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Radiactividad


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Hacia las postrimerías del siglo XIX, se creía confiadamente que los componentes básicos de la materia conocida eran estables, siempre iguales, inmutables, y se pensaba que un material que no recibe influencia externa alguna (no se lo calienta, no se lo parte, no se lo tiñe, etc.) permanecerá igual a través del tiempo.

Pero en 1896 Becquerel informó a la comunidad científica un fenómeno que no encajaba con esta idea de la inmutabilidad de los materiales. En efecto, había observado que en repetidas ocasiones unas placas fotográficas cerradas, que habían quedado adyacentes a un cierto mineral (pecblenda), se habían ennegrecido. Esto sucedía de un día para otro, es decir en lapsos de tiempo relativamente cortos.

Pero, ¿cómo había sucedido este cambio? Era en principio desconcertante pues no podía entrar luz a las placas, no habían sido calentadas, ni las podía haber alcanzado ningún agente químico. El peso de la evidencia, tras mucho repetir la operación, llevó a la conclusión que existía algo producido o emitido por ese mineral que atravesaba la gruesa protección de las placas fotográficas de la época, y las impresionaba igual que cuando se sacaba una fotografía exponiéndolas a la luz visible común.

En 1898 Pierre y Marie Curie, tras muchos esfuerzos, tuvieron éxito en separar químicamente del resto del mineral llamado Plecbenda al material causante de este fenómeno, y le dieron el nombre de Radium o Radio, ya que debía producir algún tipo de radiación.

Muchos científicos de la época se interesaron en encontrar la explicación adecuada a este fenómeno. La comprensión de lo que acontece en este caso no fue la obra de una sola persona, sino el producto del aporte de muchos durante todo el siglo XX, tarea que aun continúa. Se destacan en los primeros tiempos Rutherford y colaboradores, que investigaron en detalle la naturaleza de las radiaciones emitidas logrando identificar tres :

  • alfa: que resultaron ser núcleos de helio (o sea átomos del gas noble helio sin sus únicos dos electrones)

  • beta: que resultaron ser electrones muy rápidos

  • gamma: que luego se comprobaría que consisten en cuantos de radiación electromagnética (similares a otras radiaciones que nos son más familiares como la luz visible o los rayos X).

En 1932 Chadwick descubre otra partícula nueva, el neutrón, lo cual conduce ese mismo año a que Heisenberg nos de la visión actual de los núcleos atómicos, constituidos por partículas eléctricamente positivas, llamadas protones, y partículas neutras, los neutrones.

Este conjunto de observaciones y sus correspondientes interpretaciones llevaron a modificar nuestra idea de la materia. Algunos núcleos de ciertos elementos pueden emitir partículas cargadas, por lo que su carga eléctrica total cambia, es decir se transforman en núcleos de otros elementos: el Radio es uno de estos elementos, pero existen en la naturaleza varios más, como el Thorio, el Uranio, el Potasio o el Carbono entre otros . Esto quiere decir que a diferencia de lo que se creía antes de las observaciones de Becquerel, no toda la materia es estable: algunas de las sustancias de la naturaleza se transforman en otras tras la emisión de radiaciones. A las sustancias que emiten radiaciones las llamamos sustancias radioactivas.

Radioactividad natural

En la vida cotidiana estamos expuestos a radiaciones aún cuando no vivamos o permanezcamos cerca de fuentes radioactivas provenientes de la actividad humana. Se pueden distinguir dos tipos principales, de acuerdo a desde dónde actúan sobre nuestro organismo: Las fuentes de irradiación externa son aquellas que provienen desde fuera del organismo, y las fuentes de irradiación interna son aquellas que provienen de radioisótopos incorporados a nuestro organismo (por vías respiratoria o digestiva).

Las fuentes principales de radiación natural son:

  • Externas: Rayos cósmicos y rayos gamma terrestres.

  • Internas: Isótopos generados por los rayos cósmicos e isótopos de radón (220Rn y 222Rn) presentes en el suelo y en los materiales de construcción.

Los rayos cósmicos, provenientes del espacio exterior, son principalmente protones y partículas alfa, y en menor cantidad núcleos de Carbono, Nitrógeno, Oxígeno y de átomos pesados. Estos núcleos producen a su vez rayos secundarios al chocar contra los átomos de la atmósfera. Algunos rayos cósmicos tienen energías que son millones de veces superiores a las alcanzadas en aceleradores de partículas, aunque los predominantes son los de baja energía. El efecto de los rayos cósmicos en ciudades que se hallan a grandes altitudes es alrededor de cinco veces el producido a nivel del mar.

Los rayos cósmicos generan, por interacción con átomos de la atmósfera, los llamados radionucleidos cosmogénicos (isótopos de Hidrógeno (3H), Berilio (7Be), Sodio (22Na) y Carbono (14C)), que se incorporan a los organismos en forma natural. Estos isótopos tienen en los organismos vivos una concentración estable de equilibrio, resultante de la incorporación y el decaimiento continuos. Entre ellos, el Carbono 14 es utilizado normalmente para fechar organismos muertos hasta 35000 años atrás: Cuando un organismo muere, cesa de incorporar 14C, y su concentración comienza a decaer por la desintegración radioactiva. La medición de la concentración actual del isótopo da como resultado el tiempo transcurrido entre la muerte y la fecha de medición.

Los rayos gamma terrestres provienen del decaimiento de los isótopos presentes en materiales de la corteza terrestre y en el agua. La exposición a estos rayos depende de la geología local, y de cómo estos isótopos radioactivos pasan a los alimentos que se ingieren.

El Radón, químicamente muy poco reactivo (considerado como uno de los gases nobles), es sin embargo un elemento radioactivo emisor de partículas Alfa. Presente en los materiales de construcción y en la corteza terrestre, afecta en mayor o menor grado dependiendo de la geología local, y de la construcción y el uso de las viviendas. En algunos casos, en viviendas de material poco ventiladas, los niveles de Radón pueden llegar a considerarse peligrosos. En países desarrollados existen normas que regulan la ventilación mínima de los ambientes. Normalmente, la inhalación del Radón representa aproximadamente la mitad de la contribución de todas las fuentes a las dosis naturales.

El tipo de radiación generada por la actividad humana es de las mismas características que aquella presente en la naturaleza: partículas Alfa, Beta, rayos Gamma, rayos X, protones, neutrones. La radiación emitida por un dado isótopo no depende de que el mismo provenga de una fuente natural o sea generado en el laboratorio, sino de principios físicos básicos característicos del isótopo.

Alfa, Beta, Gamma y Neutrones

Al igual que nuestro sistema solar, los átomos están compuestos, en un modelo simplificado, por un núcleo central muy pequeño y de partículas aún más pequeñas, los electrones, dando vueltas a su alrededor, a gran velocidad.

El núcleo está compuesto por partículas llamadas protones que tienen carga eléctrica positiva y otras llamadas neutrones, que no tienen carga alguna, fuertemente unidas entre sí.

Los núcleos que tienen la misma cantidad de protones y de neutrones son "estables"; mientras que los que tienen cantidades muy diferentes son "inestables". Estos últimos tienden a transformarse en otros más estables, a través de diferentes mecanismos conocidos como desintegraciones radiactivas. Estos procesos espontáneos tienen asociados la emisión de diferentes partículas o rayos, de acuerdo a las características de los diferentes núcleos. Fueron observados por primera vez en 1896 al verificar que un trozo de mineral de Uranio velaba las placas fotográficas al ser colocado encima de ellas. Más tarde los esposos Curie descubrieron el Polonio y el Radio, elemento este último un millón de veces más radioactivo que el Uranio.

Consideremos los diferentes decaimientos, de acuerdo a las características nucleares:

  1. Si hay un exceso de neutrones, los núcleos se hacen más estables emitiendo un neutrón, o bien, más frecuentemente, formando y emitiendo una partícula beta (Beta-), esto es, un electrón. La formación de esta partícula se produce a través de la transformación de un neutrón del núcleo en un protón y un electrón, junto a una partícula sin carga ni masa llamada neutrino. El nuevo núcleo tiene, entonces, un neutrón menos y un protón más.

  2. Si hay un exceso de protones, en núcleos livianos, el núcleo se hace más estable a través de la transformación de un protón en un neutrón y un positrón (electrón con carga positiva), abandonando este último el átomo (Beta+). El nuevo núcleo tiene, entonces, un protón menos y un neutrón más.

  3. Si hay un exceso de protones en núcleos pesados, entonces alcanzan la estabilidad nuclear emitiendo una partícula Alfa, compuesta por dos protones y dos neutrones fuertemente unidos. El nuevo núcleo tiene entonces dos protones y dos neutrones menos.

Al formarse un nuevo núcleo, como consecuencia de uno o varios de los procesos anteriores, este puede decaer también a un estado aún más estable (fundamental), conservando su número de protones y neutrones, a través de la emisión de ondas electromagnéticas como las de radio o la luz; pero de mayor energía. Mayor aún que la de los rayos X. Son los rayos Gamma.

Estos procesos pueden darse en forma escalonada, con diferente probabilidad de ocurrencia.

En ellos se verificó, por primera vez, la equivalencia entre masa y energía hallada por Albert Einstein a comienzos de siglo. La energía liberada (energía de las partículas y rayos emitidos) está relacionada con la desaparición de masa ocurrida durante la desintegración. La masa del núcleo antes de la desintegración es mayor que la masa del núcleo y partículas emitidas después de la desintegración. La masa y la energía no se conservan por separado, sino la suma de ambas.

Período de semidesintegración, o vida media

Un núcleo inestable no tiene un tiempo de vida bien definido, sino que tiene una probabilidad de decaer por unidad de tiempo. Esta probabilidad, llamada constante de decaimiento, no depende del tiempo que haya "vivido" ese núcleo.

Cuando se tiene un número muy grande de núcleos inestables, se pueden observar decaimientos de los mismos en forma aparentemente continua. Si la constante de decaimiento es grande (=alta probabilidad de decaer por unidad de tiempo) se observará que la población activada disminuye rápidamente mediante la emisión de radiación característica, si la constante es pequeña, la población disminuirá más lentamente.

El período de semidesintegración o vida media, T1/2, es el tiempo que tarda un conjunto de núcleos radiactivos de la misma especie, en reducirse a la mitad.

Así, si a un tiempo to se tienen N0 átomos activados, transcurrida una vida media (t = t0+T1/2) tendremos N0/2 átomos activados, transcurridas dos vidas medias (t = t0+2 x T1/2) tendremos N0/4, transcurridas tres vidas medias se tendrá N0/8. En forma más general podemos considerar que si han transcurrido n vidas medias, la población será de N0/2n átomos.

Detección de radiación nuclear

Con los medios a su alcance, los investigadores han desarrollado una diversidad de métodos de detección, que comienzan con las simples placas fotográficas veladas de las que informa Becquerel en 1896, a pesar de estar encerradas a prueba de luz.

Muy pronto, los esposos Curie utilizarían un electrómetro, instrumento apto para informar cuánto aire se ioniza en una cámara, o sea cuántos átomos del mismo dejan de ser eléctricamente neutros por pérdida de uno o más electrones. Geiger y Marsden en 1909 emplean sulfuro de cinc como pantalla que emite un destello de luz cuando incide una partícula alfa (ver RADIACTIVIDAD).

Los métodos actuales son muy variados. Si nos proponemos decir algo global acerca de ellos, podemos distinguir :

  1. Los orientados a radiación que directamente produce alteraciones eléctricas, o ionización, en los materiales sobre los que actúa.

  2. Los métodos orientados a radiación que no produce directamente alteraciones eléctricas en los materiales sobre los que actúa.

Ejemplos de ionizantes :

  • alfa (núcleos de átomos de helio)

  • beta (electrones)

  • gamma (partículas de ondas electromagnéticas)

Ejemplos de no directamente ionizantes :

  • Neutrones, por no poseer carga eléctrica.

Cuando una partícula ionizante incide sobre un material, tiende a "arrastrar" electrones propios de los átomos del material, dejándolo eléctricamente alterado. Esto puede inducir peculiares comportamientos en distintos tipos de materiales, como :

  1. un semiconductor (como el silicio de diodos y transistores presentes en circuitos de radios y TV): puede conducir corriente eléctrica en condiciones en que normalmente no lo haría.

  2. un gas (que normalmente no conduce electricidad): puede conducir electricidad entre las puntas de un circuito al que se haya aplicado unos miles de voltios eléctricos.

  3. un sólido o líquido transparente adecuado: puede suceder que cuando los electrones perturbados retornen a situaciones de equilibrio en sus átomos, se despojen del exceso de energía absorbida, entregándola en forma de destellos luminosos.

Esos pulsos de corriente eléctrica y los destellos luminosos se aprovechan habitualmente como señales indicadoras de la presencia de radiaciones que les dieron origen.

Cuando se trata de detectar partículas no directamente ionizantes como los neutrones, se recurre a que los mismos reaccionen con átomos del material del detector, introduciéndose en sus núcleos, obligándolos a emitir alguna radiación que pueda a su vez ser detectada por los métodos antes descriptos.

Fuente: Instituto Balseiro - CNEA

 

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