Fisión Nuclear

El bombardeo de U-235 con neutrones lentos produce elementos de masa menor, liberando varios neutrones y energía, a este fenomeno se le llama fisión.

n (A=1,Z=0) + U (A=235, Z=92) -------> Ba (A=141, Z=56) + Kr (A=92, Z=36) + 3n (A=1, Z=0) + Energia

Este proceso libera 218 Mev (Mega electronvolt) por fisión.

Los neutrones liberados a su vez se transforman en proyectiles que pueden inducir nuevas fisiones en otros nucleos de U-235 a través de una reacción en cadena.

Esta reacción en cadena es multiplicativa de no mediar un sistema de moderación. Puede liberar tanta energía que termina con una explosión.

Para que ocurra una reacción en cadena, se necesita una minimo de masa fisionable, llamado masa crítica.

Efectos de la radiación en los seres vivos

Todos estamos permanentemente sometidos a emisiones radiactivas de las fuentes naturales y artificiales. Las fuentes naturales son la luz visible, infraroja, UV, ondas de radio, microondas, emisiones radiactivas. Además permanentemente recibimos radiaciones desde el suelo y radiacion cosmica desde la atmosfera; tambien desde las aguas.

El cuerpo humano tambien se deteriora con el exceso de radiación. Los daños pueden ser somaticos si altera el funcionamiento celular de un tejido y puede ocacionar una enfermedad o la muerte. El daño genetico ocurrirá si se altera la secuencia de bases del ADN, produce malformación a nivel del tejido y puede transmitirse a futuras generaciones.

Los efectos biológicos dependen de varios factores:

1. Poder penetrante de la radiación: Según sea Alfa, Beta y Gamma.

2. Energía y nivel de exposición a la radiación: Mientras mayor sea el tiempo de exposición y más energetico el tipo de radiación, mayores serán los efectos en los diferentes tipos de tejidos.

3. Propiedades quimicas de la fuente radiactiva: La acción depende del tiempo de permanencia en el organismo, Kr-85 es inerte y circula rapido por el organismo; en cambio Sr-90 sustituye al Calcio y se incorpora a los huesos causando mayor daño.

4. Poder ionizante de la radiación: La radiación puede inducir la excitacion electronica, ionización de átomos y moléculas, o fraccionamiento de moléculas, produciendo iones o radicales. La radiación gamma es muy penetrante pero poco ionizadora y los rayos alfa son poco penetrantes pero muy ionizantes.

Tomografía de emisión de Positrones (TEP)

Al paciente se le inyectan compuestos que contienen trazas de radiotrazadores que emiten positrones. Se utiliza el C-11 (t1/2=20,4min), F-18 (t1/2=110 min), O-15 (t1/2=2min). Los estudios más interesantes estan relacionados con la actividad cerebral, sus cambios metabolicos, el cancer, epilepsia, parkinson y esquizofrenia.

Aplicaciones de radioisotopos

1. Irradiación de alimentos: La irradiación gamma proviene de fuentes de Co-60 o Cs-137. es un medio que reduce la descomposición de los alimentos, sin que se torne radiactivo. La pasteurización con gamma retarda el crecimiento de bacterias, mohos y levaduras.

2. Agregando una pequeña cantidad de material radiactivo se puede detectar el curso de aguas en tuberías subterraneas y de posibles pérdidas por filtración, haciendo uso de un contados Geiger.

3. Rutas de reacción: El mecanismo de una reacción quimica en una celula se puede dilucidar usando un trazador quimico marcando un reactante con un radioisotopo, cuya presencia puede ser detectada en el transcurso de la reacción. Ej. dilucidación de la respiración celular y la fotosíntesis.

4. Activación neutrónica: Consiste en la conversión de un isótopo estable en una especie radiactiva mediante bombardeo de neutrones. Ej:
As (A=75, Z=33) + n (A=1, Z=0) ------> As (A=76, Z=33)
El As-76 es metaestable y decae por emisión gamma. Este método se ha usado para la detección de Arsenico en pelo humano y en determinar la autenticidad de obras pictoricas de gran valor.

5. En medicina permite la visualización por contraste de organos, tumores, funciones anormales, pasos metabolicos y terapica onmcológica.
La radioterapia Interna consiste en introducir al cuerpo del paciente la fuente emisora de radiación por via oral o via sanguínea.
Ejemplo Yodo 131 en la molecula Ioduro de Sodio, al ser ingerida se almacena en la Tiroides y su emisión beta destruye las celulas en el caso de hipertiroidismo.
La radioterapia Externa consiste en aplicar la fuente desde fuera del paciente a una distancia entre 80 cm. El trtamiento más común es la Bomba de Cobalto, de Co-60 con una vida media de 5,27 años, el que emite radiación beta:
C0 (A=60, Z=27) -------> Ni (A=60, Z=28) + Beta (A=0, Z=-1)

Ciclotrón

A comienzos de 1930 se creó el primer acelerador de particulas, un ciclotrón, inventado por E. Lawrence, que utiliza campos eléctricos y magnéticos para aumentar la velocidad de las partículas proyectiles. Con estos aparatos se probaron distintos bombardeos (con particulas alfa, neutrones, protones y deuterones) para producir la rotura de otros átomos y particularmente de sus núcleos. Con estas técnicas se han obtenido la mayoría de los elementos transuránicos (elementos mayores al Uranio de Z=92).

Transmutación Nuclear

La transmutación nuclear consiste en la conversión de nucleos estables en otros núcleos si son bombardeados por particulas veloces. El primer experimento de este tipo fue realizado en 1919 por Ernest Rutherford, cuando utilizó layos Alfa (emitido por mineral de Radio), como proyectil contra el Nitrógeno atmosférico, produciendo O-17 e Hidrógeno.
He(A=4, Z=2) + N (A=14, Z=7) ---------> O (A=17, Z=8) + H (A=1, Z=1)

En 1932, James Chadwick al bombardear Be-9 con particulas Alfa, obtuvo C-12 y una partícula que hoy conocemos como neutrón:
He (A=4, Z=2) + Be (A=9, Z=4) ---------> C (A=12, Z=6) + n (A=1, Z=0)

Datación por Carbono-14

El C-14 se origina en la radiacion cosmica (protones, neutrones, iones) que alcanzan la Tierra. Los neutrones de alta energía provenientes de la radiación cósmica, impactan el nitrogeno atmosferico produciendo la siguiente reacción:

N(A=14, Z=7) + n (A=1, Z=0) ----------> C (A=14, Z=6) + H (A=1, Z=1)

El C-14 es oxidado por procesos naturales hasta CO2 luego es absorbido por plantas y animales. En los seres vivos, se establece un equilibrio entre la ingestión y decaimiento de C-14, que alcanza 15,3 desintegraciones por minuto y por gramo de carbono. El decaimiento se explica mediante la reacción que devuelve el N a partir del cual se formó el C-14, liberando particulas Beta:

C (A=14, Z=6) -------> N(A=14, Z=7) + Beta (A=0, Z=-1)

Cuando un ser vivo muere, la actividad decae con una vida media de 5.730 años, se rompe el equilibrio y poco a poco empieza la disminución de C-14.

Según la proporción de C-14 en un tiempo dado, respecto al tiempo inicial se puede calcular la antiguedad de un organismo muerto, por ejemplo un fósil.

Detección de radiactividad

1. Contador Geiger: Este dispositivo llamado contador Geiger para detectar radiactividad, cuenta con un cilindro que contiene Argón. Cuando en el cilindro penetran rayos alfa, beta o gamma, el Argón es ionizado formando iones Ar+. Los electrones liberados en la ionización son capturados por un ánodo (+), manifestandose como una pequeña señal eléctrica, la que es amplificada y contabilizada.

2. Contador de Centelleo: Adecuado para emisiones muy debiles, pero que si excitan atomos de fósforo (material fosforescente). Cuando los átomos regresan al estado fundamental, emiten destellos de luz, que son amplificadas electronicamente mediante un fotomultiplicador.

Vida media de algunos isótopos radiactivos

Cada radioisótopo tiene un tiempo de vida media característico. Los núcleos más inestables tienen t1/2 muy inferiores a 1 s y los más estables alcanzan vidas medias de varios millones de años. Observe en la tabla que mientras más pequeña es la constante lambda (L) mayor es la vida media del isótopo.

Cinética de decaímiento radiactivo

Los núcleos estables perduran a través del tiempo. Sin embargo, una muestra que contiene núcleos altamente inestables experimenta constantemente el fenómeno radiactivo. Si los núcleos son levemente inestables el decaimiento toma un tiempo prolongado. Por ejemplo: Una muestra que tiene 1 millón de átomos de Yodo-131 decae en un 10% en un día y 5 horas. Una muestra de 1 millón se átomos de Ra-226 decae un 10% en 246 años.

Los decaimientos radiactivos siguen sólo la cinética de primer orden, donde la velocidad se puede expresar como: v = LxN; donde L (lambda) es la constante del decaimiento radiactivo, N es el número de núcleos radiactivos en un tiempo t.

Además se dan las siguientes relaciones:

N=N0 e (-Lt) (ecuación 1)

T1/2 = 0,693/L (ecuación 2)

No es la cantidad de núcleos iniciales en el tiempo t=0 y t1/2 es el tiempo de vida media.

La ecuación 1 permite conocer la cantidad de muestra radiactiva que aún permanece inalterada después de transcurrido un tiempo t, siempre que se conozca la constante L, que es específica para cada tipo de núcleo radiactivo.

La ecuación 2 indica el tiempo de vida media, es decir, el tiempo que toma una muestra radiactiva inicial en reducirse a la mitad. La ecuación permite determinar el tiempo de vida media independiente de la cantidad inicial de la muestra radiactiva, sea esta en cantidad de partículas o de masa.

En todos los casos hay una disminución exponencial de la cantidad de material inicial con el tiempo (Grafico arriba). El proceso radiactivo se ajusta a una ley estadística que no es aplicable al comportamiento de los átomos individuales, sino a una cantidad considerable de átomos radiactivos.