esta"le =normalmente en plomo>. 1l fenómeno contrario% la transmutación en elementos de ma!or peso atómico% se da tam"in a altas temperaturas como las que se registran en el sol% denominándose a dic$o proceso fusión nuclear.
?ISI@N NUCLEAR 1n ')5B% un -oven físico italiano% 1nrico Sermi% "om"ardeo uranio con neutrones. a"ía conseguido retardarlos $acindolos pasar a travs de para#na. @a antes $a"ía descu"ierto que esos neutrones lentos tienen ma!or posi"ilidad de c$ocar ! reaccionar con los núcleos que los neutrones de alta velocidad.. omemos en cuenta que no $a! "arrera repulsiva para el acercamiento de neutrones a un núcleo. 7or tanto% no se requiere un mínimo de energía cintica para el "om"ardeo de neutrones. Las propiedades radioactivas de los productos de "om"ardeo a partir del uranio llevaron a Sermi a concluir% incorrectamente% que $a"ía creado un nuevo elemento =EG)5>% ! #-o su atención en otros pro"lemas de investigación. 1n resumen la #sión nuclear consiste en la división de un núcleo atómico en dos fragmentos de tama/o similar.
?USION NUCLEAR Mientras que la #sión nuclear se utilia en la actualidad como fuente de energía nuclear% se espera que la fusión nuclear será una fuente ilimitada de energía nuclear. Las reacciones de fusión nuclear son potencialmente ma!ores fuentes de energía que ''
QUIMICA las reacciones de #sión. ?e cree que la fusión nuclear es la fuente de energia del sol ! otras estrellas. A diferencia de la #sión nuclear% la fusión nuclear requiere que se acerquen% lo su#ciente para fusionarse% dos núcleos cargados positivamente ! que por ello se repelen mutuamente. La pro"a"ilidad de una reacción de fusión% entonces% es mu! peque/a% a menos que los núcleo s c$oquen con una energía enormemente alta. Una ve que comience la fusión nuclear% el calor de esta reacción termonuclear rinde la energía su#ciente para su sostenimiento. asta a$ora% los cientí#cos $an tenido &itos mu! limitados en el control de la fusión nuclear.
A"licación de isóto"os La primera utiliación de los isótopos radiactivos con #nes e&perimentales se realió en Austria en ')'5% -ustamente die a/os despus de la concesión del 7remio Fo"el a enr! +ecquerel ! Marie Curie por el descu"rimiento de la ,adiactividad. Sue concretamente el físico eorge C$arles de ever! quien utilió un isótopo de plomo =7"4:'6> para estudiar la solu"ilidad del sulfato ! cromato de plomo. Con el invento del ciclotrón a principios de la dcada de los treinta ! el posterior desarrollo de los reactores nucleares en la dcada de los cincuenta comiena la fa"ricación industrial de isótopos radiactivos. Las aplicaciones de los isótopos radiactivos son múltiples ! a"arcan distintos campos como la industria% medicina e investigación. 1n cualquiera de estos campos se utilian los isótopos para múltiples funciones tales como0 Medida de caudales% prospecciones mineras% control de contaminación de aguas% ela"oración de radiofármacos% estudios ! análisis citológicos% investigación "ioquímica% radiodiagnosis% tratamiento del cáncer% ! otros muc$os usos. odas estas aplicaciones son mu! "ene#ciosas para la $umanidad% pero como cualquier otra actividad genera residuos que es necesario tratar ! gestionar para preservar al $om"re ! al medio am"iente de las acciones perniciosas de las radiaciones.racias al uso de reactores nucleares $o!% en día es posi"le o"tener importantes cantidades de material radiactivo a "a-o costo. 1s así como desde #nales de los a/os B6% se produce una e&pansión en el empleo pací#co de diversos tipos de Isótopos ,adiactivos en diversas áreas del que$acer cientí#co ! productivo del $om"re. 1stas áreas se pueden clasi#car en0 ':
QUIMICA Agricultura ! Alimentación
a2
Control
de
*la7as)
?e sa"e que algunos insectos pueden ser mu! per-udiciales tanto para la calidad ! productividad de cierto tipo de cosec$as% como para la salud $umana. 1n muc$as regiones del planeta aún se les com"ate con la a!uda de gran variedad de productos químicos% muc$os de ellos cuestionados o pro$i"idos por los efectos nocivos que producen en el organismo $umano. ?in em"argo% con la tecnología nuclear es posi"le aplicar la llamada Jcnica de los Insectos 1striles =I1>J% que consiste en suministrar altas emisiones de radiación ioniante a un cierto grupo de insectos mac$os mantenidos en la"oratorio. Luego los mac$os estriles se de-an en li"ertad para facilitar su apareamiento con los insectos $em"ra. Fo se produce% por ende% la necesaria descendencia. 2e este modo% luego de sucesivas ! rigurosas repeticiones del proceso% es posi"le controlar ! disminuir su po"lación en una determinada región geográ#ca. 1n C$ile% se $a aplicado con &ito la tcnica I1 para el control de la mosca de la fruta % lo que $a permitido la e&pansión de sus e&portaciones agrícolas.
(2
Mutaciones)
La irradiación aplicada a semillas% despus de importantes ! rigurosos estudios% permite cam"iar la información gentica de ciertas variedades de plantas ! vegetales de consumo $umano. 1l o"-etivo de la tcnica% es la o"tención de nuevas variedades de especies con características particulares que permitan el aumento de su resistencia ! productividad.
c2
Conser=ación
de
Ali!entos)
1n el mundo mueren cada a/o miles de personas como producto del $am"re% por lo tanto% cada ve e&iste ma!or preocupación por procurar un adecuado almacenamiento ! mantención de los alimentos. Las radiaciones son utiliadas en muc$os países para aumentar el período de conservación de muc$os alimentos. 1s importante se/alar% que la tcnica de irradiación no genera efectos secundarios en la salud $umana% siendo capa de reducir en forma considera"le el número de organismos ! microorganismos patógenos presentes en variados alimentos de consumo masivo. La irradiación de alimentos es aplicada en C$ile en una planta de irradiación multipropósito u"icada en el Centro de 1studios Fucleares Lo Aguirre% con una demanda que o"liga a su funcionamiento ininterrumpido durante los 5*D días del a/o. '5
QUIMICA idrología racias al uso de las tcnicas nucleares es posi"le desarrollar diversos estudios relacionados con recursos $ídricos. 1n estudios de aguas super#ciales es posi"le caracteriar ! medir las corrientes de aguas lluvias ! de nieve3 caudales de ríos% fugas en em"alses% lagos ! canales ! la dinámica de lagos ! depósitos. 1n estudios de aguas su"terráneas es posi"le medir los caudales de las napas% identi#car el origen de las aguas su"terráneas% su edad% velocidad% dirección% Ku-o% relación con aguas super#ciales% cone&iones entre acuíferos% porosidad ! dispersión de acuíferos. Medicina
a2
acunas)
?e $an ela"orado radiovacunas para com"atir enfermedades parasitarias del ganado ! 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.
(2
Medicina
Nuclear.
?e $a e&tendido con gran rapide el uso de radiaciones ! de radioisótopos en medicina como agentes teraputicos ! de diagnóstico. 1n el diagnóstico se utilian radiofármacos para diversos estudios de0 •
iroides.
•
ígado.
•
,i/ón.
•
Meta"olismo.
•
Circulación sanguínea.
•
Coraón.
•
7ulmón.
•
rato gastrointestinales.
1n terapia mdica con las tcnicas nucleares se puede com"atir ciertos tipos de cáncer. Con frecuencia se utilian tratamientos en "ase a irradiaciones con ra!os gamma provenientes de fuentes de Co"alto4*6% así como tam"in% esferas internas 'B
QUIMICA radiactivas% agu-as e $ilos de Co"alto radiactivo. Com"inando el tratamiento con una adecuada ! prematura detección del cáncer% se o"tienen terapias con e&itosos resultados.
c2
Radioin!unoan+lisis)
?e trata de un mtodo ! procedimiento de gran sensi"ilidad utiliado para realiar mediciones de $ormonas% enimas% virus de la $epatitis% ciertas proteínas del suero% fármacos ! variadas sustancias. 1l procedimiento consiste en tomar muestras de sangre del paciente% donde con posterioridad se a/adirá algún radioisótopo especí#co% el cual permite o"tener mediciones de gran precisión respecto de $ormonas ! otras sustancias de inters.
d2Radio:+r!acos) ?e administra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite estudiar% mediante imágenes "idimensionales =centelleografía> o tridimensionales =tomografía>% el estado de diversos órganos del cuerpo $umano. 2e este modo se puede e&aminar el funcionamiento de la tiroides% el pulmón% el $ígado ! el ri/ón% así como el volumen ! circulación sanguíneos. am"in% se utilian radiofármacos como el Cromo 4 D' para la e&ploración del "ao% el ?elenio 4 ND para el estudio del páncreas ! el Co"alto 4 DN para el diagnóstico de la anemia. Medio Am"iente 1n esta área se utilian tcnicas nucleares para la detección ! análisis de diversos contaminantes del medio am"iente. La tcnica más conocida reci"e el nom"re de Análisis por Activación Feutrónica% "asado en los tra"a-os desarrollados en ')5* por el cientí#co $úngaro P.. eves!% 7remio Fo"el de Química en ')BB. La tcnica consiste en irradiar una muestra% de tal forma% de o"tener a posteriori los espectros gamma que ella emite% para #nalmente procesar la información con a!uda computacional. La información espectral identi#ca los elementos presentes en la muestra ! las concentraciones de los mismos. Una serie de estudios se $an podido aplicar a diversos pro"lemas de contaminación como las causadas por el "ió&ido de aufre% las descargas gaseosas a nivel del suelo% en derrames de petróleo% en desec$os agrícolas% en contaminación de aguas ! en el smog generado por las ciudades.
Industria e In=esti7ación
a2
Tra,adores.
?e ela"oran sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso. Luego se detecta la tra!ectoria de la sustancia gracias a su emisión radiactiva% lo que permite investigar diversas varia"les propias del proceso. 1ntre otras varia"les% se 'D
QUIMICA puede determinar caudales de Kuidos% #ltraciones% velocidades en tu"erías% dinámica del transporte de materiales% cam"ios de fase de líquido a gas% velocidad de desgaste de materiales% etc...
(2
Instru!entación)
?on instrumentos radio isotópicos que permiten realiar mediciones sin contacto físico directo. ?e utilian indicadores de nivel% de espesor o "ien de densidad.
c2
I!+7enes)
1s posi"le o"tener imágenes de pieas con su estructura interna utiliando radiografías en "ase a ra!os gamma o "ien con un Ku-o de neutrones. 1stas imágenes reci"en el nom"re de ammagrafía ! Feutrografía respectivamente% ! son de gran utilidad en la industria como mtodo no destructivo de control de calidad. Con estos mtodos se puede compro"ar la calidad en soldaduras estructurales% en pieas metálicas fundidas% en pieas cerámicas% para análisis de $umedad en materiales de construcción% etc...
d2
Datación)
?e emplean tcnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones geológicas ! arqueológicas. Una de las tcnicas utilia el Car"ono4'B% que consiste en determinar la cantidad de dic$o isótopo contenida en un cuerpo orgánico. La radiactividad e&istente% de"ida a la presencia de Car"ono4'B% disminu!e a la mitad cada DN56 a/os% por lo tanto% al medir con precisión su actividad se puede inferir la edad de la muestra.
e2
In=esti7ación)
Utiliando $aces de neutrones generados por reactores% es posi"le llevar a ca"o diversas investigaciones en el campo de las ciencias de los materiales. 7or e-emplo% se puede o"tener información respecto de estructuras cristalinas% defectos en sólidos% estudios de monocristales% distri"uciones ! concentraciones de elementos livianos en función de la profundidad en sólidos% etc.. 1n el ám"ito de la "iología% la introducción de compuestos radiactivos marcados $a permitido o"servar las actividades "iológicas $asta en sus más mínimos detalles% dando un gran impulso a los tra"a-os de carácter gentico.
E?ECTOS
QUIMICA radiaciones ioniantes% de los esfueros del organismo para compensar los efectos de esa a"sorción de energía ! de las lesiones que se pueden producir en el organismo. Las dos grandes raones que $an impulsado la investigación de los efectos "iológicos de las radiaciones ioniantes son0 7rotección ,adiológica0 7oder utiliar esas radiaciones de forma segura en todas las aplicaciones mdicas o industriales que las requieran. ,adioterapia0 Utiliación de las radiaciones ioniantes principalmente en neoplasias% preservando al má&imo los órganos críticos =te-ido $umano sano>.
'.4
Introducción 9istórica
1n '.()* enri +ecquerel descu"rió las propiedades per-udiciales de la radiactividad% tomando en cuenta las quemaduras que le produ-o un frasco que contenía ,a::*. 1se mismo a/o Clarence Madison 2all!% se sometió a radiaciones que aca"aron con su vida% era a!udante de $omas Alva 1dison% inventor del Kuoroscopio.
2urante la e&posición industrial realiada en '.()* en Fueva @or% Clarence Madison 2all! e&puso% reiteradamente% sus manos al e&perimento presentado por l% consistente en un equipo de ra!os % cu!o o"-etivo era o"servar las som"ras en el esqueleto $umano. 7oco tiempo despus las manos se le ulceraron% sindole posteriormente amputadas. 1l cáncer contraído le fue progresando en su organismo ! en '.)6B aca"ó con su vida. Sue la primer victima descrita por las radiaciones ioniantes. 1n '):N M[ller descu"rió en la 2rosop$ila mutaciones inducidas por las radiaciones . 2os a/os más tarde oldstein asociaría la alteración del desarrollo con la e&posición a ,adiaciones ioniantes. 'N
QUIMICA 2esde entonces se $a realiado numeroso estudios so"re las radiaciones ioniantes ! sus efectos en el material "iológico. 1studios epidemiológicos% como los resultados de las "om"as de iros$ima ! Fagasai% de ni/os irradiados intraútero% de adultos irradiados para el tratamiento de espondilitis anquilosante o "ien para el carcinoma de tiroides% estudios en animales de diferentes especies ! estudios in vitro% principalmente con 2FA ! linfocitos $umanos% pudiendo $a"er demostrado el efecto mutagnico de las radiaciones ioniantes que al parecer es ma!or in vitro que in vivo.
1fectos de la radiación so"re la po"lación de Fagasai
,ut$erford descu"rió que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes0 partículas alfa% que sólo penetran unas milsimas de centímetro% ! partículas "eta% que son casi '66 veces más penetrantes. 1n e&perimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos elctricos ! magnticos% ! de esta forma se descu"rió que $a"ía un tercer componente% los ra!os gamma% que resultaron ser muc$o más penetrantes que las partículas "eta.
:.4
Acción directa de la radiación so(re la !ateria =i=a
La lesión so"re la clula se realia en el mismo sitio en que se a"sor"e la energía radiante ! su e&plicación supone la aceptación de las llamadas teorías del impacto ! del "lanco. La teoría de acción directa supone que entre el sitio de la a"sorción ! el lugar de la Lesión celular $a! una distancia espacial =$asta '66 > ! un tiempo de $asta '64D seg. 2urante el cual los llamados radicales li"res interaccionan químicamente con las molculas de trascendencia "iológica de la clula. Los radicales li"res nacen de la interacción radiaciones ioniantes4agua celular. 1n un primer momento $a! una ioniación del agua celular% que más tarde dará lugar a la formación de los citados radicales li"res entre los que ca"e citar como más importantes los siguientes % %
'(
QUIMICA ::% :. 1stos radicales li"res se caracterian por su gran agresividad química ! se acepta que $asta el *D de la lesión celular causada por las radiaciones ioniantes se de"e a los mismos.
I!"acto . ?e entiende como la ioniación producida por los electrones que nacen en la interacción de la radiación electromagntica o "ien de las partículas que directamente ionian .
?e "asan en las siguientes consideraciones0 •
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•
•
La energía radiante es discontinua% es decir% de naturalea quántica3 esos cuantos portadores de energía son los fotones. La energía discontinua va a incidir so"re un medio tam"in discontinuo como es el celular ! sus componentes =núcleo% nuclolo% etc.> 2e la interacción entre am"as discontinuidades se o"serva que las le!es que las rigen no son las de causa8efecto sino la del puro aar ! pro"a"ilidad. a! que recurrir% por tanto a la le! de pro"a"ilidades.
')
QUIMICA •
•
Como la radiación actúa por impactos las consecuencias serán distintas según que parte de los elementos celulares sean afectados. Fo todos los elementos constitu!entes de la clula% tienen% "iológicamente% la misma trascendencia% para la vida de la clula%3 así pues% según donde se d el impacto será afectada la vida celular en ma!or o menor medida.
Caractersticas de los e:ectos (ioló7icos de las radiaciones ioni,antes 5.4
'. Aleatoriedad0 La interacción de la radiación con las clulas es una función de pro"a"ilidad ! tiene lugar al aar. Un fotón o partícula puede alcanar a una clula o a otra% da/arla o no da/arla ! si la da/a puede ser en el núcleo o en el citoplasma. :. ,ápido depósito de energía0 1l depósito de energía a la clula ocurre en un tiempo mu! corto% en fracciones de millonsimas de segundo. 5. Fo selectividad0 La radiación no muestra predilección por ninguna parte o "iomolcula% es decir% la interacción no es selectiva. B. Inespeci#cidad lesiva0 Las lesiones de las radiaciones ioniantes es siempre inespecí#ca o lo que es lo mismo esa lesión puede ser producida por otras causas físicas. D. Latencia0 Las alteraciones "iológicas en una clula que resultan por la radiación no son inmediatas% tardan tiempo en $acerse visi"les a esto se le llama Jtiempo de latenciaJ ! puede ser desde unos pocos minutos o muc$os a/os% dependiendo de la dosis ! tiempo de e&posición.
B.4
Ti"os de e:ectos de la radiación so(re los seres =i=os
Los efectos de las radiaciones ioniantes so"re los seres vivos se pueden clasi#car desde distintos puntos de vista0
Se7n el tie!"o de a"arición •
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7recoces0 Aparecen en minutos u $oras despus de $a"erse e&puesto a la radiación% por e-emplo eritema cutáneo% náuseas. ardíos0 Aparecen meses u a/os despus de la e&posición% por e-emplo cáncer radioinducido% radiodermitis crónica% mutaciones genticas. :6
QUIMICA Desde el "unto de =ista (ioló7ico •
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1fectos somáticos0 ?ólo se mani#estan en el individuo que $a sido sometido a la e&posición de radiaciones ioniantes por e-emplo el eritema. 1fecto $ereditario0 Fo se mani#estan en el individuo que $a sido e&puesto a la radiación% sino en su descendencia% !a que lesionan las clulas germinales del individuo e&puesto% por e-emplo las mutaciones genticas.
Se7n la de"endencia de la dosis •
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1fecto estocástico0 ?on efectos a"solutamente aleatorios% pro"a"ilísticos3 pudiendo aparecer tras la e&posición a peque/as dosis de radiación ioniante. Fo necesitan una dosis um"ral determinada para producirse3 si "ien al aumentar la dosis aumenta la pro"a"ilidad de aparición de estos efectos% que suelen ser de tipo tardío. ?e cree que el único efecto estocástico es el cáncer radio inducido ! las mutaciones genticas. 1fecto no estocástico0 ?e necesita una dosis um"ral para producirlos% por de"a-o de la cual% la pro"a"ilidad de aparición de los mismos es mu! "a-a. ?uelen ser efectos precoces% por e-emplo el eritema cutáneo.
D.4 Las nor!as internacionales de "rotección radioló7ica La toma de conciencia del peligro potencial que tiene la e&posición e&cesiva a las radiaciones ioniantes llevó a las autoridades a #-ar las normas reglamentarias para los límites de dosis. 1stos límites corresponden a un riesgo suplementario acepta"le respecto al riesgo natural.
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2esde '):(% la Comisión Internacional de 7rotección ,adiológica =CI7, o IC,7 en ingls> reúne mdicos% físicos ! "iólogos de todos los países. 1sta autoridad cientí#ca independiente emite recomendaciones en materia de protección radiológica% :'
QUIMICA aplica"les a las reglamentaciones de cada 1stado cuando se considera necesario por los mismos. •
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La UF?C1A, =United Fations ?cienti#c Committee on t$e 1\ects of Atomic ,adiation> reúne a cientí#cos repesentantes de :' naciones. ?e creó en ')DD en el seno de la FU para reunir el má&imo de datos so"re los niveles de e&posición de"idos a las diversas fuentes de radiaciones ioniantes ! sus consecuencias "iológicas% sanitarias ! medioam"ientales. Constitu!e un "alance regular de estos datos% pero igualmente una evaluación de los efectos estudiando los resultados e&perimentales% la estimación de las dosis ! los datos $umanos.
1l I1A edita periódicamente normas de seguridad ! protección radiológica aplica"le a las industrias ! prácticas que utilian radiaciones% utiliando las últimas recomendaciones de los organismos cientí#cos =como la CI7, o la UF?C1A,>. 1sas normas no son de o"ligado cumplimiento para los países miem"ro del organismo a no ser que soliciten la asistencia del propio organismo. ?in em"argo% en gran medida se utilian como "ase para ela"orar la legislación de la ma!or parte de los estados. A nivel europeo% la Unión 1uropea utilia estas recomendaciones en sus propias normas o directivas.
Las normas legales de protección radiológica a día de $o! utilian0 '. Un límite de dosis efectiva de ' m?v8a/o para la po"lación general ! de '66 m?v de promedio en D a/os para las personas dedicadas a tra"a-os que implican una e&posición radiactiva =industria nuclear% radiología mdica>% con un má&imo de D6 m?v en un único a/o3 :. Un límite de dosis equivalente =órgano> de 'D6 m?v para el cristalino =o-o> ! D66 m?v para la piel ! las manos.
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