Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos




descargar 102.25 Kb.
títuloHasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos
página3/4
fecha de publicación29.01.2016
tamaño102.25 Kb.
tipoDocumentos
med.se-todo.com > Química > Documentos
1   2   3   4

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 (años)

Tipo de desintegración

Radioisótopos naturales

23892U

4,5.109

Alfa




23592U

7,1.108

Alfa




23290Th

1,4.1010

Alfa




4019K

1,3.109

Beta




146C

5730

Beta

Radioisótopos sintéticos

23994Pu

24000

Alfa




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.
1   2   3   4

similar:

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconResumen los rayos cósmicos son partículas atómicas originadas en...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconResumen los rayos cósmicos son partículas atómicas originadas en...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconEn el tema anterior, hemos estudiado el sistema hormonal y el sistema...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconHasta ahora se ha pensado en las piedras como minerales inertes y...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconEn la siguiente actividad encontrarán en la primera parte un repaso...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconEl liderazgo 11. Las misiones. Lo único que añaden es confusión
«Todo lo que hemos aprendido en la era industrial se ha orientado a crear más y más complicaciones. Pienso que ahora, cada vez más...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconPararrayos de Dios, crónicas de poetas
«El cohetero», «Los arrieros», «Nocturno lluvioso», que eran estampas de la sierra y sus personajes; pero el que más me impactó fue...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconLos ojos del mundo miran ahora al espacio. Nos proponemos viajar...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos icon¿realidad?, Es posible que nuestro cuerpo sea capaz de ser una fuente...

Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos iconAnalizaremos ahora las palabras desde la perspectiva léxico-morfológica


Medicina



Todos los derechos reservados. Copyright © 2015
contactos
med.se-todo.com