7. Química nuclear

En las unidades anteriores se estudiaron trasformaciones químicas. En ellas solo los electrones están involucrados: se reordenan de tal manera que rompen y/o forman nuevos enlaces entre los átomos del sistema. Pero los núcleos de los átomos permanecen ajenos, sin cambios, durante las reacciones químicas. Sin embargo, existen transformaciones que involucran a los núcleos y que corresponden a la química nuclear. Todos los elementos, excepto el hidrógeno, se originaron por transformaciones nucleares.

El planeta Tierra ha sido radiactivo desde su formación hace 4500 millones de años. En realidad, la edad de la Tierra puede calcularse analizando su radiactividad, particularmente la transformación de uranio en plomo. Hemos oído y leído sobre desastres humanitarios relacionados con la radiación, pero también sabemos de sus aplicaciones médicas, tanto en el diagnóstico como en el tratamiento de diversas enfermedades. Comenzaremos esta unidad con una breve introducción histórica de cómo se descubrió que ciertos elementos tienen núcleos atómicos inestables, los cuales transmutanN transformándose en otros elementos.

Como ha sucedido muchas veces en la historia de la ciencia, algunos hallazgos se producen mientras se está investigando un problema o fenómeno diferente. Cuenta la historia que Henri BecquerelN estudiaba minerales suponiendo que algunos de ellos, si eran iluminados con la luz del sol, podrían emitir luz más tarde. Esta propiedad, llamada fosforescencia, ya había sido utilizada por los romanos para disponer de fuentes de luz durante la noche. Como estas investigaciones transcurrían en París durante el invierno, la luz del sol era escasa y Becquerel decidió posponer sus ensayos. A la espera de días soleados, guardó un trozo del mineral de uranio con el que estaba trabajando en un cajón, envuelto en una tela oscura junto con papel fotográfico y una cruz de Malta hecha en cobre. Varios días después encontró con sorpresa que la imagen de la cruz de Malta estaba impresa en el papel fotográfico sin haber estado expuesto a la luz solar. Concluyó que era el mineral de uranio el que había emitido radiación (el que “fotografió” a la cruz de Malta) (Gráfico 7.1). Repitió el experimento y siempre obtuvo el mismo resultado. De esta manera Becquerel descubrió la radiactividadN . Luego encomendó a su estudiante de doctorado, Maria Salomea Sklodowska, seguramente más conocida como Marie CurieN , que continuara con estos estudios sobre el uranio. Ella encontró que el torio se comportaba del mismo modo que el uranio, y trabajando en colaboración con su esposo, Pierre CurieN, hallaron además otros dos elementos radiactivos a los que llamaron polonio (por su Polonia natal) y radio (Ra) (Gráfico 7.2).

Los experimentos realizados por Becquerel y los esposos Curie les valieron a los tres el premio Nobel de Física de 1903. En 1899, André DebierneN, que trabajaba con los Curie, descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. También en 1899, Ernest RutherfordN comenzó a investigar la naturaleza de los rayos emitidos por el uranio y encontró que, al emitir esos rayos, el uranio se transformaba en otro elemento. Trabajando en colaboración con Frederick SoddyN, desarrollaron una teoría para explicar estas transformaciones de los núcleos atómicos a la que llamaron decaimiento radiactivo. Tal vez la conclusión conceptualmente más importante de sus hallazgos es que el núcleo atómico no es indivisible. Hallaron además que la radiación emitida por el uranio y otros elementos radiactivos es bastante compleja. Para Rutherford, estas emisiones estaban constituidas principalmente por tres tipos de radiación, a las que llamó alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Desde entonces se han encontrado otras formas de radiación además de las descubiertas en el laboratorio de Rutherford. También determinó que la radiación alfa consiste en partículas de carga positiva y la beta en partículas con carga negativa, mientras que la gamma es radiación electromagnética de altísima energía. Es esta radiación la causante de las imágenes que observó Becquerel. Superando varias dificultades experimentales, se demostró además que las partículas alfa consisten en núcleos de átomos de helio (He⁺²). Estos experimentos demandaron del trabajo de muchos científicos reconocidos.

Cuando se produce una descomposición radiactiva, el tipo de átomos resultante, la velocidad con que se produce y las cantidades finalmente obtenidas dependen de cuál fue el núcleo original que sufrió la descomposición. Algunos núcleos se desintegran con rapidez, mientras que otros son relativamente estables. Sin embargo, la mayoría de los procesos de transmutación tienen una cosa en común: todos emiten radiación alfa (núcleos de He). Por lo tanto, los científicos de esa época se preguntaron: ¿por qué siempre se generan núcleos de helio en los procesos de transmutación de núcleos inestables? Tampoco se sabía por qué algunos núcleos eran estables y otros no. El descubrimiento del neutrón aportó parte de las respuestas pendientes. En 1934, la primogénita de los Curie, Iréne, y su esposo Frédéric JoliotN descubrieron que la radiactividad puede ser producida artificialmente.N Al igual que Pierre y Marie, esta pareja también obtuvo el premio Nobel por sus descubrimientos. Estos hallazgos desencadenaron una serie de progresos en el ámbito de las transformaciones nucleares, como la fisión y la fusión nuclear.

A continuación, se presentarán en forma más detallada las respuestas a las preguntas planteadas. Para ello se considerará el modelo atómico actual estudiado en la Unidad 2.

Los apartados siguientes tratarán las consecuencias de la inestabilidad de ciertos núcleos y las transformaciones que se derivan de ello. Se describirán, por último, los principales tipos de desintegración nuclear.

Una de las ecuaciones más famosas de la Física y que ya fue mencionada en la Unidad 1 es:

Esta ecuación fue planteada por Einstein en su teoría de la relatividad y establece que la masa es una forma de energía y, por lo tanto, pueden interconvertirse. En particular la fórmula indica la equivalencia entre la energía en reposo de un sistema, E_0, y su masa, m. La constante c que aparece en la ecuación es la velocidad de la luz en el vacío (3 x 10⁸ m/s).

De acuerdo con la fórmula de Einstein, cuando un sistema se transforma e intercambia energía tiene que tener un cambio en su masa. Si gana energía su masa se incrementa y si pierde energía su masa disminuye. Sin embargo, debido a que la velocidad de la luz es un número tan grande, y como además aparece elevado al cuadrado en la ecuación, se necesita un cambio de energía muy grande para producir un cambio apreciable en la masa. Así, por ejemplo, aunque algunas reacciones químicas desprenden energía en forma de calor (como las reacciones de combustión), la cantidad de energía puesta en juego no es suficiente para producir un cambio medible en la masa. Las mejores balanzas son capaces de detectar variaciones de masa de 0,01 miligramo. Pero la energía liberada en una reacción química no alcanza, ni remotamente, para producir este cambio en la masa. La situación es distinta en el caso de las reacciones nucleares, que ponen en juego cantidades de energía muchísimo mayores que las de las reacciones químicas.

La energía liberada en las trasformaciones nucleares puede cambiar la energía de los electrones presentes en los átomos y moléculas que forman las células, y también puede ionizarlos. En el segundo caso, la radiación se llama radiación ionizante y es más perjudicial para los seres vivos que la radiación que solamente promueve los electrones a niveles más altos de energía o que aumenta la energía de vibración, rotación o traslación de las moléculas (radiación no ionizante).

Al irradiar células, tejidos u organismos, las moléculas de agua son las que absorben la mayor parte de la energía, simplemente porque son las moléculas más abundantes en los seres vivos. Debido a esta preponderancia, se toma como valor de referencia para considerar la peligrosidad de una radiación a la energía necesaria para producir la ionización de las moléculas de agua. Este valor es 1216 kJ por mol de moléculas de agua. Tanto la radiación alfa, como la beta, la gamma, los rayos X y parte de la radiación UV pueden proporcionar esta energía y aún más. Se genera una gran cantidad de iones que supera con amplitud a la cantidad naturalmente presente en las células. Esta energía es transmitida luego a otras moléculas presentes en la célula, generando alteraciones y/o produciendo fragmentos moleculares altamente reactivos llamados radicales libres. Se trata de átomos o moléculas que contienen un electrón desapareado de una capa externa. Este electrón desapareado es la causa de la altísima reactividad de los radicales libres, que tienden a unirse con casi cualquier otro átomo o molécula cercano para aparear dicho electrón. Para tomar como ejemplo, podemos analizar los efectos que los radicales libres tienen en el ADN. El agua puede generar radicales libres, que son los que reaccionan con las macromoléculas, pero también la radiación puede actuar directamente sobre ellas (Gráfico 7.13).

En el caso del ADN, los daños generados son:

1. Cambio o pérdida de una base nitrogenada.
2. Ruptura de puentes de hidrógeno entre las dos cadenas.
3. Ruptura de enlaces covalentes dentro de cada cadena en una o ambas cadenas.
4. Ruptura de cadenas y formación de uniones covalentes entre los productos de ruptura.

Algunos de estos cambios pueden ser reparados por la maquinaria celular, mientras que otros no, quedando alterada así la información genética de la célula. El ADN en estos casos ha sufrido una mutación. El daño final o resultante dependerá de qué cambio haya quedado en el ADN y en qué tipo de células haya ocurrido. Por ejemplo, en un embrión, donde cada célula está comprometida en el destino de muchísimas más, el daño será importantísimo. En cambio, una lesión en el ADN de una célula de la piel de un adulto puede ser menos nociva en cuanto al compromiso de esa célula en la generación de otras. Pero el daño existe y la exposición a estas radiaciones puede provocar con el tiempo alteraciones celulares muy graves aun en el adulto, como es, por ejemplo, el cáncer de piel. Los tejidos más afectados por la radiación son los que muestran activa división celular, es decir, los que tienen su ADN en replicación, como los que forman los glóbulos rojos y los blancos.

En razón de estos mismos daños, la radiación se emplea para la destrucción de células enfermas en el tratamiento del cáncer por radioterapia. En estos casos, el tipo de radiación y su energía deben estar controlados estrictamente para atacar solo a las células cancerosas, que tienen un ritmo de división mucho mayor que el de otras células.

1. Luego de mirar el video, realice una lista de todas las actividades que aparecen allí y que son consideradas dañinas para la salud. ¿Cómo corregiría estos hábitos dañinos? ¿Qué aspectos positivos se pueden rescatar?
   E

   Audiovisual

   +

   Para completar la descripción histórica de la radiactividad natural y artificial, le recomendamos el siguiente video.

   <https://www.youtube.com/watch?v=l9xWvmApkkM> [Consulta: 8 de agosto 2017].


2. Explique qué tipo de emisión se esperaría de un elemento con número atómico 100. ¿Cómo se lograría bajar simultáneamente el número de protones y de neutrones? Justifique su respuesta. ¿Qué esperaría para los núcleos con una relación de protones a neutrones por debajo de la zona de estabilidad?

 

3. Plantee la ecuación nuclear que describe la desintegración del ²³⁸U a ²⁰⁶Pb; para ello, utilice la bibliografía. ¿Cuál es el isótopo más abundante del plomo y por qué se puede usar al isótopo de número másico 206 para el fechado de rocas?

 

4. 1. Para ejemplificar con valores numéricos las energías liberadas por cambios en la masa, establezca una comparación entre el valor que acompaña a la combustión de 1 mol de metano, CH₄, con un cambio en la masa de 9,9 x 10^-9 gramos, y el que acompaña a la desintegración de 1 mol de ²³⁸U con emisión alfa y que implica un cambio de masa de 4,6 x 10^-3 gramos.
   2. La masa del núcleo del átomo de helio con número másico 4 es de 4,0015 uma. Compare este valor con el resultado de sumar las masas de los dos protones y los dos neutrones que lo forman, utilizando los datos presentados en la Tabla 2.1.

    

   Tabla 2.1. Propiedades de las partículas subatómicas

   Partícula	Masa (uma)	Carga*	Posición
   Protón	1,0073	Positiva (+1)	Núcleo atómico
   Neutrón	1,0087	Nula (0)	Núcleo atómico
   Electrón	1/1836	Negativa (-1)	Alrededor del núcleo

   * Tomamos como unidad de carga la carga del protón.

 

5. Se estima que en un segundo 657 millones de toneladas de hidrógeno se transforman en 653 millones de toneladas de helio. ¿Cuánta energía se libera como consecuencia de la pérdida de masa?

 

6. 1. Complete las siguientes ecuaciones:
   • \(^{194}Os \to \text{ }..... +\text{ } e.\)
   • \(^{238}Pu \to \text{ }..... +\text{ } He\)
   • \(^{88}Nb \to \text{ }..... +\text{ } e\)
   • \(^{238}U \to \text{ }..... +\text{ } ^{234}Th\)
   • \(..... \to \text{ } ^{239}Th +\text{ } 1e\)
   2. Enuncie qué tipo de emisión se espera de los siguientes isótopos.
   • \(^{66}_{32}Ge\)
   • \(^{137}I\)
   • \(^{56}Fe\)
   • \(^{36}Cl\)
   3. Calcule el cambio de energía para la desintegración de radio:

   \(^{226}Ra \to \text{ }^{222}Rn +\text{ } ^4He,\)

   sabiendo que las masas son:

   \(m^{226} Ra = 225,977 ; m^{222} Rn = 221,970 ; m^4 He = 4,006 \)



7. Después de analizar el siguiente video, indique la utilidad de hacer más lenta una reacción en cadena.
   E

   Audiovisual

   +

   <https://www.youtube.com/watch?v=pA-aEYgmnq4>


8. Explique por qué los rayos gamma se utilizan para esterilizar jeringas descartables.