LOS PIONEROS >Wilhelm C. RÖNTGEN: Descubre los Rayos X (1896). Nobel de Física 1901. >Henry BECQUEREL, Pierre CURIE, Marie CURIE-(Sklodowska) Nobel de Física 1903 por el descubrimiento de la radiactividad en minerales de Uranio (1896-1898). > Ernest RUTHERFORD: Rayos alfa. Nobel de Química 1908 > Marie CURIE: El Radio y el Polonio. Nobel de Química 1911
Radiactividad El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel(a la izquierda) en 1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad.
Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. En 1898 descubren dos nuevas sutancias radiactivas: el radio y el polonio, mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad natural. Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford, quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres componentes que denominó: alfa, beta y gamma. Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida, prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los rayos X, recien descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por su querido radio, Mme Curie murió a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel.
Clases de radiación Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes: Radiación alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de Helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Radiación beta: Son flujos de electrones (beta menos) o positrones (beta más) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un átomo expulsa una partícula beta aumenta o disminuye su número atómico una unidad (debido al protón ganado o perdido). Radiación gamma: Son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al no tener carga, los campos eléctricos y magnéticos no la afectan.
Clases de radiaciones Al estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió que la radiación emitida por una desintegración radiactiva podía ser de tres clases:alfa, beta y gamma; además también hay que considerar la emisión de neutrones. La radiación alfa (a):Está formada por núcleos del isótopo 4 del helio, es decir, está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones. Ello significa que tiene una masa atómica de 4 u. y una carga eléctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones formaban antes parte del núcleo que se ha desintegrado. La radiación beta (b):Está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica 1/1800, aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa. A diferencia del caso anterior, el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el electrón que es eyectado.Posteriormente, se descubrió la radiación beta positiva, semejante a la beta pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de la transformación de un protón en un neutrón. La radiación gamma (g):Es de naturaleza electromagnética, semejante a la luz ordinaria o a la radiación X, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste enrgético del núcleo. Neutrones:En la fisión espontánea, así como en la fisión inducida y en otras reacciones nucleares, se produce una radiación de neutrones, formada por estas partículas, con masa, por lo tanto, de 1 u. y sin carga.
¿CÓMO CAMBIAN LOS NÚCLEOS AL EMITIR ALFA, BETA , GAMMA O NEUTRONES? Masa Atómica A=N+Z Número Atómico Z Número de Neutrones N EL ÁTOMO
Las partículas ALFA son núcleos de HELIO (dos protones y dos neutrones). TIENEN MUCHA MASA (4) Y TAMBIEN CARGA (2) EL NÚCLEO CAMBIA por efecto de la EMISIÓN ALFA
Las partículas BETA son ELECTRONES o POSITRONES MUY POCA MASA Y UNA UNIDAD DE CARGA (1) También se emiten NEUTRINOS EL NÚCLEO CAMBIA AL EMITIR una BETA
Las partículas GAMMA son FOTONES NO TIENEN MASA NI CARGASON RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA como la LUZ VISIBLE pero de mucha MAYOR ENERGÍA EL NÚCLEO NO CAMBIA
Los NEUTRONES TIENEN MASA (1) PERO NO TIENEN CARGA (0)SON MUY PENETRANTES Y DIFÍCILES DE DETECTAR EL NÚCLEO CAMBIA REACCIONES NUCLEARES QUE PRODUCEN NEUTRONES
Series Radiactivas Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del inicial(núcleo padre) forman una serie o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o familias radiactivas, tres de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los radionúclidos primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que sobreviven en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es comparable a la edad de la Tierra. Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac-227, la otra serie radiactiva es laa del Np-297, que debería haberse extinguido, pero las pruebas nucleares relizadas han liberado estos núcleos y por lo tanto ha vuelto aparecer esta cadena radiactiva. En cada serie todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232, por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series radiactivas.
Serie radiactiva U 238
Los RAYOS X : son como los RAYOS GAMMA NO TIENE MASA NI CARGA pero1000 veces MENOS ENERGÉTICOSSE PRODUCEN EN LA CORTEZA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO PRODUCCIÓN DE RAYOS X
Las radiaciones ALFA, BETA, GAMMA y los Rayos X comunican su energía principalmente a los ELECTRONES que hay en todos los materiales. Se dice que son RADIACIONES IONIZANTES porque ARRANCAN electrones de los átomos y las moléculas, modificando su comportamiento.¿Y los NEUTRONES? Esa es otra historia… (¡ no tienen carga!). GRACIAS A ESTAS INTERACCIONES PODEMOS CONSTRUIR DETECTORES Este experimento muestra cómo se desvían en un campo magnético. Es el que aparece en el escudo de la Real Sociedad Española de Física RSEF
Este es uno de los EXPERIMENTOS. Podemos distinguir el TIPO de RADIACIÓNemitida por una muestra estudiando sólo su ATENUACIÓN. También podemos saber si un RECIPIENTE está LLENO o VACÍO ¿sabrías cómo hacerlo? (sin pesarlo, claro) ATENUACIÓN AL ATRAVESAR UN MATERIAL
LA ENERGÍA DE LAS ESTRELLAS LAS ESTRELLAS “QUEMAN” HIDRÓGENO Las altas temperaturas facilitan que CUATRO PROTONES se transformen en una partícula ALFA, liberando mucha ENERGÍA Hans BETHE Nobel de Física en 1967
CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS: La irradiación GAMMA ( Co-60) destruye muchas bacterias causantes de enfermedades, y evita también que los alimentos se pudran, pero sin modificar la calidad, el sabor o la textura. Además, los alimentos NUNCA están en contacto con las fuentes radiactivas, y no hay riesgo de que se transformen en radiactivos.
METABOLISMO DEL FÓSFORO Se incluye en los fosfatos de los abonos Fósforo-32, (P-32) que es radiactivo. El Fósforo radiactivo se comporta químicamente igual que el no-radiactivo, así que con un contador Geigerpodemos seguir el movimiento del P-32 en las plantas y entender cómo utilizan el Fósforo en su crecimiento.
DETECCIÓN DE AGUA La nave de la NASA Mars Odyssey 2001 proporcionó esta vista del Polo Sur de Marte detectando neutrones. La zona azul indica la presencia de HIDRÓGENO bajo la superficie del planeta, asociadacon baja intensidad de neutrones de energía intermedia (Febrero 2002).
Función renal Gammagrafías Tiroides Inyectar moléculas con elemento radiactivo
PETTomografía de Emisión de Positrones Moléculas con isótopo radiactivo PET radioisótopos T 1/2 C carbono-11 20.3 minutos O oxígeno-15 2.03 minutos F fluor-18 109.8 minutos Br bromo-75 98.0 minutos
TACTomografía Axial Computerizada Usa Rayos X
Neutrones James Chadwick, Cambridge, 1932Nobel 1935 Enrico Fermi, Roma, Chicago, Nobel 1938
Director del grupo de físicos teóricos del proyectoManhattan
DATACIÓN CON 14C (RADIOCARBONO) El 14C se forma por el choque de rayos cósmicos con el N de la atmósfera; se forma CO2 radiactivo. Hoy: 1 14C/(1012) 12C. El Radiocarbono es absorbido por las plantas (fotosíntesis) y pasa a la cadena alimentaria. La concentración de 14C en los tejidos vivos se fija al formarse éstos, y esa cantidad de 14C va decreciendo continuamente. A la muerte del ser vivo cesa el intercambio de Carbono y podemos DATAR midiendo la proporción 14C / 12C. El método se combina con la dendrocronología (anillos de los árboles).
Leyes de la Radiactividad Radiactividad: Transformación espontánea de un elemento en otro. Rutherford y Sodd (1902) establecieron que: Cada nucleido inestable tiene una probabilidad fija de decaer que es independiente de la T, P, C, etc… Esto quiere decir que el número de decaimientos por unidad de tiempo debe ser proporcional al número de átomos radiactivos presentes: Por lo tanto, la tasa de decaimiento en un sistema cerrado es: N = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t l = constante de decaimiento = probabilidad de que un átomo radiactivo decaiga por unidad de tiempo (unidades: s–1) ó
Leyes de la Radiactividad N = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t l = constante de decaimiento = probabilidad de que un átomo decaiga por unidad de tiempo (unidades: s–1) No= número de átomos radiactivos iniciales (t=0) Arreglando e integrando ¿Y si quisiéramos saber el tiempo transcurrido para que el número de átomos radiactivos se redujera en la mitad? Definición de Vida Media (t½)
Algunas constantes de la emisión radiactiva Periodo de semidesintegración radiactiva Se llama constante de desintegración radiactiva (?) a la constante de proporcionalidad entre el número de desintegraciones por segundo y el número de átomos radiactivos (? = A / N). Se llama vida media de un radioisótopo al tiempo promedio de vida de un átomo radiactivo antes de desintegrarse. Es igual a la inversa de la constante de desintegración radiactiva (t = 1 / ?). Al tiempo que transcurre hasta que la cantidad de núcleos radiactivos de un isótopo radiactivo se reduzca a la mitad de la cantidad inicial, se lo llama periodo de semidesintegración, simplemente período, semiperiodo, semivida o vida mitad (T1 / 2 = ln(2) / ?). Al fin de cada período la radiactividad se reduce a la mitad de la radiactividad inicial. Cada radioisótopo tiene un semiperiodo característico, en general diferente del de otros isótopos.
Velocidad de desintegración La velocidad de desintegración o actividad radiactiva se mide en becquerels, Bq, en el SI. Un becquerel vale 1 desintegración por segundo. También existen otras unidades como el rutherford, que equivale a 106 desintegraciones por segundo, o el curio, que equivale idénticamente a 3,7 · 1010 desintegraciones por segundo (unidad basada en la actividad de 1g de Radio que es cercana a esa cantidad). La actividad radiactiva decrece exponencialmente de acuerdo con la siguiente ecuación: Notación: At es la actividad radiactiva en el instante t A0 es la actividad radiactiva inicial (cuando t = 0) e es la base de los logaritmos neperianos t es el tiempo transcurrido ? es la constante de desintegración radiactiva, que es propia de cada radioisótopo
Ley de la radiosensibilidad La ley de la radiosensibilidad dice que los tejidos y órganos más sensibles a las radiaciones son los menos diferenciados y los que exhiben alta actividad reproductiva. Como ejemplo, tenemos: Tejidos altamente radiosensibles: epitelio intestinal, órganos reproductivos (ovarios, testículos), médula ósea Tejidos medianamente radiosensibles: tejido conectivo Tejidos altamente radioresistentes: neuronas, hueso Consecuencias para la salud de la exposición a las radiaciones ionizantes Los efectos de la radiactividad sobre la salud son complejos. Dependen de la dosis absorbida por el organismo. Como no todas las radiaciones tienen la misma nocividad, se multiplica cada radiación absorbida por un coeficiente de ponderación, para tener en cuenta las diferencias. Esto se llama dosis equivalente, que se mide en sieverts, ya que el becquerel mide mal la peligrosidad de un elemento puesto que considera como idénticas los tres tipos de radiaciones (alfa, beta y gamma). Una radiación alfa o beta es relativamente poco peligrosa fuera del cuerpo. En cambio, es extremadamente peligrosa cuando se inhala. Por otro lado, las radiaciones gamma son siempre dañinas puesto que se las neutraliza con dificultad.Ver artículo: Radiación ionizante
Dosis aceptable de irradiación En general se considera que el medio ambiente natural (alejado de cualquier fuente radiactiva) es inofensivo: emite una radiación inferior a 0,00012 mSv/h o 0,012 mrem/h. Si se tiene que poner un umbral mínimo de inocuidad, la dosis se vuelve “peligrosa” a corto plazo a partir de los 0,002 mSv/h o 0,2 mrem/h. Pero esto es en teoría. Como en el caso de las radiografías, todo depende del tiempo durante el cual se expone a la persona a las radiaciones. Las palabras clave son: “Tiempo, Blindaje, Distancia”. Puede estar bajo una radiación con una dosis de 50 mSv/h sin arriesgar su vida si no está más de 5 s expuesto a la fuente, puesto que la dosis recibida es muy débil. Por ejemplo, aquí se muestran las dosis actualmente toleradas en los diferentes sectores de una central nuclear:
Principales isótopos radiactivos Plutonio 239Pu y 241Pu Uranio 235U y 238U Curio 242Cm y 244Cm Americio 241Am Torio 234Th Radio 226Ra y 228Ra Cesio 134Cs, 135Cs y 137Cs Yodo 129I, 131I y 133I Antimonio 125Sb Rutenio 106Ru Estroncio 90Sr Criptón 85Kr y 89Kr Selenio 75Se Cobalto 60Co Cloro 36Cl Carbono 14C Tritio 3H
Fisión nuclear animación fisión.htm
Fusión nuclear animación fusión.htm
Reactor nuclear de fisión Un reactor nuclear de fisión consta de las siguientes partes esenciales: Combustible.-Isótopo fisionable (divisible) o fertil (puede convertirse en fisionable por activación neutrónica): Uranio-235, Uranio-238, Plutonio-239, Torio-232, o mezclas de estos (MOX, Mezcla de Óxidos de Uranio y Plutonio). El combustible habitual en las centrales refrigeradas por agua ligera es el dióxido de uranio enriquecido, en el que alrededor del 3% de los núcleos de uranio son de U-235 y el resto de U-238. La proporción de U-235 en el uranio natural es sólo de 0.71%, por lo que es necesario someterlo a un proceso de enriquecimiento en este nucleido. Moderador.- Agua, agua pesada, helio, grafito, sodio metálico: Cumplen con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos fisionables y mantener la reacción. Refrigerante.- Agua, agua pesada, anhídrido carbónico, helio, sodio metálico: Conduce el calor generado hasta un intercambiador de calor, o bien directamente a la turbina generadora de electricidad o propulsión. Reflector.- Agua, agua pesada, grafito, uranio: Reduce el escape de neutrones y aumenta la eficiencia del reactor. Blindaje.- Hormigón, plomo, acero, agua: Evita la fuga de radiación gamma y neutrones rápidos. Material de control.- Cadmio o Boro: Hace que la reacción en cadena se pare. Son muy buenos absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en forma de barras (de acero borado por ejemplo) o bien disuelto en el refrigerante. Elementos de Seguridad.- Todas las centrales nucleares de fisión, constan en la actualidad de múltiples sistemas, activos (responden a señales eléctricas), o pasivos (actúan de forma natural, por gravedad, por ejemplo). La contención de hormigón que rodea a los reactores es la principal de ellas. Evitan que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, haya una liberación de radiactividad al exterior del reactor.
Central nuclear
Fisión nuclear nº bariónico: 1+235 = 140+93+3·1 = 236 (Se conserva)Energía: +200MeV Ocurre cuando una párticula rompe un núcleo pesado. Pueden ser controladas o descontroladas. Controlada: Se da sólo en las centrales nucleares. Recientemente se han descubierto algunos yacimientos de uranio natural que en el pasado, cuando la proporción de U-235 era mayor pudieron padecer procesos naturales de fisión nuclear a modo de reactores naturales. Particularmente curioso y único parece ser el caso de las minas de Oklo en África. Descontrolada: Se da en las llamadas bombas A y requieren determinado tipo de átomos llamados fisibles o físiles. Lo son el 235U y el 239Pu
Fusión nuclear nºbariónico: 2+3 = 4+1 = 5 (Se conserva) Ocurre cuando dos núcleos se unen para formar uno mayor. Una vez más, estas reacciones pueden producirse de forma controlada o descontrolada. Controlada: Se da de forma natural en los núcleos de las estrellas. En cambio, no se ha obtenido aún ningún método capaz de sostener una reacción de fusión automantenida de la misma forma que se hace en las centrales nucleares de fisión. Solo se ha conseguido la fusión en aceleradores de partículas y generadores toroidales tipo tokamak o mediante intensíssimas descargas eléctricas. En todos los casos se ha obtenido menos energía de la que se ha tenido que aportar al sistema. Descontrolada: Ocurre en las últimas fases de la evolución estelar produciendo los objetos astrofísicos más brillantes. Las supernovas. También sucede en nuestras bombas termonucleares, también llamadas bombas H.
RAYOS CÓSMICOS Los Rayos Cósmicos vienen del espacio con gran energía y dan lugar en la atmósfera a una cascada de partículas de los más variado. Pueden llegar a atravesar la tierra de lado a lado sin detenerse
Partículas elementales Bosones: Partículas de espín entero (0, 1, 2…). Lo son los fotones. Fermiones: Partículas de espín semientero (1/2 , 3/2…). Hadrones: Partículas formadas por quarks. Lo son los mesones y los bariones. Mesones: Hadrones formados por dos quarks. (muones y piones) Bariones: Hadrones formados por tres quarks. Lo son los protones y los neutrónes. Leptones: Partícula fundamental en principio indivisible que no experimenta interacción fuerte. Lo son los electrones, los muones, el tau y los neutrinos. Quark: Partícula fundamental en principio indivisible que necesariamente ha de aparecer ligada a otros quarks para formar hadrones. Experimenta interacción fuerte. Antipartículas: Cada partícula tiene su propia antipartícula asociada. Estas tienen igual masa pero carga opuesta
¿ ? Masa GRAVITACIONAL Gravitón Neutrino NUCLEAR DÉBIL Bosón Z Electrón Electrón ELECTROMAGNÉTICA Fotón Electrón Quark NUCLEAR FUERTE Gluón Quark Intensidad : 1 Alcance : 1.5 · 10 –15 m Intensidad : 10 –2 Alcance : Infinito Intensidad : 10–13 – 10–13 Alcance : 2 · 10 –18 m Intensidad : 10–38 Alcance : Infitnito LAS 4 INTERACCIONES DE LA NATURALEZA Todos los procesos que ocurren en la naturaleza pueden ser descritos mediante las cuatro interacciones que tienen lugar en la naturaleza. Los físicos actualmente están tratando de encontrar una teoría que sea capaz de unificarlas.