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.