Radioactividad y aplicaciones

✞ ☎ Resumen de radioactividad y aplicaciones. ✝ ✆ ¿Qué es la radioactividad? j Radioactividad. Es un fenómeno por el cual los núcleos de los átomos de ciertos elementos pueden emitir partı́culas transformándose en otros núcleos, y, por lo tanto, se transmutan en otros elementos quı́micos distintos. © Todo elemento quı́mico (isótopo) capaz de emitir radioactividad de algún tipo se denomina radioelemento (radioisótopo). Hay varios tipos de radioactividad. Los principales tres tipos de radioactividad se denominan alfa α, β y γ. En ocasiones, también se habla de desintegración de los elementos quı́micos, pero esta palabra suele estar reservada para aquellos fenómenos radioactivos en los que un radioisótopo “grande”, se descompone en uno o varios más ligeros. También se habla de desintegración o radiación de partı́culas elementales cuando algunas se transforman en otras. Por ejemplo, tal como conté en clase, un neutrón “suelto”, o “libre”, se desintegra según la reacción n → p+ + e − + ν e en unos 15 minutos (para ser más precisos unos 880 segundos), y donde ν es un antineutrino (antipartı́cula del neutrino, una de las partı́culas fundamentales conocidas, aunque muchas veces ignoradas en los libros de texto). Tenemos pues los siguientes tipos de radioactividad:   alfa, α − decay Radioactividad beta, β − decay   gamma, γ − decay Radiactividad α. Consiste en la emisión de un núcleo de helio (o un núcleo de helio ionizado más electrones). Genéricamente, un radionúcleo o radioelemento que sufre este tipo de transmutación sigue la regla: A ZX A ZX → → A−4 ′ Z−2X A−4 ′ Z−2X + 42He + 42He2+ + 2e− Ejemplo: 238 92 U 4 → 234 90 Th + 2 He Radiactividad β. Este tipo de transmutación es muy simple y consiste esencialmente en la transformación de un protón en neutrón o viceversa en un núcleo o isótopo, siguiente un esquema similar a lo que le pasaba al neutrón, pero a escala nuclear y atómica. Hay esencialmente 2 tipos clásicos de desintegración beta, llamados β − y β + . Para la desintegración β − , en la que un neutrón se transforma en protón dentro del núcelo, se tiene el esquema general A ZX → A ′ Z+1X + e− + ν e En los libros de texto y en muchos lugares de la Fı́sica Nuclear se ignora al pobre neutrino, simplemente por el hecho de ser “pequeño”, y no jugar un papel “activo” en la interacción nuclear, de la que él es un simple “producto”. 1 No obstante, debe tenerse en cuenta para “sutiles detalles” no totalmente aprehendidos de la Fı́sica Nuclear. Para la desintegración β + , en la que un protón se transforma en neutrón, mediante el subproceso p+ → n + e + + ν e el esquema o reacción resulta ser A ZX → A ′ Z−1X + e+ + ν e Comentario: Afortunadamente para el Universo, el subproceso en el que un protón se desintegra en neutrón, positrón y neutrino parece ser muy, muy, pero que muy lento. A diferencia del neutrón, el protón es muy estable y no se desintegra “suelto” o “libre”. Actualmente, se sabe que si ese proceso existe, su tiempo tı́pico (llamado tiempo o perı́odo de semidesintegración) es mayor de 1033 años (por comparación, el tiempo de transcurrido en el Universo desde el denominado Big Bang es de 13800 millones de años, 1.38 · 1010 años.). Sin embargo, como puede verse, la transformación de protón en neutrón es posible en los núcleos en tiempos mucho más cortos. Ejemplos (desintegración β − ): 137 137 − 55Cs → 56Ba + e + ν e 14 14 − 6C → 7Ba + e + ν e + Ejemplos (desintegración β ): 22 22 + 11Cs → 10Ba + e + νe 23 23 + 12Mg → 11Ba + e + νe Interesante: en la desintegración beta permanece constante el número másico. Eso lleva a introducir el concepto de isóbaro nuclear, átomos de diferentes elementos que tienen el mismo número de nucleones (átomos en los que coincide el número másico A). También está la idea de átomos (núcleos) isótonos, que son aquellos que poseen igual número de neutrones pero distinto Z. Radiactividad γ. La radiactividad gamma consiste esencialmente en la emisión de fotones (partı́culas que integran las ondas electromagnéticas) de alta o muy alta energı́a por los núcleos. Este tipo de radiación puede producirse también de diferentes formas. Si un núcleo o átomo está altamente excitado (en un nivel de energı́a alto) puede emitir un fotón o cascada de fotones altamente energético/s. Estos elementos o núcleos excitados se suelen llamar isómeros nucleares. Por ejemplo 1 ∗ − 1H (n 100 ) → 11H(n−1 ) + γ Otro ejemplo podrı́a ser 60 ∗ 28Ni → 60 28Ni + γ(1.33M eV ) y donde el paréntesis indica en este caso la energı́a particular del fotón emitido en unidades de megaelectrones-voltio (1eV = 1.6 · 10−19 J). 2 Aplicaciones de la radiactividad y los elementos radioactivos. Los radioisótopos y las propiedades de los núcleos tienen en la actualidad muchas aplicaciones, entre las que destacan: • Aplicaciones médicas: rayos X (radiografı́as), radioterapia, la gammagrafı́a, PET (tomografı́a de emisión de positrones), radiodiagnósticos, NMR (resonancia magnética nuclear),. . . • Relojes atómicos. • Propulsión nuclear de submarinos, barcos, sondas y naves espaciales. • Producción de energı́a mediante fisión o fusión. • Datación radiactiva. • Detectores de partı́culas, sensores antincendios. Se llama energı́a nuclear a la energı́a que se desprende en la desintegración de los núcleos de ciertos átomos o núcleos. La fisión nuclear consiste en la ruptura de un núcleo atómico de gran masa en dos o más con masas similares. Generalmente se usan neutrones para la fisión. El proceso contrario, la unión de núcleos ligeros en otros más masivos tiene lugar en las estrellas y se espera tenga lugar en reactores nucleares de fusión (como ITER). Un problema con el uso de radioisótopos es su almacenaje. Los residuos nucleares sólidos, lı́quidos o gases deben almacenarse o aislarse debidamente, porque en algunos casos su radiación durará miles de años. Otros conceptos vistos en clase: • Orbital: es la región del espacio donde es más probable encontrar a un electrón en un átomo, porque no sólo es una partı́cula sino también una onda. Debido a esto, carece de sentido hablar del concepto de órbita para un electrón. Los orbitales se indican con la notación espectroscópica nl. Por ejemplo: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, . . .. • La Tabla Periódica recibe su nombre porque las propiedades de los elementos quı́micos son función periódica de su número atómico y sus masas atómicas. Se llaman elementos representativos, a los elementos de los grupos 1 y 2, junto a los grupos del 13 al 18. En un grupo el tamaño crece según nos movemos hacia abajo. En un perı́odo, aumenta hacia la izquierda y disminuya hacia la derecha. El carácter metálico aumenta hacia la izquierda. Biolementos primarios son C, H, O, N, P, S, y secundarios N a, K, Ca, Cl, M g. Los oligoelementos indispensables F e, Co, Cu, M n, Zn, y los oligoelementos variables F, I, M o, Si, B, Al, V . • Espectros atómicos: son el resultado de la descomposición de la luz que emiten los elementos al calentarse, enfriarse, o ser sometidos a una corriente eléctrica. El resultado es un fondo negro con lı́neas (espectro de emisión), o un fondo de colores y unas lı́neas oscuras (espectro de absorción). La denominada “Fı́sica Clásica” no puede explicar los espectros ni por qué los electrones giran de forma estable alrededor de los núcleos sin precipitarse hacia éstos perdiendo energı́a. Ése fue el origen de la “Fı́sica Cuántica”. 3 Curiosidad (otros tipos de radiactividades): Es importante primero destacar, que los procesos anteriores de desintegraciones α, β, γ no tienen por qué ocurrir separadamente y pueden darse en ocasions en reacciones en cadena o (casi) simultáneamente. Dicho esto, hay algunos otros tipos de radiactividad que son estudiadas por los fı́sicos. En primer lugar, la denominada captura electrónica (o proceso K, K-captura,. . . ) corresponde a un subproceso de transformación p+ + e − → n + ν e y que lleva a reacciones de transmutación nuclear del tipo de los siguientes ejemplos 26 − 26 13 Al + e → 12 Mg + νe 59 28 Ni + e− → 59 27 Co + νe 40 19 Ni + e− → 40 18 Co + νe Por tanto, en este tipo de transmutación un protón absorbe un electrón y se transforma en un neutrón emitiendo un neutrino. En términos de radionúcleos, un elemento que sufre captura electrónica “pierde” un protón que se transforma en neutrón, manteniendo constante A, y emitiendo ese neutrino. ¡Asombroso! El esquema general de una transmutación de este tipo es A ZX + e− → A ′ Z−1X + νe Otro tipo de desintegración o radiación es la llamada radioactividad de iones pesados o radioactividad de partı́culas pesadas, también conocida como descomposición o desintegración “cluster” (o de cúmulos). En este tipo de radiación, un elemento generalmente pesado se descompone en 2 ó más elementos. Por ejemplo: 223 88 Ra 209 → 14 6 C + 82 Pb y donde se sigue un esquema de tipo A ZX ′ → ′ A aX ′′ ′′ + A bX ′ ′′ y donde como resulta lógico y evidente Z = a + b, y A = A + A . Estoy podrı́a generalizarse a algo del tipo siguiente: A ZX → A1 z 1 X1 + Az22 X2 + · · · + Azrr Xr donde habrı́a r-sumandos o elementos/núcleos a la derecha de la flecha, de forma que r X Z= zj = z 1 + z 2 + · · · + z r j=1 A= r X Aj = A1 + A2 + · · · + Ar j=1 Para terminar, hay dos desintegraciones beta adicionales que son interesantes en sı́ mismas. En primer lugar, dejadme que os presente a la desintegración beta 4 doble, donde un núcleo con (Z, A) pasa a (Z + 2, A) (ó a (Z − 2, A) si fuera una doble β + ) emitiendo dos electrones (positrones) y dos antineutrinos (neutrinos): A ZX → A ′ Z+2X + 2e− + 2ν e A ZX → A ′ Z−2X + 2e+ + 2νe Ejemplos: este tipo de desintegración es muy “rara” o muy poco frecuente en núcleos/radioisótopos. Pero algunos han sido observados. En particular, 48 20 Ca − → 48 22 Sc + 2e + 2ν e 76 32 Ge − → 76 34 Se + 2e + 2ν e Y ahora viene la estrella actual de las desintegraciones (no descubiertas porque es hipotética). Si el neutrino fuera igual que el antineutrino (es decir serı́an su propia “antipartı́cula”, o lo que los fı́sicos teóricos llaman una partı́cula de Majorana), los dos neutrinos de arriba se aniquiları́an y no “aparecerı́an” en los resultados finales (no serı́an detectados a diferencia de lo que ocurre una beta doble normal). Las desintegraciones beta dobles SIN neutrinos (0νββ) representan la frontera final en la interconexión de Fı́sica Nuclear y de Fı́sica de partı́culas. Mientras que los procesos: µ− → e− + ν e + ν µ 2n → 2p+ + 2e− + 2ν e son “conocidos”, los de tipo µ− → e− + γ µ− → e− + e+ + e− 2n → 2p+ + 2e− + 0ν no han sido observados y deben ser extraordinariamente poco frecuentes (muy infrecuentes) en el Universo conocido. 5