Radioactividad

Primeras nociones del átomo: Demócrito en el siglo IV a.C. pensó que al dividir en muchas partes la materia, se llegaría a un punto en el cual se obtendría una partícula, la cual ya no podría seguir dividiéndose, a esta partícula la llamo átomo, (sin división).

Átomo: es la partícula más pequeña  y estable que puede obtenerse de la materia, está formado por un núcleo, en este se encuentran los protones y los neutrones y una corteza en donde se encuentran los electrones.

Protón: fue descubierto por Ernest Rutherford en el año 1918 (siglo XX), esta partícula es elemental porque conforma parte del núcleo de cualquier átomo, el numero que se encuentra en el núcleo se denomina numero atómico, y este es el que determina las propiedades químicas del átomo, poseen carga positiva y su masa es 1800 (aprox) veces más grande que la de un electrón.

Neutrón: partícula que forma parte del núcleo atómico, se descubrió en el año 1932 por Chadwick. El número de neutrones que se encuentran en el átomo determina su estabilidad frente a diversos procesos nucleares (fusión o fisión). Estos no tienen carga eléctrica y cuando están fuera del núcleo son inestables.

Electrón: partícula elemental del átomo, se encuentra en la corteza y fue descubierta en el año 1897 por J.J. Thompson, los electrones de un  átomo giran en torno a su núcleo formando la corteza atómica, tiene carga negativa y en condiciones normales un átomo tiene la misma cantidad de electrones y protones y se encuentran eléctricamente neutros, ahora si capta o pierde electrones se convierte en un ion.

Teoría atómica: en el año 1803 Dalton, retoma a idea de Demócrito y propone la primera teoría atómica, en la cual habla de la composición y comportamiento de la materia:

·         Toda la materia está formada por átomos.

·         Los átomos son partículas invisibles e indivisibles

·         Los átomos de un mismo elemento son de la misma clase y tienen igual masa.

·         Los átomos que conforman los compuestos están en relación de números enteros y sencillos y pueden ser de dos o más clases diferentes.

·         Los cambios químicos corresponden a una combinación por separación o reordenamiento de los átomos que forman parte de una reacción química.

Modelos atómicos:

Thompson: en 1897 con la experimentación de un tubo de descarga observa que con el paso de la corriente eléctrica se producían unos haces de luz dentro del tubo, a estos los llamo rayos catódicos y demostró que estos tenían carga negativa y los llamo electrones, fueron las primeras partículas subatómicas, y según este descubrimiento y teniendo en consideración que la materia es neutra Thompson propuso el modelo del budín de pasas, el cual nos dice que el átomo es una masa con carga positiva, donde se incrustan los electrones y así quedaría eléctricamente neutro.

Rutherford: en 1910 con el experimento de una lamina de oro e impacto de partículas alfas emitidas por núcleo de He (sin electrones). Los resultados fueron los siguientes:

-La mayoría de las partículas alfas atravesaban la lamina

- otras la atravesaban con una pequeña desviación

- otras chocaba con la lamina y se devolvía hacia el origen.

Estos resultados, en conjunto con el descubrimiento del neutrón hecho por Chadwick, llevaron a Rutherford a formular el modelo atómico conocido como “planetario”.

Bohr: en 1913 trabaja con el hidrogeno y sus espectros y postula un nuevo modelo atómico en el cual se dice:

*los electrones giran en orbitas fijas y definidas, llamados niveles de energía.

*Los electrones que se encuentran más cerca del núcleo poseen menos energía que los que se encuentran más lejos de él.

*cuando el electrón se encuentra en una órbita determinada no emite ni absorbe energía.

*si el electrón absorbe energía de una fuerte externa, puede saltar a un nivel mayor de energía.

*Si el electrón regresa a un nivel menor, debe emitir energía en forma de luz (radiación electromagnética, fotón).

Modelo mecano cuántico (MMC)

1)     Louis de Broglie postula que los electrones tienen un comportamiento dual onda-partícula. (cualquier partícula que tiene masa y que se mueve a cierta velocidad también podrías comportarse como una onda)

2)     Heisenberg dice que no se puede conocer la posición exacta de un electrón ya que como es una partícula muy pequeña es difícil conocer su posición no así con partículas más grandes, por ejemplo una pelota de tenis, a esto lo llamo el principio de incertidumbre (incapacidad de determinan exactamente la posición, velocidad y energía de manera simultánea de un electrón dentro del átomo)

3)      Schrödinger considerando las conclusiones de Broglie establece el término de orbital, la cual es una región cercana del núcleo donde hay una alta probabilidad de encontrar electrones.

Los que postula Heisenberg lleva a la existencia de cuatro números cuánticos principales:

Número cuántico principal o “n” corresponde a los niveles de energía que a su vez estarían formado por uno o más subniveles de energía (l) los que van aumentando a medida que se alejan del núcleo.

Número cuántico secundario o “l” representa la existencia de los subniveles de energía u orbitales (s, p, d y f)

N	l (numero)	l (en letras)
1	0	s
2	0; 1	s, p
3	0; 1; 2	s, p, d
4	0; 1; 2; 3	s, p, d, f

Número cuántico magnético o “m” se calcula según el valor de “l” y representa la orientación de las orbitales presentes en cada sub nivel (va del –l; pasando por 0 hasta el + “l”)

Número cuántico SPIN: Es el que nos indica el giro del electrón (positivo o negativo) y es ± 1/2

Enlace químico: es una fuerza que mantiene unido a los átomos en un compuesto:

Se clasifican en:

Enlace iónico: se produce una transferencia de electrones desde el átomo de menor al que produce mayor electronegatividad, por esto uno de ellos pierde electrones, formándose así un catión y el otro gana electrones formando un anión, se establece una fuerza electrostática (cantidad de electricidad presente en los cuerpos) que los enlaza y da origen a compuestos iónicos. Ej.: Cloruro de Sodio.

Enlace covalente: los átomos comparten electrones por pares (1 par, 2 pares, 3 pares) si los átomos que se unieron son iguales es un enlace covalente simple (molécula de hidrogeno), si son distintos, es un enlace covalente complejo (monocloruro de sodio).

Este se subdivide en:

Covalente polar: se forma cuando la diferencia de electronegatividad es distinta de cero pero inferior a 1,7 dando origen a moléculas diatónicas, Ej.: HCL (acido clorhídrico)

Covalente dativo: es cuando solo uno de los átomos aporta electrones, Ej.: HNO₃ (acido nítrico)

Covalente apolar: se forma por la unión de átomos con la misa electronegatividad, se da principalmente entre moléculas homoatomicas (átomos iguales), Ej.: H₂ (hidrogeno diatómico gaseoso)

Enlace metálico: es el que está presente en los metales y estos forman iones positivos que se encuentran en posiciones fijas y próximas, no se repelen porque la capa de valencia de estos elementos contrarresta las repulsiones electrostáticas al actuar domo una nube negativa que se desplaza por todo el elemento metálico.

Radiactividad: es la “propiedad” que tienen núcleos inestables de determinados elementos para desintegrarse espontáneamente emitiendo así partículas y radiaciones electromagnéticas. En el año 1896 Becquerel observa por casualidad este fenómeno, descubrió que los minerales de uranio eran capaces de velar una placa fotográfica en ausencia de luz, y concluyó que podían emitir radiación en forma espontanea.

Después de esto Marie y Pierre Curie comienzan a buscar otras sustancias que emitan radiación, además de los minerales de uranio encontraron también el polonio y el radio a los que llamaron elementos radiactivos.}

Isotopos: Descubierto por el químico ingles Frederick Soddy en palabras simples son aquellos átomos que pertenecen a un mismo elemento pero no tienen la misma masa. Ej.: El neón posee tres tipos de isotopos: A=20, A=22, y A=21, todos tienen diez protones, lo único que varia es el numero de neutrones, para anotar los isotopos de un átomo se escribe el nombre o símbolo del elemento y seguido de un guion el numero másico o se escribe el numero másico como superíndice y el numero atómico como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento.

Utilidad de los isotopos.

Los isotopos naturales como los del hidrogeno protio el cual no presenta neutrones en su núcleo, deuterio que presenta un neutrón en su núcleo y el tritio que presenta tres neutrones en su núcleo. Este último fue utilizado en las bombas atómicas que lanzaron sobre las ciudades de Nagasaki e Hiroshima.

Otros isotopos que son muy utilizados son: el carbono 12, que es la base referencial del peso atómico de cualquier elemento, el carbono 13 que es el único carbono con propiedades magnéticas y el carbono 14 que es muy importante ya que su tiempo de vida es de 5760 años y lo usan principalmente los arqueólogos para determinar la edad de los fósiles orgánicos.

Los isotopos artificiales, son los que se fabrican en los laboratorios nucleares, uno de estos es el Cesio, y sus isotopos se utilizan en las plantas nucleares para generar electricidad, y el otro muy utilizado es el Iridio 192 el cual se utiliza para verificar si las soldaduras de los tubos que transportan crudo o combustibles están selladas herméticamente.

Decaimiento: el decaimiento radiactivo es cuando se libera radiación por isotopos, ya que los núcleos son inestables y estos presentan una desintegración nuclear para corregir la relación cuantitativa entre protones y electrones.

Existen tres tipos de decaimiento:

Emisión Alfa (α): es el flujo de las partículas formadas por dos 2 protones y dos neutrones, se producen entre dos núcleos de gran masa  y la fuerza de repulsión que se genera en los protones supera a la que permite que el núcleo que mantenga unido y para estabilizarse producen radiación alfa transformándose en un núcleo de menor masa.

Emisión beta (β): encontramos dos tipos:

Beta (+): Es cuando el núcleo inestable emite una partícula idéntica a un electrón [carga (-)] para mejorar la relación protón- electrón. Un neutrón del núcleo se transforma en un protón y libera un electrón y no cambia la masa atómica porque el protón se queda al interior del núcleo.

Beta (-): los núcleos pueden emitir partículas idénticas a un electrón en cuanto a la masa, pero con carga (+), esto ocurre cuando la cantidad de protones es mayor a la de los neutrones. No se altera la masa atómica.

Emisión gama (γ): es una radiación electromagnética con un contenido de energía de alta frecuencia, estos no tienen ni carga ni masa, por lo tanto no producen cambios en la estructura, sino simplemente pérdida de una cierta cantidad de energía, estos acompañan a las emisiones α y β ya que así el núcleo compensa la inestabilidad que dejan las emisiones nombradas anteriormente.

Vida media: es el concepto que se utiliza para referirse a la velocidad con la decaen los elementos radiactivos, ósea es el tiempo que tarda en desintegrarse al mitad de los núcleos de cualquier sustancia radiactiva en cuanto a la relación inicial, también es conocido como periodo de semidesintegración.

Radiación en los seres humanos: El daño que puede producir la radiación depende de varios factores, como el tipo de radiación, la dosis, el tiempo de exposición, el tipo de tejido que es afectado, la sensibilidad del individuo, etc. Las radiaciones ionizantes alfa, beta tienen un efecto inmediato, producen quemaduras en la piel, en cambio la radiación gamma y rayos X tienen un efecto un poco más tardío, pueden alterar el crecimiento  de las células, lo que las induce a reproducirse sin control, en otras palabras a producir cáncer.

Radiación inducida: este proceso genera cambios en la naturaleza del núcleo atómico, ósea se transmuta el núcleo, esto quiere decir que el núcleo cambia, se transforma en otro y se libera energía, en esta radiactividad participan cuatro partículas: un núcleo objetivo, una partícula que bombardea (por lo general neutrones), un núcleo producto y una partícula expulsada. La conversión de un núcleo a otro se puede realizar de dos maneras, la primera es fragmentando el núcleo en dos de menor tamaño, y la segunda es agregando protones o neutrones agrandando así el núcleo. En el interior del núcleo hay dos fuerzas, la de repulsión eléctrica (a) que separa los protones, y la fuerza nuclear fuerte (b) la que mantiene los neutrones y protones unidos al núcleo. Para poder romper el núcleo se necesita vence la fuerza nuclear fuerte, y para agregar más protones o neutrones hay que superar la fuerza eléctrica, estos dos procesos liberan mucha energía y aquí es donde se producen dos reacciones nucleares:

Fisión nuclear: se produce cuando un núcleo pesado se divide en dos núcleos más livianos, que a su vez son más estables y tienen mayor energía de enlace (energía que se libera al formarse un núcleo a partir de las partículas que lo componen, protones y neutrones) y coincide con la energía que se necesita para separar las partículas que lo forman. Este proceso libera mucha energía.

La fisión nuclear se utiliza principalmente en la generación de electricidad (calor reacción en cadena) reactores y combustibles nucleares (uranio 235 o plutonio 239)

Fusión nuclear: núcleos ligeros se unen para formar núcleos mas pesados, estable sin generar grandes cantidades de energía, esto ocurre en el sol y las estrellas y también es esto lo que les permite brillar. La fusión no deja desechos radiactivos, pero actualmente no se utiliza para generar energía ya que no se alcanzan las temperaturas requeridas para poder controlarla.

Aplicación de los radioisótopos:

*irradiación de alimentos, esto reduce la descomposición de los alimentos, la pasteurización es la que retarda el crecimiento de las bacterias, además si a las tuberías subterráneas se le agrega una pequeña cantidad de material radiactivo es posible evitar la filtración y en la medicina permite la visualización de los órganos o las funciones anormales o tumores.

Aplicaciones bélicas: la radiación se ocupa principalmente en la creación de armas nucleares, en estados unidos y Rusia se concentra el 97% del armamento nuclear.

Podemos identificar tres tipos de armas:

Bombas A: Basadas en la fisión nuclear, usan uranio o plutonio como combustible y estos se fusionan liberando grandes cantidades de energía. Se encuentran en misiles. (Lanzada en Nagasaki e Hiroshima)

Bombas H: basadas en la fusión nuclear utilizan como combustible hidrogeno o helio, para que esta haga explosión es necesario someterla a grandes cantidades de temperatura (ºC) y con esto se liberan grandes cantidades de energía.

Bombas de neutrones: son una modificación de la bomba H, aquí también se efectúa la fusión pero esta tiene que reducir la onda expansiva lo más posible para así liberar los neutrones que inducen radiactividad, esta produce daños tremendos en las personas sin llegar a destruir el entorno. Solo se han utilizado experimentalmente.