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Agencia CyTA-Instituto Leloir. Por María Cristina Chaler

Ciencia Fácil

Serie de artículos de divulgación sobre temas básicos de la ciencia
22. Radioactividad: la materia se transforma

Y aquello que se creía indivisible….se divide

Y la verdad que hoy es tan contundente, mañana dejará de serlo…

El ser humano necesita conocer y aferrarse a esas “verdades” para poder avanzar y sostenerse, también necesita ser lo suficientemente flexible para aceptar los cambios a medida que estos ocurren y seguir su camino con nuevas “verdades”.

Ya conocemos por notas anteriores que el átomo está formado por un núcleo donde se encuentran los protones (cargas positivas) y neutrones (elementos neutros), y una zona muy extensa fuera del núcleo donde están los electrones (cargas negativas). Tanta cantidad de electrones como de protones tiene el núcleo de modo que la materia se mantiene neutra.

A pesar de que primitivamente se definía al átomo como la unidad más pequeña e indivisible de la materia, el avance de la ciencia ha demostrado que ese núcleo es portador de una cantidad de partículas más pequeñas (subatómicas) y de una gran fuente de energía.

La materia se transforma

En la naturaleza existen átomos que son inestables debido a la relación neutrón/protón de su núcleo. Esto hace que tengan tendencia a descomponerse espontáneamente, perdiendo partículas nucleares (subatómicas) a gran velocidad, de modo que se van transformando con el transcurrir del tiempo en otros átomos distintos.

No nos olvidemos que el átomo se clasifica según el número de partículas nucleares, y sus propiedades químicas dependen de la cantidad de protones que posea, de modo que cuando un núcleo cambia su estructura, el átomo deja de ser el mismo y la materia se transforma en otra. Todo esto se produce liberando enormes cantidades de energía, en un proceso que se denomina radioactividad natural o desintegración radioactiva.

Mediciones y vocabulario técnico

T ½ =Tiempo de vida media o Período de semi desintegración = tiempo en que una determinada masa de sustancia se reduce a la mitad transformándose en otra.

Algunos ejemplos de tiempos de vida media de sustancias conocidas:

Los números de adelante del símbolo del elemento corresponden al numero atómico (Z) y al numero masivo (Ar), respectivamente.

Z (número atómico) = número de protones que posee el núcleo

Ar (masa atómica relativa) = masa del núcleo = protones + neutrones que posee el núcleo atómico.

7_13 N (nitrógeno radiactivo) tiene t1/2 = 10,1 minutos

92_235 U (uranio) t1/2=691 millones de años. (Se usa como combustible atómico)

6_14 C (carbono) t/2=5730 años (Se usa para conocer la antigüedad de sustancias orgánicas fósiles)

38 _90 Sr (estroncio) t1/2=28 años

27_60 Co (cobalto) t1/2=60años

53_131 I (yodo) t1/2=8,04 días (se usa en medicina)

Unidades y equivalencias

1 Coulom/Kg= 3876 Röntgen (carga eléctrica generada por Kilogramo de materia irradiada)

El efecto biológico que causa la radioactividad en los tejidos se mide en rem o en Sievert

1 rem= 1000 milirem

Algo de Historia

1789- KLaproth descubre el Uranio.

1842- Pellgot aisla el Uranio (su nombre se lo debe al planeta Urano).

1896- Enrique Bequerel estudia la fluorescencia y comprueba que el Uranio tiene la propiedad de velar placas fotográficas.

1898- Madame Curie aisla sustancias radioactivas que llama Polonio y Radio.

1899- RuTherford identifica a los rayos a (alfa), partículas formadas por dos protones y dos neutrones (Z=2) (Ar = 4). Son núcleos de Helio altamente energéticos y pesados. También trabaja con los rayos ß (beta) que son partículas con carga eléctrica negativa y la masa del electrón, pero se desprenden del núcleo atómico.

1900-Villard descubre los rayos ? (gamma o fotones), radiaciones sin carga eléctrica ni masa, de características electromagnéticas, pero altamente energéticas.

El estudio de la radioactividad natural permitió a la ciencia el descubrimiento de diferentes partículas integrantes del núcleo atómico y la visión de la materia se amplió. Hoy, el modelo atómico es mucho más complejo. Hablar de protones neutrones y electrones sólo es la simplificación de una enorme complejidad.

Núcleos Inestables

La magia de la naturaleza restablece la estabilidad.

• Cuando la relación neutrón/protón es excesivamente alta, es decir, hay muchos más neutrones que protones.

Esto la naturaleza lo soluciona fácilmente, el átomo emite neutrones (resulta más difícil y se observa en menor grado pues se produce muy rápidamente) o bien emite partículas beta (e-) (ß).

En símbolos

Emisión neutrónica

2-5 He (helio) -------- 2_4 He + 0_1 n (neutrón) t1/2= fracciones de seg. (Muy difícil de medir).

Obsérvese que se perdió un neutrón, por lo que disminuye Ar mientras Z permanece invariante.

Emisión beta

6_14 C (carbono) -------- 7_14 N (nitrógeno) + e-(rayo beta) t1/2=5580 años

Aquí el carbono se transformó en nitrógeno por la emisión de una carga negativa nuclear. (Método para medir la antigüedad de los fósiles)

11_24 Na (sodio) -------- 12_24 Mg (magnesio) +e- t1/2 =15 horas

He aquí al sodio transformándose en magnesio. Obsérvese que Z aumenta por la perdida de una carga negativa nuclear y de 11 pasa a 12, mientras que la masa total del núcleo no se modifica, porque si bien aumenta un protón, desaparece un neutrón para ello.

• Cuando la relación neutrón/protón es muy baja, es decir, hay muchos protones, también inestabiliza al núcleo.

En este caso la solución para restablecer el equilibrio se produce con lo que se denomina captura K, la absorción por parte del núcleo de un electrón orbital cercano, De este modo, se disminuye la carga nuclear y aumenta la relación neutrón/protón, ya que desaparecen protones del núcleo transformándose en neutrones.

En símbolos

18-37 Ar (argón) --------- 17-37 Cl (cloro) captura K t1/2 = 35 días

Se transformó el Argón en Cloro, ya que disminuyó Z por la captura K. Obsérvese la disminución de una carga positiva del núcleo (de 18 a 17) por la captura de un electrón externo.

El electrón capturado es un electrón que se encuentra orbitando cerca del núcleo y, al ser captado, deja un hueco que será ocupado por un electrón de orbitas exteriores. Al hacerlo emite una cierta cantidad de energía en forma de rayos X.

Otra forma de solucionar el problema de la relación inestable sería emitiendo una partícula con carga positiva y masa semejante al electrón (positrón) (e+); esto disminuye la cantidad de protones nucleares y aumenta la cantidad de neutrones.

En símbolos

15-30 P (fósforo) -------- 14-30 Si (silicio) +e+ (positrón) t1/2= 2,5 minutos

Aquí observamos al fósforo (Z = 15) transformándose en silicio (Z = 14) por la pérdida de una carga positiva nuclear (e+).

• Cuando el núcleo esta excesivamente cargado de protones y es sumamente grande

Esto la naturaleza lo soluciona emitiendo partículas alfa (a) (núcleos de Helio) 2-4 He hasta que se estabilice la materia.

En símbolos

84-212 Po (polonio) --------82-208 Pb (plomo) +a t1/2 = 0.3 millonésimas de segundo

Aquí vemos como el Polonio se transforma en Plomo rápidamente. Observamos que se perdieron dos cargas positivas del núcleo (de 84 a 82) y ademas se perdieron 4 unidades de masa (de 212 a 208) (dos protones y dos neutrones = a ).

El hombre transformando a la naturaleza

El hombre es un ser curioso e inquieto, y el científico lo es aún más. Con el tiempo se les ocurrió a los científicos provocar radioactividad artificial. Para ello se bombardea a los átomos con partículas que tengan suficiente energía, provocando un cambio, que forma nuevos núcleos. Si estos resultan inestables, se desintegran para estabilizarse.

Ejemplo

Si al carbono (C) lo bombardeamos con hidrógeno (H) lo podemos transformar en nitrógeno (N).

Esto lo simbolizamos así:

6_12C (carbono) + 1_1 H+ (hidrógeno) --------- 7_13 N (nitrógeno)

Observemos que el protón acelerado se integró al núcleo de carbono transformándolo en nitrógeno (de Z = 6 a Z = 7).

Ese nitrógeno formado resulta inestable, debido a que en su núcleo posee pocos neutrones. Por lo tanto, se reajusta liberando una partícula con la masa del electrón (prácticamente despreciable) y con carga positiva, llamado positrón.

7_13 N (nitrógeno) ---------- 6_13 (carbono) + e + (positrón)

De este modo se transforma nuevamente la materia.

En 1934 el físico italiano Enrico Fermi bombardeó átomos de Uranio con neutrones obteniendo otro resultado asombroso, que podemos sintetizar en la siguiente ecuación:

92-239U (uranio) + n (neutrón) -------- 93-239Np (neptunio) + e – emisión beta

T1/2 = 23,5 minutos

El neptunio es inestable y se transforma en plutonio de la siguiente manera:

93-239 Np (neptunio) -------- 94-239Pu (plutonio) +e- t1/2 =2,3 días

El Plutonio es una fuente importante de energía nuclear.

Este sorprendente resultado incentivó a los físico-químicos de la época a experimentar para obtener otros elementos transuránicos. Fue así como el profesor Seaborg y su equipo lograron en Berkely, California, obtener una serie de elementos de número atómico mayor que el Uranio, como el Plutonio (Z = 94), el Americio (Z = 95), el Curio (Z = 96), el Berkelio (Z = 97) y el Californio (Z = 98).

La gran cadena

Cuando el átomo se rompe la energía resulta enorme. Llamamos fisión nuclear al proceso por el cual al bombardear núcleos atómicos con partículas estos se rompen en otros dos núcleos de menor masa.

Esquemáticamente lo podríamos representar de la siguiente manera:

Atomo1+ partícula------------ atomo2+ átomo 3 + partículas +energía

La suma de las masas resultantes siempre es menor a la masa original, ya que una porción de la misma se transforma en energía. La expresión de esa energía esta dada por E = m. c2, que es la famosa ecuación de Einstein.

En 1939 los físicos austriacos Lise Meitner y Otto Frisco bombardearon al Uranio con neutrones y lograron “romperlo” en dos átomos diferentes (fisión).

La reacción la podríamos resumir:

92-235U (uranio)+ 0-1n (neutrón) ------- 56-141 Ba (bario) + 36-92 Kr (kriptón) + 3 (0-1n) (neutrones)+ energía.

El Uranio (Z = 92) se rompe en dos átomos de Bario (Z = 56) y Kriptón (Z = 36) y se desprenden a raíz de la colisión tres neutrones. Obsérvese que 56+36 = 92, es decir hubo un corte nuclear. Y en esa colisión se perdieron 2 neutrones, que se sumaron al neutrón que sirvió de proyectil.

Esta fisión va acompañada con una disminución de masa que se transforma en energía.

Como el número de proyectiles aumentó, ahora tenemos 3 (tres) en lugar de 1(uno), de modo que esos neutrones podrían a su vez chocar contra otros núcleos de Uranio, multiplicándose así las rupturas en forma exponencial y lográndose lo que se denomina reacción en cadena. Para que esto se produzca es necesaria una mínima masa de Uranio, que se llama “tamaño crítico” (lo que llego a ser un secreto militar).

Este mínimo se necesita para que los neutrones no escapen al exterior antes de golpear a los núcleos de los atomos vecinos. Si el trozo de masa fuera demasiado pequeño, muchos neutrones escaparían al exterior y la reacción en cadena no se produciría. Cuando la masa supera el tamaño crítico, la reacción se produce con una enorme liberación de energía, lo que constituye el principio de la bomba atómica.

Para tener una idea de la magnitud de este proceso, consideren que el calor obtenido por la fisión de 500 g de Uranio es el que se obtendría al quemar 1500 toneladas de carbón.

Con tesón e inteligencia el hombre fue descubriendo los mecanismos que posee la naturaleza; con ingenio e inventiva los recreó, y generó tecnologías con el objetivo de llevar confort y comodidad a la humanidad. Pero es importante que la ética regule nuestra ambición, de modo que el avance tecnológico respete el sutil equilibrio que el Universo permanentemente está restableciendo. Es necesario encontrar el punto justo, respetando al planeta y al medio ambiente.

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