EMISIONES RADIACTIVAS

QUÍMICA COMÚN
QC-03
EMISIONES RADIACTIVAS
2012
CONCEPTOS PRELIMINARES
NÚMERO ATÓMICO (Z)
Corresponde a la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo, este número identifica
e individualiza a un elemento. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número
de electrones.
Notación representada:
zX:
13Al
;
8O
;
92U
NÚMERO DE MASA O NÚMERO MÁSICO (A)
Se define número másico como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo
(nucleones).
A = Z + n
ISÓTOPOS
Átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones. No obstante lo anterior, el
comportamiento químico para los isótopos es el mismo.
Ejemplos: 168 O
;
17
8O
18
8O
;
isótopos del oxígeno
En la tabla periódica vemos un valor promedio (peso atómico), para cada elemento y debe
entenderse como tal, es decir, un valor medio de la abundancia isotópica para cada uno de ellos
en la naturaleza.
ISOBAROS
Átomos de elementos diferentes con el mismo número de partículas en el núcleo atómico (A).
y 14
N
7
14
6C
Ejemplos:
ISOTONOS
Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.
3
H
1
Ejemplos:
y
4
He
2
IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS
Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones.
Ejemplos:
24
12
Mg+2 y
2
16
8
O-2
LOS RAYOS X
En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubre los rayos X. Estudiando las emisiones de luz de un
tubo de descarga eléctrica observó que una pantalla cubierta con una sal fluorescente destellaba
cada vez que conectaba el tubo de descarga.
Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo de
vidrio, sin embargo y por alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes e
impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de penetración era sorprendente. Puso
ciertos obstáculos entre la pantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin embargo,
persistía la luminosidad. Supuso que era radiación de alta energía pero de naturaleza
desconocida. Por esta razón le denominó radiaciones X. Más tarde en 1912 Max Von Laue
determina la naturaleza electromagnética de los rayos X.
Los rayos X se producen cuando en el interior de un tubo de descarga, electrones de alta energía
(rayos catódicos) impactan a un blanco metálico (radiación de frenado).
ALGUNAS PROPIEDADES
3
EL FENÓMENO DE LA RADIACTIVIDAD
La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine
Henry Becquerel. Se trata de una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de
mayor utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó
fosforescencia sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz. Comprobó que el
mineral emitía radiación capaz de velar una placa fotográfica.
Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fue
imposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayos
X, pues se emitían de manera espontánea del material de uranio.
Marie Curie y su esposó Pierre Curie, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron que
otros minerales poseían la misma propiedad que la pechblenda, entre ellas el Torio, determinaron,
además, que el fenómeno es exclusivo del núcleo de los átomos.
En 1898 descubrieron dos nuevas sustancias radiactivas, mucho más activas que el Uranio, el
Radio y el Polonio.
La propia Marie Curie (discípula de Becquerel), fue quien propuso el término radiactividad para
estas radiaciones espontáneas de partículas y energía.
En 1902 Ernest Rutherford demuestra que la radiactividad genera transformaciones espontáneas y
de este modo un elemento puede transformarse en otro.
En 1903 Los esposos Curie y Antoine Becquerel reciben el Nobel de Física por el descubrimiento
de la radiactividad natural. Finalmente en 1911 Marie Curie aísla el radio y obtiene su masa
atómica, el descubrimiento le significa un segundo premio Nobel.
4
PROCESOS DE DESINTEGRACIÓN
Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, puede emitir radiaciones en forma
espontánea. Sin embargo, hay átomos que, siendo estables, pueden ser inducidos a emitir
energía del núcleo. En ambos, el fenómeno ocurre con liberación de energía y los núcleos hijos
generados son siempre más estables que el predecesor. En el primer caso se les llama
radiactividad natural y en el segundo, radiactividad artificial.
La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:
196
84
27
13
4
Po  192
82Pb + 2He
EMISIÓN ESPONTÁNEA  radiactividad natural.
1
Al + 42He  30
15P + 0n EMISIÓN ARTIFICIAL  radiactividad artificial.
Existen 3 tipos comunes de desintegraciones radiactivas naturales:



Emisión de partículas alfa (  )
Emisión de partículas beta (  )
Emisión de rayos gamma (  )
EMISIÓN ALFA ( 42He+2 ):
Corresponde a partículas con carga positiva +2 y 4 unidades de masa atómica. Son núcleos de
Helio con poco poder de penetración y gran capacidad ionizante
238
92
U
234
90
Th +
4
2
He
EMISIÓN BETA ( -10 e )
Son partículas con carga negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían frente a un
campo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las emisiones
beta provienen del núcleo producto de la desintegración de un neutrón*. El átomo que queda de
la desintegración aumenta en 1 su número atómico, pero mantiene su número de masa (debemos
mencionar que protón y neutrón tienen masas similares, 1 uma).
234
90
Th 
234
91
Pa +
0
-1
e
* Junto con las partículas beta también se emiten otras partículas llamadas antineutrinos ( ),
que carecen de carga y poseen una masa inferior a 4·10-5 de la masa del electrón.
5
EMISIÓN GAMMA (  )
Corresponde a radiación electromagnética de alta energía y que no presenta masa. Se conocen
algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. La emisión gamma tiene lugar cuando
un radioelemento existe en 2 formas distintas (isómeros nucleares), ambas con el mismo
número atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de rayos gamma
acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma estable. Un ejemplo de esta
isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energía diferentes, y en el
que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.
Pa*  234
91Pa+
234
91
En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleo
por lo tanto, no hay transmutación (cambio en la identidad de un átomo).
TRANSMUTACIÓN
La transmutación es un fenómeno donde un átomo se transforma en otro, por cambio en el
número de protones. Esta transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones
 ,  , positrones o captura electrónica. El nuevo elemento puede ser también radiactivo y seguirá
emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces, como sea necesario. Lo anterior se conoce
como series radiactivas naturales. El fenómeno también puede producirse por medios
artificiales (bombardeo de un núcleo estable con neutrones).
ESTABILIDAD NUCLEAR
Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existan
varios átomos del mismo elemento (igual Z) con distinta masa (A) y entre uno y otro, sólo varía la
cantidad de neutrones.
Algunos ejemplos
35
17
Cl y
37
17
79
35
Cl
Br y
81
35 Br
12
6
C
13
6
C
y
14
6
C
Un núclido es una especie con un número definido de protones (Z) y neutrones (n), por lo tanto
cada átomo en si es considerado un núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z son
considerados isótopos. El objetivo de introducir esta nueva clasificación radica en que todos
aquellos núclidos que emiten radiaciones se denominan formalmente radionúclidos.
Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación a
medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la
naturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para las
pruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así,
ejemplo, son núclidos, mientras que
14
6
12
6
Cy
13
6
C, por
C es un radionúclido, más allá de saber que todos ellos son
isótopos entre sí.
6
Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicos
siempre surge la misma pregunta, ¿por qué unos
átomos son estables mientras que otros no?, la
respuesta se encuentra cuando se analiza el núcleo
atómico.
El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen
total del átomo, pero concentra casi toda la masa, así
entonces, la densidad del núcleo es unas 10 12 veces
mayor que la del átomo.
La gran densidad complejiza el estudio de su estabilidad.
Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones se
mantienen unidos (y cómo se mantiene la estabilidad) a
pesar de que el núcleo presenta partículas de gran masa
y carga eléctrica idénticas haciendo evidente la repulsión
entre ellas.
La explicación al fenómeno guarda relación con las
denominadas interacciones de corto alcance que se
establecen entre neutrón-neutrón, neutrón-protón y por
extraño que parezca protón-protón. Estas interacciones
de corto alcance (fuerzas atractivas) permiten mantener unidos a los nucleones (partículas del
núcleo) a pesar de la repulsión eléctrica.
Cuando las fuerzas de atracción superan a las de repulsión el núcleo es estable, mientras que
cuando la repulsión es mayor el núcleo es inestable, se desintegra y emite partículas, en este caso
se habla de un radionúclido o de un radioisótopo.
Como se aprecia en la figura, hasta Z=20 los átomos son estables con igual cantidad de
neutrones y protones, a medida que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar al
núcleo puesto que las repulsiones aumentan.
Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más estables
que otros átomos. Un ejemplo es que existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2
del antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidad
nuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gases
nobles.
7
PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN O TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½)
Si bien todos los núcleos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, la
velocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo más allá de que se emita
el mismo tipo de partículas.
Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constante denominada t½, o tiempo de
vida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elemento radiactivo es descomponer
(desintegrar o transmutar) la mitad de su masa.
t½
100%
t½
t½
t½
50%
25%
12.5%
t½
6.25%
3.125%
El tiempo t½, es absolutamente independiente de la cantidad de masa inicial del elemento, sólo
depende del tipo núcleo que se estudia. Para cada núcleo radiactivo estudiado el valor de t ½ es
distinto.
238
92
214
84
U 
Po 
210
82
234
90
Th +
Pb +
Núcleo
Tritio
Carbono 14
Fósforo 32
Potasio 40
Cobalto 60
4
2
4
2
t ½ = 4.51·109 años
He
t ½ = 1.6·10-4 segundos
He
Emisión
t½
-
12,33 años
β
-
5730 años
β
-
14,26 días
β
-
β
1.280 millones de años
-
γ, β
5,27 años
8
FENÓMENOS RADIACTIVOS ARTIFICIALES
Cuando se compara la estabilidad de los núcleos atómicos con las masas de estos se evidencia
una tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energía que
mantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar un
máximo (estabilidad) y luego desciende a medida que la masa nuclear aumenta.
Por lo tanto, si los núcleos tratan de estabilizarse entre sí, además de emitir partículas (radiación)
pueden combinarse formando núcleos más pesados. Este fenómeno se denomina, fusión, (si es
que los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, si
es que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía es
considerable.
FISIÓN
La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico se
divide en varios núcleos más pequeños y en el proceso libera grandes cantidades de energía.
Muchos núcleos pesados pueden ser inducidos a desarrollar el fenómeno de la fisión pero sólo el
Uranio-235, Uranio-233 y Plutonio-239 tienen una real importancia práctica.
El proceso de fisión del Uranio-235 es el más estudiado pues es el combustible de los reactores
nucleares que producen electricidad. El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse por
diversas vías, entre las que se cuentan:
El bombardeo con neutrones liberando:
1
0
n +
235
92
U 
142
56
Ba +
91
36
Kr + 3 01 n
1
0
n +
235
92
U 
137
52
Te +
97
40
Zr + 2 01 n
y
En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10 -11 J por núcleo, esto es
algo así como 2·1013 Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a la
generada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón.
9
Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, la
característica que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan más
neutrones de los que son capturados al inicio de esta. La cantidad de neutrones producidos hace
posible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Los
neutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, pues
mientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados.
Para que una reacción en cadena ocurra es necesario que exista una cantidad de masa de Uranio235 suficiente para que los neutrones sean capturados de lo contrario estos neutrones escapan de
la muestra, a esta cantidad mínima de de masa se le denomina masa crítica.
REACTORES NUCLEARES
Los reactores nucleares son un ejemplo de la aplicación pacífica de la energía nuclear. Funcionan
ocasionando la fisión y utilizando el calor liberado para hacer hervir agua, el vapor de agua es
utilizado por una turbina para producir electricidad. Si bien el proceso es simple, la dificultad
consiste en mantener controlada la reacción, para ello se utilizan varillas de control (de carbono o
boro), estas varillas atrapan neutrones, con lo cual consiguen disminuir la fisión cuando es
necesario.
La utilización de los reactores puede producir contaminación en varios sentidos, pero los reactores
no corren peligro de explotar, en el peor de los casos se pueden liberar grandes cantidades de
material radiactivo al medio ambiente, y esto sería sólo en un accidente catastrófico.
La contaminación proviene de los desechos nucleares, que son los núcleos hijos del Uranio-235,
además de que se necesitan grandes cantidades de agua para el uso del reactor y esta es
obtenida de lagos, ríos o mares, el agua al ser usada aumenta su temperatura y esto puede
causar cambios en el ecosistema vecino.
10
FUSIÓN
La fusión es el proceso mediante el cual dos núcleos livianos se unen formando un solo núcleo
hijo.
La fusión nuclear al igual que la fisión genera grandes cantidades de energía, pero tiene a su favor
el hecho de que sus productos no son radiactivos
A continuación están las reacciones de fusión que ocurren en el sol y que forman helio a partir de
hidrógeno con liberación de positrones.
1
1
H +
1
1
3
2
H 
H +
He +
3
2
1
1
3
2
He +
2
1
2
1
H +
H 
3
2
0
1
e
He
He 
4
2
He + 2 11 H
H 
4
2
He +
1
1
0
1
e
Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen un
inconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer las
fuerzas de repulsión de estos y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius, sin
embargo esta es la forma en que las estrellas generan su energía.
RADIOPROTECCIÓN
Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio de
blindaje. Así, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndose
completamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa es
completamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta
tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidos por materiales poco densos
como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de alto
número atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma es
radiación de alta energía que se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Los
neutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón.
11
Aplicaciones de las reacciones nucleares

En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producción
midiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes,
detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación de
alimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.

En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónica
para determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial,
geología, ecología, etc.).

En la agricultura: en trazadores para estudiar como absorben los vegetales a los
fertilizantes, insecticidas y otros productos, aumentar la conservación de los alimentos,
obtener por mutaciones cereales más resistentes y productivos, estudiar mejor la
alimentación de los animales, aumentando la producción de leche, huevos, etc.

En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte se
conserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado de
conservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.

Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendo
la química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótopos
radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas,
para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del
cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.
Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como
marcadores en el cuerpo humano.
Isótopo
Vida media
Área del cuerpo que se estudia
I
8,1 días
Tiroides
59
Fe
45,1 días
Glóbulos rojos
99
Mo
67 horas
Metabolismo
P
14,3 días
Ojos, hígado, tumores
Cr
27,8 días
Glóbulos rojos
87
Sr
2,8 horas
Huesos
99
To
6,0 horas
Corazón, huesos, hígado, pulmones
Xe
5,3 días
Pulmones
Na
14,8 horas
Sistema circulatorio
131
32
51
133
24
12
TEST EVALUACIÓN MÓDULO 03
1. En general, el poder ionizante de las emisiones radioactivas varía en sentido inverso al poder
de penetración. ¿Cuál de las siguientes emisiones y radiaciones presenta mayor poder de
penetración en la materia?
A)
B)
C)
D)
E)
Alfa
Beta
Gamma
Fotones
Rayos X
2. Las emisiones de tipo alfa se caracterizan, entre otras cosas, porque
I)
II)
III)
ionizan la materia.
presentan carga eléctrica positiva.
presentan bajo poder de penetración.
De las anteriores es (son) correcta(s)
A)
B)
C)
D)
E)
sólo I.
sólo II.
sólo III.
sólo II y III.
I, II y III.
3. Si un radionúclido sufre la siguiente transformación
42
20
Ca 
42
21 Sc  X
Se deduce que la emisión X corresponde a una
A)
B)
C)
D)
E)
partícula alfa.
partícula beta.
emisión gamma.
emisión de fotones.
emisión de neutrones.
4. En la siguiente reacción nuclear, la partícula X liberada presenta
6
3 Li
A)
B)
C)
D)
E)
+
1
0n


Z=1
A=3
n=4
ē=1
Z=2
13
3
1H
+X
5. En relación a la fisión nuclear es correcto afirmar que
A)
B)
C)
D)
E)
la energía liberada no supera las 1000 kilocalorías.
ocurre en átomos con un núcleo pesado e inestable.
se absorben en la colisión grandes cantidades de energía.
la fisión no puede ocurrir en núcleos pesados, pero sí en núcleos livianos.
los núcleos de átomos livianos colisionan dando lugar a átomos de mayor Z.
6. Si 2 átomos presentan igual número atómico y distinto número de neutrones, deben ser entre
sí
A)
B)
C)
D)
E)
isómeros.
isótonos.
isobaros.
isotopos.
especies isoelectrónicas.
7. La vida media promedio (t1/2) para un radionúclido es de 30 días. Pasados 90 días, el
porcentaje en masa de radionúclido sin decaer será
A)
B)
C)
D)
E)
100%
90%
50%
25%
12,5%
2
3
8. Deuterio ( 1H ) y Tritio ( 1H ) son 2 isótopos del Hidrógeno, uno más radiactivo que el otro. Al
respecto, es correcto afirmar que
I)
II)
III)
A)
B)
C)
D)
E)
9
sólo Tritio presenta neutrones.
Deuterio es más pesado que Tritio.
Deuterio tiene la mitad de la masa de una partícula alfa.
Sólo I.
Sólo II.
Sólo III.
Sólo I y II.
Sólo II y III.
Si una especie química presenta: 16 protones, 17 neutrones y 18 electrones, entonces, es
correcto afirmar que
A) es un catión.
B) es atraído por un cátodo.
C) tiene 34 partículas en el núcleo.
D) se puede representar como
33
16
X 2
E) tiene 2 niveles de energía con electrones.
14
10 La siguiente gráfica muestra el decaimiento radiactivo de un radionúclido. A tiempo cero la
masa del isótopo es de 12 gramos, por lo tanto, se deduce que el tiempo de vida medio (t 1/2)
debe ser
gramos
12
9
6
3
0
4
8
16
días
A) 1 día.
B) 4 días.
C) 8 días.
D) 16 días.
E) 32 días.
DMDO-QC03
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