Transmutación y energía nuclear Tras el descubrimiento de la radiactividad, se creó el campo de la química nuclear, que se desarrolló rápidamente a principios del siglo XX. Una serie de nuevos descubrimientos en las décadas de 1930 y 1940, junto con la Segunda Guerra Mundial, se combinaron para dar paso a la Era Nuclear a mediados del siglo XX. Los científicos aprendieron a crear nuevas sustancias y se descubrió que ciertos isótopos de determinados elementos poseían la capacidad de producir cantidades de energía sin precedentes, con el potencial de causar enormes daños durante la guerra, así como de producir enormes cantidades de energía para las necesidades de la sociedad durante la paz. Síntesis de nucleidos La transmutación nuclear es la conversión de un nucleido en otro. Se produce por el decaimiento radiactivo de un núcleo o por la reacción de un núcleo con otra partícula. El primer núcleo artificial se produjo en el laboratorio de Ernest Rutherford en 1919 mediante una reacción de transmutación : el bombardeo de un tipo de núcleo con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas α de alta velocidad procedentes de un isótopo radiactivo natural de radio y observó los protones resultantes de la reacción: 7 14 N + 2 4 He ⟶ 8 17 O + 1 1 H Los núcleos 8 17 O y 1 1 H que se producen son estables, por lo que no ocurren más cambios (nucleares). Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para generar reacciones de transmutación, se utilizan dispositivos llamados aceleradores de partículas . Estos dispositivos utilizan campos magnéticos y eléctricos para aumentar la velocidad de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven en el vacío para no colisionar con las moléculas de gas. Cuando se necesitan neutrones para las reacciones de transmutación, se obtienen de reacciones de decaimiento radiactivo o de diversas reacciones nucleares que se producen en los reactores nucleares. El siguiente artículo de "La química en la vida cotidiana” trata de un famoso acelerador de partículas que fue noticia en todo el mundo. Acelerador de partículas del CERN El laboratorio del CERN ("Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", o Consejo Europeo de Investigación Nuclear), situado cerca de Ginebra, es el principal centro del mundo para la investigación de las partículas fundamentales que componen la materia. Contiene el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC), de 27 kilómetros (17 millas) de longitud y forma circular, el mayor acelerador de partículas del mundo ( ). En el LHC, las partículas se elevan a altas energías y luego se hacen colisionar entre sí o con objetivos estacionarios a casi la velocidad de la luz. Se utilizan electroimanes superconductores para producir un fuerte campo magnético que guía las partículas alrededor del anillo. Detectores especializados y construidos a propósito observan y registran los resultados de estas colisiones, que luego son analizados por los científicos del CERN mediante potentes computadoras. Se muestra una pequeña sección del LHC con trabajadores recorriéndolo (créditos: Christophe Delaere). En 2012, el CERN anunció que los experimentos del LHC mostraban las primeras observaciones del bosón de Higgs: una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa en las partículas fundamentales. Este esperado descubrimiento fue noticia en todo el mundo y dio lugar a la concesión del Premio Nobel de Física 2013 a François Englert y Peter Higgs, que habían predicho la existencia de esta partícula casi 50 años antes. El famoso físico Brian Cox habla de su trabajo en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN durante un recorrido entretenido y atractivo de este enorme proyecto y de la física que hay detrás. Vea un breve video del CERN en el que se describen los aspectos básicos del funcionamiento de sus aceleradores de partículas. Antes de 1940, el elemento más pesado conocido era el uranio, cuyo número atómico es 92. Ahora, se han sintetizado y aislado muchos elementos artificiales, entre ellos varios a tan gran escala que han tenido un profundo efecto en la sociedad. Uno de ellos [el elemento 93, el neptunio (Np)] fue fabricado por primera vez en 1940 por McMillan y Abelson al bombardear uranio-238 con neutrones. La reacción crea uranio-239 inestable, con una semivida de 23,5 minutos, que luego decae en neptunio-239. El neptunio-239 también es radiactivo, con una semivida de 2,36 días, y decae en plutonio-239. Las reacciones nucleares son: 92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U 92 239 U ⟶ 93 239 Np + -1 0 e semivida = 23,5 min 93 239 Np ⟶ 94 239 Pu + -1 0 e semivida = 2,36 días En la actualidad, el plutonio se forma principalmente en los reactores nucleares como subproducto durante la fisión del U-235. Durante este proceso de fisión se liberan neutrones adicionales (vea la siguiente sección), algunos de los cuales se combinan con núcleos de U-238 para formar uranio-239; este se somete a decaimiento β para formar neptunio-239, que a su vez se somete a decaimiento β para formar plutonio-239, como se ilustra en las tres ecuaciones anteriores. Estos procesos se resumen en la ecuación: 92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U → β – 93 239 Np → β – 94 239 Pu Los isótopos más pesados del plutonio (Pu-240, Pu-241 y Pu-242) también se producen cuando los núcleos más ligeros de plutonio capturan neutrones. Una parte de este plutonio altamente radiactivo se utiliza para fabricar armas militares; el resto representa un grave problema de almacenamiento porque tiene semividas de miles a cientos de miles de años. Aunque no se han preparado en la misma cantidad que el plutonio, se han producido muchos otros núcleos sintéticos. La medicina nuclear se ha desarrollado a partir de la capacidad de convertir átomos de un tipo en otros tipos de átomos. Actualmente se utilizan isótopos radiactivos de varias docenas de elementos para aplicaciones médicas. La radiación producida por su decaimiento se utiliza para obtener imágenes o tratar diversos órganos o partes del cuerpo, entre otros usos. Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se denominan elementos transuránicos . Al momento de redactar este artículo se han producido 22 elementos transuránicos, reconocidos oficialmente por la IUPAC). Otros elementos tienen reivindicaciones de formación que están a la espera de aprobación. Algunos de estos elementos se muestran en la . Preparación de algunos elementos transuránicos Nombre Símbolo Número atómico Reacción americio Am 95 94 239 Pu + 0 1 n ⟶ 95 240 Am + -1 0 e curio Cm 96 94 239 Pu + 2 4 He ⟶ 96 242 Cm + 0 1 n californio Cf 98 96 242 Cm + 2 4 He ⟶ 98 245 Cf + 0 1 n einstenio Es 99 92 238 U + 15 0 1 n ⟶ 99 253 Es + 7 -1 0 e mendelevio Md 101 99 253 Es + 2 4 He ⟶ 101 256 Md + 0 1 n nobelio No 102 96 246 Cm + 6 12 C ⟶ 102 254 No + 4 0 1 n rutherfordio Rf 104 98 249 Cf + 6 12 C ⟶ 104 257 Rf + 4 0 1 n seaborgio Sg 106 82 206 Pb + 24 54 Cr ⟶ 106 257 Sg + 3 0 1 n 98 249 Cf + 8 18 O ⟶ 106 263 Sg + 4 0 1 n meitnerio Mt 107 83 209 Bi + 26 58 Fe ⟶ 109 266 Mt + 0 1 n Fisión nuclear Muchos elementos más pesados con energías de enlace más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y energías de enlace más grandes por nucleón, es decir, números de masa y energías de enlace por nucleón que están más cerca del "pico" del gráfico de energía de enlace cerca de 56 (ver la ). A veces también se producen neutrones. Esta descomposición se denomina fisión , es decir, la ruptura de un núcleo grande en trozos más pequeños. La ruptura es más bien aleatoria con la formación de un gran número de productos diferentes. La fisión no se produce de forma natural, sino que se induce mediante el bombardeo con neutrones. La primera fisión nuclear de la que se tiene constancia se produjo en 1939, cuando tres científicos alemanes, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassman, bombardearon átomos de uranio-235 con neutrones de movimiento lento que dividieron los núcleos de U-238 en fragmentos más pequeños, formados por varios neutrones y elementos cercanos a la mitad de la tabla periódica. Desde entonces, se ha observado la fisión en muchos otros isótopos, incluso la mayoría de los isótopos de actínidos que tienen un número impar de neutrones. En la se observa una reacción de fisión nuclear. Cuando un neutrón lento choca con un núcleo fisionable de U-235, es absorbido y forma un núcleo inestable de U-236. A continuación, el núcleo de U-236 se rompe rápidamente en dos núcleos más pequeños (en este caso, Ba-141 y Kr-92) junto con varios neutrones (normalmente dos o tres), y libera una gran cantidad de energía. Entre los productos de la reacción de fisión de Meitner, Hahn y Strassman se encontraban el bario, el criptón, el lantano y el cerio, todos ellos con núcleos más estables que el uranio-235. Desde entonces, se han observado cientos de isótopos diferentes entre los productos de las sustancias fisionables. Algunas de las muchas reacciones que se producen para el U-235, y un gráfico que muestra la distribución de sus productos de fisión y sus rendimientos, se muestran en la . Se han observado reacciones de fisión similares con otros isótopos del uranio, así como con una variedad de otros isótopos como los del plutonio. (a) La fisión nuclear del U-235 produce una serie de productos de fisión. (b) Los productos de fisión más grandes del U-235 son típicamente un isótopo con un número de masa alrededor de 85 a 105, y otro isótopo con un número de masa que es aproximadamente un 50 % mayor, es decir, alrededor de 130 a 150. Vea este enlace que describe una simulación de la fisión nuclear. La fisión de elementos pesados produce una enorme cantidad de energía. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 sufre una fisión, los productos pesan unos 0,2 gramos menos que los reactivos; esta masa "perdida" se convierte en una cantidad muy grande de energía, unos 1,8 × 10 10 kJ por mol de U-235. Las reacciones de fisión nuclear producen ingentes cantidades de energía en comparación con las reacciones químicas. La fisión de 1 kilogramo de uranio-235, por ejemplo, produce aproximadamente 2,5 millones de veces más energía que la producida por la combustión de 1 kilogramo de carbón. Como se ha descrito anteriormente, al someterse a la fisión el U-235 produce dos núcleos "de tamaño medio" y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden provocar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proporcionan más neutrones que pueden provocar la fisión de aún más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una reacción en cadena (vea la ). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material en bruto sin interactuar con un núcleo, no se producirá ninguna reacción en cadena. La fisión de un núcleo grande, como el U-235, produce dos o tres neutrones, cada uno de los cuales es capaz de provocar la fisión de otro núcleo mediante las reacciones indicadas. Si este proceso continúa, se produce una reacción nuclear en cadena. Se dice que el material que puede mantener una reacción nuclear en cadena de fisión es fisionable o fisible . (Técnicamente, el material fisible puede sufrir fisión con neutrones de cualquier energía, mientras que el material fisible requiere neutrones de alta energía). La fisión nuclear se convierte en autosostenible cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o superior al número de neutrones absorbidos por los núcleos en división más el número que escapa a los alrededores. La cantidad de un material fisible que soportará una reacción en cadena autosostenida es una masa crítica . La cantidad de material fisible que no puede mantener una reacción en cadena es una masa subcrítica . La cantidad de material en la que hay una tasa de fisión creciente se conoce como masa supercrítica . La masa crítica depende del tipo de material: su pureza, la temperatura, la forma de la muestra y cómo se controlan las reacciones neutrónicas ( ). (a) En la masa subcrítica, el material fisionable es demasiado pequeño y deja escapar demasiados neutrones del material, por lo que no se produce una reacción en cadena. (b) En la masa crítica, un número suficientemente grande de neutrones en el material fisionable induce la fisión para crear una reacción en cadena. Una bomba atómica ( ) contiene varios kilos de material fisible, 92 235 U o 94 239 Pu , una fuente de neutrones, y un dispositivo explosivo para comprimirla rápidamente en un pequeño volumen. Cuando el material fisible está en trozos pequeños, la proporción de neutrones que escapan a través de la superficie relativamente grande es grande, y no se produce ninguna reacción en cadena. Cuando los pequeños trozos de material fisible se juntan rápidamente para formar un cuerpo con una masa mayor que la masa crítica, el número relativo de neutrones que escapan disminuye, y se produce una reacción en cadena y una explosión. (a) La bomba de fisión nuclear que destruyó Hiroshima el 6 de agosto de 1945, consistía en dos masas subcríticas de U-235, en las que se utilizaron explosivos convencionales para disparar una de las masas subcríticas dentro de la otra, creando la masa crítica para la explosión nuclear. (b) La bomba de plutonio que destruyó Nagasaki el 9 de agosto de 1945, consistía en una esfera hueca de plutonio que fue rápidamente comprimida por explosivos convencionales. Esto condujo a una concentración de plutonio en el centro que era mayor que la masa crítica necesaria para la explosión nuclear. Reactores de fisión Las reacciones en cadena de materiales fisibles pueden controlarse y sostenerse sin ninguna explosión en un reactor nuclear ( ). Todo reactor nuclear que produzca energía mediante la fisión de uranio o plutonio por bombardeo de neutrones deberá tener al menos cinco componentes: combustible nuclear formado por material fisionable, un moderador nuclear, refrigerante del reactor, varillas de control y un sistema de blindaje y contención. Más adelante hablaremos de estos componentes con más detalle. El reactor funciona al separar el material nuclear fisible de forma que no se pueda formar una masa crítica, controlando tanto el flujo como la absorción de neutrones para permitir el cierre de las reacciones de fisión. En un reactor nuclear utilizado para la producción de electricidad, la energía liberada por las reacciones de fisión queda atrapada como energía térmica y se utiliza para hervir agua y producir vapor. El vapor se utiliza para hacer girar una turbina, que acciona un generador para la producción de electricidad. (a) La central nuclear Diablo Canyon, cerca de San Luis Obispo, es la única que funciona actualmente en California. Las cúpulas son las estructuras de contención de los reactores nucleares, y el edificio marrón alberga la turbina donde se genera la electricidad. El agua del mar se utiliza para la refrigeración. (b) Diablo Canyon utiliza un reactor de agua presurizada: uno de los pocos diseños de reactores de fisión que se utilizan en todo el mundo, para producir electricidad. La energía de las reacciones de fisión nuclear en el núcleo calienta el agua en un sistema cerrado y presurizado. El calor de este sistema produce vapor que acciona una turbina, que a su vez produce electricidad (créditos: a: modificación del trabajo de "Mike" Michael L. Baird; b: modificación del trabajo de la Comisión Reguladora Nuclear). Combustibles nucleares El combustible nuclear consiste en un isótopo fisible, como el uranio-235, que deberá estar presente en cantidad suficiente para proporcionar una reacción en cadena autosostenible. En los Estados Unidos, los minerales de uranio contienen entre un 0,05 y un 0,3 % del óxido de uranio U 3 O 8 ; el uranio del mineral es aproximadamente un 99,3 % de U-238 no fisible y solo un 0,7 % de U-235 fisible. Los reactores nucleares requieren un combustible con una concentración de U-235 superior a la que se encuentra en la naturaleza; normalmente se enriquece para que tenga alrededor del 5 % de la masa de uranio como U-235. Con esta concentración, no es posible alcanzar la masa supercrítica necesaria para una explosión nuclear. El uranio puede enriquecerse por difusión gaseosa (el único método que se utiliza actualmente en los EE. UU.), mediante una centrifugadora de gas o por separación láser. En la planta de enriquecimiento por difusión gaseosa donde se prepara el combustible U-235, el gas UF 6 (hexafluoruro de uranio) a baja presión se mueve a través de barreras que tienen agujeros apenas lo suficientemente grandes para que el UF 6 pase. Las moléculas de 235 UF 6 , un poco más ligeras, se difunden a través de la barrera con mayor rapidez que las moléculas de 238 UF 6 , más pesadas. Este proceso se repite a través de cientos de barreras, aumentando gradualmente la concentración de 235 UF 6 hasta el nivel que necesita el reactor nuclear. La base de este proceso, la ley de Graham, se describe en el capítulo sobre los gases. El gas UF 6 enriquecido se recoge, se enfría hasta que se solidifica y se lleva a una instalación de fabricación donde se convierte en elementos combustibles. Cada elemento combustible está formado por varillas de combustible que contienen muchos gránulos de combustible de uranio enriquecido (normalmente UO 2 ) del tamaño de un dedal. Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de gránulos de combustible. La cantidad de energía de cada uno de estos gránulos equivale a la de casi una tonelada de carbón o 150 galones de petróleo. Moderadores nucleares Los neutrones que producen las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para provocar la fisión (vea la ). Primero deberán frenarse para que los absorba el combustible y así producir reacciones nucleares adicionales. El moderador nuclear es una sustancia que ralentiza los neutrones hasta una velocidad lo suficientemente baja como para provocar la fisión. Los primeros reactores utilizaban grafito de gran pureza como moderador. Los reactores modernos de los EE. UU. utilizan exclusivamente agua pesada ( 1 2 H 2 O ) o agua ligera (H 2 O ordinario), mientras que algunos reactores de otros países utilizan otros materiales, como dióxido de carbono, berilio o grafito. Refrigerantes del reactor El refrigerante del reactor nuclear se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera y una turbina externas, donde se transforma en electricidad. A menudo se utilizan dos bucles de refrigerante superpuestos; esto contrarresta la transferencia de radiactividad del reactor al bucle de refrigerante primario. Todas las centrales nucleares de los EE. UU. utilizan agua como refrigerante. Otros refrigerantes son el sodio fundido, el plomo, una mezcla de plomo y bismuto o las sales fundidas. Varillas de control Los reactores nucleares utilizan varillas de control ( ) para controlar la tasa de fisión del combustible nuclear al ajustar el número de neutrones lentos presentes para mantener la tasa de la reacción en cadena en un nivel seguro. Las varillas de control están hechas de boro, cadmio, hafnio u otros elementos capaces de absorber neutrones. El boro-10, por ejemplo, absorbe neutrones mediante una reacción que produce litio-7 y partículas alfa: 5 10 B + 0 1 n ⟶ 3 7 Li + 2 4 He Cuando los conjuntos de varillas de control se insertan en el elemento de combustible del núcleo del reactor, absorben una mayor fracción de los neutrones lentos, con lo que se ralentiza el ritmo de la reacción de fisión y se reduce la potencia producida. Por el contrario, si se retiran las varillas de control, se absorben menos neutrones y aumentan la tasa de fisión y la producción de energía. En caso de emergencia, la reacción en cadena se corta al introducir completamente todas las varillas de control en el núcleo nuclear entre las varillas de combustible. El núcleo del reactor nuclear mostrado en (a) contiene el ensamblaje de varillas de combustible y varillas de control que se muestra en (b) (créditos: modificación del trabajo de E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod). Sistema de blindaje y contención Un reactor nuclear en funcionamiento genera neutrones y otras radiaciones. Incluso cuando está apagado, los productos de decaimiento son radiactivos. Además, un reactor en funcionamiento está térmicamente muy caliente, y las altas presiones resultan de la circulación de agua u otro refrigerante a través de este. Por lo tanto, el reactor deberá soportar altas temperaturas y presiones, así como proteger a los operarios de la radiación. Los reactores están equipados con un sistema de contención (o escudo) que consta de tres partes: El recipiente del reactor, una carcasa de acero de entre 3 y 20 centímetros de espesor que, junto con el moderador, absorbe gran parte de la radiación producida por el reactor. Un escudo principal de 1 a 3 metros de hormigón de alta densidad. Un escudo para el personal, hecho de un material más ligero, que protege a los operarios de los rayos γ, así como de los rayos X. Además, los reactores suelen estar cubiertos por una cúpula de acero u hormigón, diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda liberarse por un accidente del reactor. Haga clic aquí para ver un video de 3 minutos del Instituto de Energía Nuclear sobre el funcionamiento de los reactores nucleares. Las centrales nucleares están diseñadas de tal manera que no puedan formar ninguna masa supercrítica de material fisionable y, por ende, no puedan crear ninguna explosión nuclear. No obstante, como lo ha demostrado la historia, las fallas en los sistemas y las salvaguardias pueden provocar accidentes catastróficos, como explosiones químicas y fusiones nucleares (daños en el núcleo del reactor por recalentamiento). El siguiente artículo de “La química en la vida cotidiana” explora tres incidentes infames de fusión. Accidentes nucleares La importancia de la refrigeración y la contención se pone de manifiesto en los tres grandes accidentes ocurridos con los reactores de las centrales nucleares de los Estados Unidos (Three Mile Island), la antigua Unión Soviética (Chernóbil) y Japón (Fukushima). En marzo de 1979, el sistema de refrigeración del reactor de la Unidad 2 de la central nuclear de Three Mile Island, en Pensilvania, falló y el agua de refrigeración se derramó del reactor al suelo del edificio de contención. Después de que las bombas se detuvieran, los reactores se recalentaron debido al elevado calor de decaimiento radiactivo producido en los primeros días después de la parada del reactor nuclear. La temperatura del núcleo subió hasta al menos 2200 °C, y la parte superior comenzó a derretirse. Además, el revestimiento de aleación de circonio de las varillas de combustible comenzó a reaccionar con el vapor y produjo hidrógeno: Zr ( s ) + 2H 2 O ( g ) ⟶ ZrO 2 ( s ) + 2H 2 ( g ) El hidrógeno se acumuló en el edificio de confinamiento y se temió que hubiera peligro de explosión de la mezcla de hidrógeno y aire en el edificio. En consecuencia, se expulsó del edificio gas hidrógeno y gases radiactivos (principalmente criptón y xenón). En una semana se restableció la circulación del agua de refrigeración y el núcleo comenzó a enfriarse. La planta estuvo cerrada durante casi 10 años durante el proceso de limpieza. Aunque el vertido cero de material radiactivo es deseable, el vertido de criptón y xenón radiactivos, como ocurrió en la central de Three Mile Island, es uno de los más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y, por ende, no producen zonas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no se incorporan a la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberó al medio ambiente, y no fue necesaria la limpieza de la zona fuera del edificio de contención ( ). (a) En esta foto de 2010 de Three Mile Island, se ven a la izquierda las estructuras restantes del reactor dañado de la Unidad 2, mientras que el reactor separado de la Unidad 1, que no resultó afectado en el accidente, sigue generando energía hasta el día de hoy (derecha). (b) El presidente Jimmy Carter visitó la sala de control de la Unidad 2 unos días después del accidente en 1979. Otro gran accidente nuclear en el que se vio implicado un reactor ocurrió en abril de 1986, en la central nuclear de Chernóbil, en Ucrania, que aún formaba parte de la antigua Unión Soviética. Mientras funcionaba a baja potencia durante un experimento no autorizado con algunos de sus dispositivos de seguridad apagados, uno de los reactores de la central se desestabilizó. La reacción en cadena se volvió incontrolable y aumentó hasta un nivel muy superior al que el reactor estaba diseñado. La presión del vapor en el reactor se elevó entre 100 y 500 veces la presión de plena potencia y rompió el reactor. Debido a que el reactor no estaba encerrado en un edificio de contención, se expulsó una gran cantidad de material radiactivo. Adicionalmente, se liberaron más productos de fisión, ya que el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y ardió. El incendio fue controlado, pero más de 200 trabajadores de la planta y bomberos experimentaron una enfermedad aguda por radiación y al menos 32 murieron pronto por los efectos de la radiación. Se prevé que se produzcan unas 4.000 muertes más entre los trabajadores de emergencias y los antiguos residentes de Chernóbil por cáncer y leucemia inducidos por la radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón: una estructura ahora en ruinas, conocida como el sarcófago. Casi 30 años después, aún persisten importantes problemas de radiación en la zona, y Chernóbil sigue siendo en gran medida un terreno baldío. En 2011, un terremoto de 9,0 grados de magnitud y el consiguiente tsunami dañaron ostensiblemente la central nuclear de Fukushima Daiichi, en Japón. Los tres reactores que estaban en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente, y los generadores de emergencia entraron en funcionamiento para alimentar los sistemas electrónicos y de refrigeración. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la alimentación de las bombas que hacían circular el agua de refrigeración a través de los reactores. El vapor a alta temperatura de los reactores reaccionó con la aleación de circonio para producir gas hidrógeno. El gas se escapó al edificio de contención y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. Se liberó material radiactivo de los recipientes de contención como resultado de la ventilación deliberada para reducir la presión del hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante en el mar y eventos accidentales o descontrolados. Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendía a más de 12,4 millas de distancia, y se estima que 200.000 personas fueron evacuadas de la zona. Las 48 centrales nucleares de Japón se cerraron posteriormente, y permanecían cerradas en diciembre de 2014. Desde la catástrofe, la opinión pública ha pasado de estar mayoritariamente a favor a estar mayoritariamente en contra de aumentar el uso de las centrales nucleares, mientras que la reanudación del programa de energía atómica de Japón sigue estancada ( ). (a) Tras el accidente, hubo que retirar los residuos contaminados, y (b) se estableció una zona de evacuación alrededor de la central en las zonas que recibieron fuertes dosis de lluvia radiactiva (créditos a: modificación del trabajo de "Live Action Hero"/Flickr). La energía que genera un reactor alimentado con uranio enriquecido es el resultado de la fisión del uranio, así como de la fisión del plutonio que se produce durante el funcionamiento del reactor. Como se ha comentado anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de neutrones y el uranio del combustible. En cualquier reactor nuclear, apenas el 0,1 % de la masa del combustible se convierte en energía. El otro 99,9 % permanece en las varillas de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben neutrones y, tras un periodo que se prolonga desde varios meses hasta varios años, según el reactor, los productos de fisión deberán eliminarse al cambiar las varillas de combustible. De lo contrario, la concentración de estos productos de fisión aumentaría y absorbería más neutrones hasta que el reactor no pudiera seguir funcionando. Las varillas de combustible gastadas contienen una variedad de productos, que consisten en núcleos inestables cuyo número atómico oscila entre 25 y 60, algunos elementos transuránicos, incluidos el plutonio y el americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos transuránicos confieren al combustible gastado un nivel de radiactividad peligrosamente alto. Los isótopos de larga vida necesitan miles de años para decaer hasta un nivel seguro. El destino final del reactor nuclear como fuente importante de energía en los Estados Unidos depende probablemente de que se pueda desarrollar una técnica política y científicamente satisfactoria para procesar y almacenar los elementos de las varillas de combustible gastado. Explore la información en este enlace para conocer los enfoques de la gestión de los residuos nucleares. Fusión nuclear y reactores de fusión El proceso de conversión de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también va acompañado de la conversión de masa en grandes cantidades de energía. Dicho proceso recibe el nombre de fusión . La principal fuente de energía del sol es una reacción de fusión neta en la que cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan y producen un núcleo de helio y dos positrones. Se trata de una reacción neta de una serie de acontecimientos más complicados: 4 1 1 H ⟶ 2 4 He + 2 +1 0 e + Un núcleo de helio tiene una masa que es un 0,7 % menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce alrededor de 3,6 × 10 11 kJ de energía por mol de 2 4 He producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1,8 × 10 10 kJ), y más de 3 millones de veces mayor que la energía producida por la combustión (química) de un mol de octano (5471 kJ). Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados del hidrógeno, un deuterón, 1 2 H y un tritón, 1 3 H , se fusionan a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón: 1 2 H + 1 3 H ⟶ 2 4 He + 0 1 n Este cambio procede con una pérdida de masa de 0,0188 u, que corresponde a la liberación de 1,69 × 10 9 kilojulios por mol de 2 4 He formado. La altísima temperatura es necesaria para que los núcleos tengan la suficiente energía cinética para superar las fortísimas fuerzas de repulsión resultantes de las cargas positivas de sus núcleos y puedan colisionar. Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy elevadas para su iniciación: unos 15.000.000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos y estos se ionizan, formando el plasma. Estas condiciones se dan en un número extremadamente grande de lugares en todo el universo: las estrellas se alimentan de la fusión. Los seres humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a gran escala en las armas termonucleares. Un arma termonuclear, como una bomba de hidrógeno, contiene una bomba de fisión nuclear que, al explotar, desprende suficiente energía para producir las altísimas temperaturas necesarias para que se produzca la fusión. Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión , un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos ligeros. Dado que ningún material sólido es estable a tan altas temperaturas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que se producen las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener el plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente objeto de intensos esfuerzos de investigación: la contención mediante un campo magnético y el uso de rayos láser enfocados ( ). Varios proyectos de gran envergadura trabajan para alcanzar uno de los mayores objetivos de la ciencia: conseguir que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la suministrada para alcanzar las altísimas temperaturas y presiones que se requieren para la fusión. Al momento de redactar este artículo, no hay reactores de fusión autosostenibles en funcionamiento en el mundo, aunque se han llevado a cabo reacciones de fusión controladas a pequeña escala durante periodos muy breves. (a) Este modelo es del reactor experimental termonuclear internacional (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). El ITER, que se construye en el sur de Francia y cuya finalización está prevista para 2027, será el mayor reactor experimental de fusión nuclear Tokamak en el mundo, con el objetivo de lograr una producción de energía sostenida a gran escala. (b) En 2012, la Planta Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo brevemente más de 500.000.000.000 de vatios (500 teravatios, o 500 TW) de potencia máxima y suministró 1.850.000 julios (1,85 MJ) de energía, la mayor energía láser jamás producida y 1.000 veces el uso de energía de todos los Estados Unidos en un momento dado. Aunque solo duran unas mil millonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para la ignición de la fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo antes del disparo láser (créditos a: modificación del trabajo de Stephan Mosel). Conceptos clave y resumen Es posible producir nuevos átomos con el bombardeo de otros átomos con núcleos o partículas de alta velocidad. Los productos de estas reacciones de transmutación pueden ser estables o radiactivos. Se han producido de este modo varios elementos artificiales, como el tecnecio, la astatina y los elementos transuránicos. La energía nuclear, así como las detonaciones de armas nucleares, pueden generarse mediante la fisión (reacciones en las que un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros y varios neutrones). Dado que los neutrones inducen reacciones de fisión adicionales al combinarse con otros núcleos pesados, se produciría una reacción en cadena. La energía útil se obtiene si el proceso de fisión se lleva a cabo en un reactor nuclear. La conversión de núcleos ligeros en núcleos más pesados (fusión) también genera energía. En la actualidad, esta energía no se ha contenido adecuadamente y es demasiado cara como para ser viable para la producción de energía comercial. Ejercicios de química del final del capítulo Escriba la ecuación nuclear balanceada para la producción de los siguientes elementos transuránicos: (a) el berkelio-244, formado por la reacción de Am-241 y He-4 (b) el fermio-254, formado por la reacción del Pu-239 con un gran número de neutrones (c) el laurencio-257, formado por la reacción de Cf-250 y B-11 (d) el dubnio-260, formado por la reacción de Cf-249 y N-15 (a) 95 241 Am + 2 4 He ⟶ 97 244 Bk + 0 1 n ; (b) 94 239 Pu + 15 0 1 n ⟶ 100 254 Fm + 6 -1 0 e ; (c) 98 250 Cf + 5 11 B ⟶ 103 257 Lr + 4 0 1 n ; (d) 98 249 Cf + 7 15 N ⟶ 105 260 Db + 4 0 1 n ¿En qué se diferencia la fisión nuclear de la fusión nuclear? ¿Por qué ambos procesos son exotérmicos? Tanto la fusión como la fisión son reacciones nucleares. ¿Por qué se requiere una temperatura muy alta para la fusión, pero no para la fisión? Dos núcleos deberán colisionar para que se produzca la fusión. Se necesitan altas temperaturas para que los núcleos tengan la suficiente energía cinética para superar la fuerte repulsión resultante de sus cargas positivas. Cite las condiciones necesarias para que se produzca una reacción nuclear en cadena. Explique cómo se puede controlar para generar energía, pero no para desencadenar una explosión. Describa los componentes de un reactor nuclear. El reactor nuclear consta de los siguientes elementos: Un combustible nuclear. Un isótopo fisionable deberá estar presente en cantidades suficientes para mantener una reacción en cadena controlada. El isótopo radiactivo está contenido en tubos llamados varillas de combustible. Un moderador. El moderador ralentiza los neutrones que producen las reacciones nucleares para que los absorba el combustible y causar más reacciones nucleares. Un refrigerante. El refrigerante transporta el calor de la reacción de fisión a una caldera y una turbina externas, donde se transforma en electricidad Un sistema de control. El sistema de control consiste en varillas de control, colocadas entre las varillas de combustible para absorber neutrones, y se utiliza para ajustar el número de neutrones y mantener la velocidad de la reacción en cadena en un nivel seguro. Un sistema de blindaje y contención. La función de este componente es proteger a los operarios de las radiaciones que emiten las reacciones nucleares y soportar las fuertes presiones resultantes de estas reacciones a alta temperatura. En la práctica habitual, tanto el moderador como las varillas de control son necesarios para hacer funcionar una reacción nuclear en cadena de forma segura con el fin de generar energía. Cite la función de cada uno y explique por qué ambos son necesarios. Describa cómo la energía potencial del uranio se convierte en energía eléctrica en una central nuclear. La fisión del uranio genera calor, que se transporta a un generador de vapor externo (caldera). El vapor resultante hace girar una turbina que acciona un generador eléctrico. La masa de un átomo de hidrógeno ( 1 1 H ) es de 1,007825 u; el de un átomo de tritio ( 1 3 H ) es de 3,01605 u; y el de una partícula α es de 4,00150 u. ¿Cuánta energía en kilojulios por mol de 2 4 He producido se libera en la siguiente reacción de fusión: 1 1 H + 1 3 H ⟶ 2 4 He ? reacción en cadena fisión repetida que se produce cuando los neutrones liberados en la fisión bombardean otros átomos sistema de contención (también llamado escudo) estructura de materiales en tres partes que protege el exterior de un reactor de fisión nuclear y a los operarios de las altas temperaturas, presiones y niveles de radiación dentro del reactor varilla de control material insertado en el ensamblaje de varillas de combustible que absorbe los neutrones y que puede subir o bajar para ajustar la velocidad de una reacción de fisión masa crítica cantidad de material fisionable que soportará una reacción en cadena autosostenida (fisión nuclear) fisionable (o fisible) capacidad de un material de mantener una reacción de fisión nuclear fisión división de un núcleo más pesado en dos o más núcleos más ligeros, generalmente acompañada de la conversión de masa en grandes cantidades de energía fusión combinación de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados, acompañada de la conversión de masa en grandes cantidades de energía reactor de fusión reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de los núcleos ligeros combustible nuclear isótopo fisible que está presente en cantidades suficientes para proporcionar una reacción en cadena autosostenida en un reactor nuclear moderador nuclear sustancia que frena los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para provocar la fisión reactor nuclear entorno que produce energía a través de la fisión nuclear en el que la reacción en cadena se controla y sostiene sin explosión transmutación nuclear conversión de un nucleido en otro nucleido acelerador de partículas dispositivo que utiliza campos eléctricos y magnéticos para aumentar la energía cinética de los núcleos utilizados en las reacciones de transmutación refrigerante del reactor conjunto utilizado para transportar el calor producido por la fisión en un reactor a una caldera y una turbina externas donde se transforma en electricidad masa subcrítica cantidad de material fisionable, incapaz de soportar una reacción en cadena; menos de una masa crítica masa supercrítica cantidad de material en el que hay una tasa creciente de fisión reacción de transmutación bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o neutrones elemento transuránico elemento con un número atómico superior a 92; estos elementos no se dan en la naturaleza

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Usos de los radioisótopos Los isótopos radiactivos tienen las mismas propiedades químicas que los isótopos estables del mismo elemento, pero emiten radiaciones que pueden detectarse. Si sustituimos uno o más átomos por radioisótopos en un compuesto, podemos rastrearlos por sus emisiones radiactivas. Este tipo de compuesto se denomina trazador radiactivo (o etiqueta radiactiva ). Los radioisótopos se utilizan para seguir las rutas de las reacciones bioquímicas o para determinar la distribución de una sustancia en un organismo. Asimismo, los trazadores radiactivos se utilizan en muchas aplicaciones médicas, tanto en el diagnóstico como en el tratamiento. Se emplean para medir el desgaste de los motores, analizar la formación geológica alrededor de los pozos de petróleo y mucho más. Los radioinmunoensayos (RIA), por ejemplo, se basan en radioisótopos para detectar la presencia o la concentración de determinados antígenos. Esta técnica, desarrollada por Rosalyn Sussman Yalow y Solomon Berson en la década de 1950, es conocida por su extrema sensibilidad, lo que significa que puede detectar y medir cantidades muy pequeñas de una sustancia. Antes de su descubrimiento, la mayoría de las detecciones similares se basaban en cantidades suficientemente grandes para producir resultados visibles. Los RIA revolucionaron y ampliaron campos enteros de estudio, sobre todo la endocrinología, y se utilizan habitualmente en la detección de narcóticos, la detección en bancos de sangre, la detección precoz del cáncer, la medición de hormonas y el diagnóstico de alergias. Gracias a su importante contribución a la medicina, Yalow recibió el Premio Nobel, lo que la convirtió en la segunda mujer galardonada con este premio en el área de medicina. Los radioisótopos han revolucionado la práctica médica (vea el Apéndice M ), donde se utilizan ampliamente. En los Estados Unidos se realizan anualmente más de 10 millones de procedimientos y más de 100 millones de pruebas de medicina nuclear. Cuatro ejemplos típicos de trazadores radiactivos utilizados en medicina son el tecnecio-99 ( 43 99 Tc ) , el talio-201 ( 81 201 Tl ) , el yodo-131 ( 53 131 I ) y el sodio-24 ( 11 24 Na ) . Los tejidos dañados del corazón, del hígado y de los pulmones absorben preferentemente ciertos compuestos de tecnecio-99. Tras su inyección, la localización del compuesto de tecnecio, y por tanto del tejido dañado, se determina con la detección de los rayos γ emitidos por el isótopo Tc-99. El talio-201 ( ) se concentra en el tejido cardíaco sano, por lo que los dos isótopos, Tc-99 y Tl-201, se utilizan juntos para estudiar el tejido cardíaco. El yodo-131 se concentra en la glándula tiroides, el hígado y algunas partes del cerebro. Por consiguiente, se utiliza para controlar el bocio y tratar las afecciones tiroideas, como la enfermedad de Grave, así como los tumores hepáticos y cerebrales. Las soluciones salinas que contienen compuestos de sodio-24 se inyectan en el torrente sanguíneo para localizar las obstrucciones del flujo sanguíneo. La administración de talio-201 a un paciente y la posterior realización de la prueba de esfuerzo ofrecen a los profesionales médicos la oportunidad de analizar visualmente la función del corazón y el flujo sanguíneo (créditos: modificación de la obra de "Blue0ctane"/Wikimedia Commons). Los radioisótopos utilizados en medicina tienen semividas cortas; por ejemplo, el omnipresente Tc-99m tiene una semivida de 6,01 horas. Esto hace que el Tc-99m sea esencialmente imposible de almacenar y prohibitivamente caro de transportar, por lo que se fabrica in situ. Los hospitales y otras instalaciones médicas utilizan el Mo-99 (que se extrae principalmente de los productos de fisión del U-235) para generar Tc-99. El Mo-99 sufre un decaimiento β con una semivida de 66 horas, y el Tc-99 se extrae entonces químicamente ( ). El nucleido padre Mo-99 forma parte de un ion de molibdato, MoO 4 2− ; cuando decae, forma el ion de pertecnetato, TcO 4 – . Estos dos iones solubles en agua se separan por cromatografía en columna, en la que el ion de molibdato de mayor carga se adsorbe en la alúmina de la columna, y el ion de pertecnetato de menor carga pasa por la columna en la solución. Unos cuantos microgramos de Mo-99 producen suficiente Tc-99 para realizar hasta 10.000 pruebas. (a) El primer generador de Tc-99m (alrededor de 1958) se utiliza para separar el Tc-99 del Mo-99. El MoO 4 2− se retiene por la matriz en la columna, mientras que el TcO 4 – pasa y se recoge. (b) En esta exploración del cuello de un paciente con enfermedad de Grave se utilizó Tc-99. El escáner muestra la localización de altas concentraciones de Tc-99 (créditos: a: modificación del trabajo del Departamento de Energía; b: modificación del trabajo de "MBq"/Wikimedia Commons). Los radioisótopos también se utilizan como tratamiento, normalmente en dosis más altas que como trazador. La radioterapia es el uso de radiación potente para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o impide que se dividan ( ). Un paciente con cáncer puede recibir radioterapia de haz externo administrada por una máquina fuera del cuerpo, o radioterapia interna (braquiterapia) a partir de una sustancia radiactiva que se introduce en el organismo. Tenga en cuenta que la quimioterapia es semejante a la radioterapia interna en el sentido de que el tratamiento oncológico se inyecta en el organismo, pero difiere en que la quimioterapia utiliza sustancias químicas en lugar de radiactivas para eliminar las células cancerosas. La viñeta en (a) muestra una máquina de cobalto-60 que se utiliza en el tratamiento oncológico. El diagrama en (b) muestra cómo el pórtico de la máquina de Co-60 gira a través de un arco, para enfocar la radiación en la región objetivo (tumor) y minimizar la cantidad de radiación que pasa por las zonas cercanas. El cobalto-60 es un radioisótopo sintético que se produce por la activación neutrónica del Co-59, que luego sufre un decaimiento β para formar Ni-60, junto con la emisión de radiación γ. El proceso general es: 27 59 Co + 0 1 n ⟶ 27 60 Co ⟶ 28 60 Ni + -1 0 β + 2 0 0 γ El esquema general de decaimiento de esto se muestra gráficamente en la . El Co-60 sufre una serie de decaimientos radiactivos. Las emisiones γ se utilizan en la radioterapia. Los radioisótopos se utilizan de diversas maneras para estudiar los mecanismos de las reacciones químicas en plantas y animales. Entre ellos se encuentran el etiquetado de los fertilizantes en los estudios sobre la absorción de nutrientes por parte de las plantas y el crecimiento de los cultivos, las investigaciones sobre los procesos digestivos y de producción de leche en las vacas, y los estudios sobre el crecimiento y el metabolismo de los animales y de las plantas. Por ejemplo, el radioisótopo C-14 se utilizó para dilucidar los detalles de la fotosíntesis. La reacción general es: 6CO 2 ( g ) + 6H 2 O ( l ) ⟶ C 6 H 12 O 6 ( s ) + 6O 2 ( g ) , pero el proceso es mucho más complejo, ya que pasa por una serie de pasos en los que se producen diversos compuestos orgánicos. En los estudios sobre la vía de esta reacción, las plantas fueron expuestas a CO 2 con alta concentración de 6 14 C . A intervalos regulares se analizaron las plantas para determinar qué compuestos orgánicos contenían carbono-14 y qué cantidad de cada compuesto estaba presente. A partir de la secuencia temporal en la que aparecieron los compuestos y la cantidad de cada uno de estos en determinados intervalos, los científicos aprendieron más sobre la vía de la reacción. Las aplicaciones comerciales de los materiales radiactivos son igualmente diversas ( ). Entre estas se encuentra la determinación del grosor de las películas y de las láminas metálicas delgadas aprovechando el poder de penetración de variados tipos de radiación. Los defectos en los metales que se emplean con fines estructurales se detectan con potentes rayos gama, provenientes del cobalto 60, parecido a la forma en que se utilizan los rayos X para examinar el cuerpo humano. En una forma de control de plagas, las moscas se controlan esterilizando a los machos con radiación γ para que las hembras que se reproduzcan con ellos no produzcan descendencia. Muchos alimentos se conservan mediante radiaciones que matan los microorganismos causantes de la descomposición de los alimentos. Entre los usos comerciales habituales de la radiación se encuentran: (a) la inspección por rayos X del equipaje en los aeropuertos y (b) la conservación de alimentos (créditos a: modificación de un trabajo del Departamento de Marina; créditos b: modificación de un trabajo del Departamento de Agricultura de EE. UU.). El americio-241, un emisor α con semivida de 458 años, se utiliza en cantidades ínfimas en los detectores de humo de tipo ionizante ( ). Las emisiones α de Am-241 ionizan el aire entre dos placas de electrodos en la cámara de ionización. Una batería suministra un potencial que provoca el movimiento de los iones, para generar una pequeña corriente eléctrica. Cuando el humo entra en la cámara, se impide el movimiento de los iones, lo que reduce la conductividad del aire. Esto provoca una caída ostensible en la corriente y acciona una alarma. Dentro de un detector de humo, el Am-241 emite partículas α que ionizan el aire, para generar una pequeña corriente eléctrica. Durante un incendio, las partículas de humo impiden el flujo de iones, lo que reduce la corriente y se activa la alarma (créditos a: modificación del trabajo de "Muffet"/Wikimedia Commons). Conceptos clave y resumen Los compuestos conocidos como trazadores radiactivos se emplean para seguir reacciones, rastrear la distribución de una sustancia, diagnosticar y tratar enfermedades y mucho más. Otras sustancias radiactivas sirven para controlar las plagas, visualizar las estructuras, proporcionar avisos de incendio y en infinidad de aplicaciones. En los Estados Unidos se realizan cada año cientos de millones de pruebas y procedimientos de medicina nuclear con una gran variedad de radioisótopos de semividas relativamente cortas. La mayoría de estos radioisótopos tienen semividas relativamente cortas; algunas son lo suficientemente cortas como para que el radioisótopo tenga que fabricarse in situ en las instalaciones médicas. La radioterapia consiste en radiación de alta energía para eliminar las células cancerosas al dañar su ADN. La radiación para este tratamiento se administra de forma externa o interna. Ejercicios de química del final del capítulo ¿Cómo se utiliza un nucleido radiactivo para demostrar que el equilibrio: AgCl ( s ) ⇌ Ag + ( a q ) + Cl – ( a q ) es dinámico? La introducción de Ag + o Cl - radiactivo en la solución que contiene la reacción indicada, con el consiguiente tiempo de equilibrio, producirá un precipitado radiactivo, inicialmente desprovisto de radiación. El tecnecio-99m tiene una semivida de 6,01 horas. Si es seguro que un paciente al que se le inyecta tecnecio-99m salga del hospital una vez que el 75 % de la dosis decae, ¿cuándo se le permite salir? El yodo que penetra en el organismo se almacena en la glándula tiroidea, desde donde se libera para controlar el crecimiento y el metabolismo. La tiroides se visualiza si se inyecta yodo-131 en el organismo. En dosis mayores, el I-133 también se utiliza para tratar el cáncer de tiroides. El I-131 tiene una semivida de 8,70 días y decae por emisión β - . (a) Escriba una ecuación para el decaimiento. b) ¿Cuánto tiempo tarda en decaer el 95,0 % de una dosis de I-131? (a) 53 133 I ⟶ 54 133 Xe + -1 0 e ; (b) 37,6 días quimioterapia semejante a la radioterapia interna, con la diferencia de que se introducen en el cuerpo sustancias químicas en lugar de radiactivas para eliminar las células cancerosas radioterapia de haz externo radiación administrada por una máquina fuera del cuerpo radioterapia interna (también llamada braquiterapia) radiación proveniente de una sustancia radiactiva que se introduce en el organismo para eliminar las células cancerosas radioterapia radiación de alta energía para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o impide que se dividan trazador radioactivo (también llamado etiqueta radiactiva) radioisótopo que se utiliza para rastrear o seguir una sustancia a través de sus emisiones radiactivas

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Efectos biológicos de la radiación El aumento del uso de radioisótopos ha dado lugar a una mayor preocupación por los efectos de estos materiales en los organismos biológicos (como en el caso del cuerpo humano). Todos los nucleidos radiactivos emiten partículas de alta energía u ondas electromagnéticas. Cuando esta radiación entra en contacto con las células vivas, puede causar calentamiento, romper los enlaces químicos o ionizar las moléculas. Los daños biológicos más graves se producen cuando estas emisiones radiactivas fragmentan o ionizan las moléculas. Por ejemplo, las partículas alfa y beta, emitidas en las reacciones de decaimiento nuclear, poseen energías mucho más altas que las energías de los enlaces químicos ordinarios. Cuando estas partículas golpean y penetran en la materia, producen iones y fragmentos moleculares que son extremadamente reactivos. El daño que esto provoca en las biomoléculas de los organismos vivos puede causar graves disfunciones en los procesos celulares normales, lo que pone a prueba los mecanismos de reparación del organismo y puede causar enfermedades y hasta la muerte ( ). La radiación puede perjudicar el organismo biológico al dañar el ADN de las células. Si este daño no se repara adecuadamente, las células pueden dividirse de forma descontrolada y causar cáncer. Radiación ionizante y no ionizante Existe una gran diferencia en la magnitud de los efectos biológicos de la radiación no ionizante (por ejemplo, la luz y las microondas) y de la radiación ionizante , emisiones lo suficientemente energéticas como para desprender electrones de las moléculas (por ejemplo, las partículas α y β, los rayos γ, los rayos X y la radiación ultravioleta de alta energía) ( ). La radiación electromagnética de menor frecuencia y energía es no ionizante, y la de mayor frecuencia y energía es ionizante. La energía que absorbe la radiación no ionizante acelera el movimiento de los átomos y las moléculas, lo que equivale a calentar la muestra. Aunque los organismos biológicos son sensibles al calor (como podemos saber por haber tocado una estufa caliente o haber pasado un día de playa al sol), es necesaria una gran cantidad de radiación no ionizante antes de que se alcancen niveles peligrosos. Sin embargo, la radiación ionizante puede causar daños mucho más graves al romper los enlaces o eliminar los electrones de las moléculas biológicas, ya que altera su estructura y función. El daño también puede producirse de forma indirecta, al ionizar primero el H 2 O (la molécula más abundante en los organismos vivos), que forma un ion de H 2 O + que reacciona con el agua, para formar un ion hidronio y un radical hidroxilo. Debido a que el radical hidroxilo tiene un electrón desapareado, es muy reactivo. (Este es el caso en cualquier sustancia con electrones desapareados, conocida como radical libre). Este radical hidroxilo puede reaccionar con todo tipo de moléculas biológicas (ADN, proteínas, enzimas, etc.), y causar daños a las moléculas y alterar los procesos fisiológicos. En la se muestran ejemplos de daños directos e indirectos. Las radiaciones ionizantes pueden (a) dañar directamente una biomolécula al ionizarla o romper sus enlaces, o (b) crear un ion 2 O + , que reacciona con el H 2 O para formar un radical hidroxilo, que a su vez reacciona con la biomolécula, lo que causa daños indirectamente. Efectos biológicos de la exposición a la radiación La radiación puede dañar todo el cuerpo (daño somático) o los óvulos y el esperma (daño genético). Sus efectos son más pronunciados en las células que se reproducen rápidamente, como el revestimiento del estómago, los folículos pilosos, la médula ósea y los embriones. Por ello, las pacientes sometidas a radioterapia suelen sentir náuseas o malestar estomacal, perder el cabello, tener dolores en los huesos, etc., y por ello hay que tener especial cuidado al someterse a la radioterapia durante el embarazo. Los diferentes tipos de radiación tienen diferentes capacidades para atravesar el material ( ). Una barrera muy fina, como una o dos hojas de papel, o la capa superior de las células de la piel, suele detener las partículas alfa. Por este motivo, las fuentes de partículas alfa no son peligrosas si se encuentran fuera del cuerpo, pero son bastante peligrosas si se ingieren o inhalan (vea el artículo de Química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón). Las partículas beta atraviesan una mano, o una fina capa de material como el papel o la madera, pero las detiene una fina capa de metal. La radiación gama es muy penetrante y puede atravesar una capa gruesa de la mayoría de los materiales. Algunas radiaciones gama de alta energía son capaces de atravesar algunos pies de hormigón. Algunos elementos densos y de alto número atómico (como el plomo) pueden atenuar eficazmente la radiación gama con material más fino y se utilizan para el blindaje. La capacidad de los distintos tipos de emisiones para provocar la ionización varía mucho, y algunas partículas casi no tienen tendencia a producir ionización. Las partículas alfa tienen aproximadamente el doble de poder ionizante que los neutrones rápidos, unas 10 veces más que las partículas β y unas 20 veces más que los rayos γ y los rayos X. Se muestra la capacidad de los diferentes tipos de radiación para atravesar el material. De menor a mayor penetración, son alfa < beta < neutrón < gama. Exposición al radón Para muchas personas, una de las mayores fuentes de exposición a la radiación es el gas radón (Rn-222). El radón-222 es un emisor α con una vida media de 3,82 días. Es uno de los productos de la serie de decaimiento radiactivo del U-238 ( ), que se encuentra en cantidades mínimas en el suelo y las rocas. El gas radón que se produce escapa lentamente del suelo y se filtra poco a poco en las casas y otras estructuras situadas por encima. Dado que es unas ocho veces más denso que el aire, el gas radón se acumula en los sótanos y los pisos inferiores, y se difunde lentamente por los edificios ( ). El radón-222 se filtra en las casas y otros edificios desde las rocas que contienen uranio-238, un emisor de radón. El radón entra a través de las grietas de los cimientos de hormigón y los suelos de los sótanos, los cimientos de piedra o de bloques de hormigón porosos y las aberturas de las tuberías de agua y gas. El radón se encuentra en edificios de todo el país, en cantidades que dependen del lugar donde se viva. La concentración media de radón en el interior de las casas en los EE. UU. (1,25 pCi/L) es aproximadamente tres veces superior a los niveles encontrados en el aire exterior, y aproximadamente una de cada seis casas tiene niveles de radón lo suficientemente altos como para que se recomienden esfuerzos de remediación para reducir la concentración de radón. La exposición al radón aumenta el riesgo de contraer cáncer (especialmente de pulmón), y los niveles elevados de radón pueden ser tan perjudiciales para la salud como fumar un cartón de cigarrillos al día. El radón es la primera causa de cáncer de pulmón en los no fumadores y la segunda causa de cáncer de pulmón en general. Se cree que la exposición al radón causa más de 20.000 muertes al año en los EE. UU. Medición de la exposición a la radiación Para detectar y medir las radiaciones se utilizan diferentes dispositivos, como los contadores Geiger, los contadores de centelleo (centelladores) y los dosímetros de radiación ( ). Probablemente el instrumento de radiación más conocido, el contador Geiger (también llamado contador Geiger-Müller) detecta y mide la radiación. La radiación provoca la ionización del gas en un tubo Geiger-Müller. La tasa de ionización es proporcional a la cantidad de radiación. El contador de centelleo contiene un centellador. Este consiste en un material que emite luz (luminiscencia) con el estímulo de la radiación ionizante y un sensor que convierte la luz en una señal eléctrica. Los dosímetros de radiación también miden la radiación ionizante y se utilizan para determinar la exposición personal a la radiación. Los tipos más utilizados son los dosímetros electrónicos, de lámina, termoluminiscentes y de fibra de cuarzo. Para medir las radiaciones se utilizan dispositivos como: (a) los contadores Geiger, (b) los centelladores y (c) los dosímetros (créditos c: modificación del trabajo de "osaMu"/Wikimedia commons). Se utiliza una variedad de unidades para medir diversos aspectos de la radiación ( ). La unidad del sistema internacional (SI) para la tasa de decaimiento radiactivo es el becquerel (Bq) , donde 1 Bq = 1 decaimiento por segundo. El curio (Ci) y el milicurio (mCi) son unidades mucho mayores y se utilizan con frecuencia en medicina (1 curio = 1 Ci = 3,7 × 10 10 decaimientos por segundo). La unidad del SI para medir la dosis de radiación es el gray (Gy) , donde 1 Gy = 1 J de energía absorbida por kilogramo de tejido. En las aplicaciones médicas, se utiliza más a menudo la dosis de radiación absorbida (rad) (1 rad = 0,01 Gy; 1 rad da lugar a la absorción de 0,01 J/kg de tejido). La unidad del SI que mide el daño tisular causado por la radiación es el sievert (Sv) . Esto tiene en cuenta tanto la energía como los efectos biológicos del tipo de radiación implicado en la dosis de radiación. El equivalente en roentgen para el hombre (rem) es la unidad de daño por radiación que más se utiliza en medicina (100 rem = 1 Sv). Observe que las unidades de daño tisular (rem o Sv) incluyen la energía de la dosis de radiación (rad o Gy) junto con un factor biológico denominado RBE (de eficacia biológica relativa [relative biological effectiveness]) que es una medida aproximada del daño relativo que causa la radiación. Estos están relacionados por: número de rems = RBE × número de rads donde RBE es aproximadamente 10 para la radiación α, 2(+) para protones y neutrones, y 1 para la radiación β y la radiación γ. Se utilizan diferentes unidades para medir la tasa de emisión de una fuente radiactiva, la energía que se absorbe de la fuente y la cantidad de daño que produce la radiación absorbida. Unidades de medida de la radiación La reseña las unidades que se utilizan para medir la radiación. Unidades utilizadas para medir la radiación Propósito de la medición Unidad Cantidad medida Descripción actividad de la fuente becquerel (Bq) decaimientos o emisiones radiactivas cantidad de muestra que sufre 1 decaimiento/segundo curio (Ci) cantidad de muestra que se somete a 3,7 × 10 10 decaimientos/segundo dosis absorbida gray (Gy) energía absorbida por kg de tejido 1 Gy = 1 J/kg de tejido dosis de radiación absorbida (rad) 1 rad = 0,01 J/kg de tejido dosis biológicamente eficaz sievert (Sv) daño tisular Sv = RBE × Gy equivalente roentgen para el hombre (rem) Rem = RBE × rad Cantidad de radiación El cobalto 60 ( t 1/2 = 5,26 años [years, y]) se utiliza en la terapia contra el cáncer, ya que los rayos γ que emite pueden concentrarse en las zonas pequeñas donde se encuentra el cáncer. Se dispone de una muestra de 5,00 g de Co-60 para el tratamiento del cáncer. (a) ¿Cuál es su actividad en Bq? (b) ¿Cuál es su actividad en Ci? Solución La actividad viene dada por: Actividad = λ N = ( ln 2 t 1 / 2 ) N = ( ln 2 5,26 y ) × 5,00 g = 0,659 g y de Co-60 que decae Y para convertir esto en decaimientos por segundo: 0,659 g y × 1 y 365 d × 1 d 24 h × 1 h 3.600 s × 1 mol 59,9 g × 6,02 × 10 23 átomos 1 mol × 1 decaimiento 1 átomo = 2,10 × 10 14 decaimiento s (a) Dado que 1 Bq = 1 decaimiento s , la actividad en becquerel (Bq) es: 2,10 × 10 14 decaimiento s × ( 1 Bq 1 decaimiento s ) = 2,10 × 10 14 Bq (b) Dado que 1 Ci = 3,7 × 10 11 decaimiento s , la actividad en curios (Ci) es: 2,10 × 10 14 decaimiento s × ( 1 Ci 3,7 × 10 11 decaimiento s ) = 5,7 × 10 2 Ci Compruebe lo aprendido El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno ( t 1/2 = 12,32 años) que tiene varios usos, como la iluminación autoalimentada, en la que los electrones emitidos en el decaimiento radiactivo del tritio hacen brillar el fósforo. Su núcleo contiene un protón y dos neutrones, y la masa atómica del tritio es de 3,016 u. ¿Cuál es la actividad de una muestra que contiene 1,00 mg de tritio (a) en Bq y (b) en Ci? Respuesta: (a) 3,56 × 10 11 Bq; (b) 0,962 Ci Efectos en el cuerpo humano de la exposición prolongada a la radiación Los efectos de la radiación dependen del tipo, la energía y la ubicación de la fuente de radiación, así como de la duración de la exposición. Como se muestra en la , la persona media está expuesta a la radiación de fondo, incluidos los rayos cósmicos del sol y el radón del uranio en el suelo (vea el artículo de Química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón), la radiación de la exposición médica, incluidos la exploración por TAC, las pruebas de radioisótopos, los rayos X, etc., y pequeñas cantidades de radiación de otras actividades humanas, como los vuelos de aviones (que son bombardeados por un mayor número de rayos cósmicos en la atmósfera superior), la radiactividad de los productos de consumo y una variedad de radionúclidos que entran en nuestro cuerpo cuando respiramos (por ejemplo, el carbono-14) o a través de la cadena alimentaria (por ejemplo, el potasio-40, el estroncio-90 y el yodo-131). La exposición total anual a la radiación para una persona en los EE. UU. es de unos 620 mrem. Las distintas fuentes y sus cantidades relativas se muestran en este gráfico de barras (fuente: Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU.). Una dosis repentina y de corta duración de una gran cantidad de radiación puede causar una amplia gama de efectos sobre la salud, desde cambios en la química de la sangre hasta la muerte. La exposición a corto plazo a decenas de rems de radiación probablemente causará síntomas o enfermedades muy notables; se estima que una dosis de unos 500 rems tiene una probabilidad del 50 % de causar la muerte de la víctima en los 30 días siguientes a la exposición. La exposición a las emisiones radiactivas tiene un efecto acumulativo en el organismo a lo largo de la vida de una persona, lo que constituye otra razón por la que es importante evitar cualquier exposición innecesaria a la radiación. Los efectos sobre la salud de la exposición a corto plazo a la radiación se muestran en la . Efectos de la radiación en la salud Fuente: Agencia de Protección Medioambiental de los EE. UU. Exposición (rem) Efectos en la salud Tiempo de manifestación (sin tratamiento) 5–10 cambios en la química de la sangre — 50 náuseas horas 55 fatiga — 70 vómitos — 75 caída del cabello 2 a 3 semanas 90 diarrea — 100 hemorragia — 400 posible muerte en un plazo de 2 meses 1.000 destrucción del revestimiento intestinal — hemorragia interna — muerte 1 a 2 semanas 2.000 lesiones en el sistema nervioso central — pérdida de la conciencia minutos muerte de horas a días Es imposible evitar cierta exposición a las radiaciones ionizantes. Estamos expuestos constantemente a la radiación espontánea de diversas fuentes naturales, como la radiación cósmica, las rocas, los procedimientos médicos, los bienes de consumo e incluso nuestros propios átomos. Podemos minimizar nuestra exposición al bloquear o protegernos de la radiación, alejarnos de la fuente y limitar el tiempo de exposición. Conceptos clave y resumen Estamos expuestos constantemente a las radiaciones procedentes de diversas fuentes naturales y producidas por el hombre. Esta radiación puede afectar a los organismos vivos. La radiación ionizante es la más perjudicial, ya que puede ionizar las moléculas o romper los enlaces químicos, lo que daña la molécula y provoca mal funcionamiento en los procesos celulares. También puede crear radicales hidroxilos reactivos que dañan las moléculas biológicas y alteran los procesos fisiológicos. La radiación puede causar daños somáticos o genéticos, y es más perjudicial para las células que se reproducen rápidamente. Los tipos de radiación difieren en su capacidad de penetrar en el material y dañar el tejido: las partículas alfa son las menos penetrantes, aunque potencialmente más dañinas; los rayos gamma son los más penetrantes. Para detectar y medir la radiación y controlar la exposición se utilizan diversos dispositivos, como contadores Geiger, centelladores y dosímetros. Utilizamos varias unidades para medir la radiación: becquerel o curios para la tasa de decaimiento radiactivo; gray o rads para la energía absorbida, y rems o sieverts para los efectos biológicos de la radiación. La exposición a la radiación causa una amplia gama de efectos sobre la salud, que van desde leves hasta graves, e incluso la muerte. Podemos minimizar los efectos de la radiación si nos protegemos con materiales densos como el plomo, nos alejamos de la fuente y limitamos el tiempo de exposición. Ecuaciones clave rem = RBE × rad Sv = RBE × Gy Ejercicios de química del final del capítulo Si un hospital almacenara radioisótopos, ¿cuál es la contención mínima necesaria para protegerse de los siguientes elementos?: (a) cobalto-60 (un fuerte emisor γ utilizado para la irradiación) (b) molibdeno-99 (emisor beta utilizado para producir tecnecio-99 para la obtención de imágenes) Según lo que se sabe sobre el método principal de decaimiento del radón-222, ¿por qué es tan peligrosa su inhalación? Las partículas alfa pueden detenerse con un blindaje muy fino, pero tienen un potencial ionizante mucho mayor que las partículas beta, los rayos X y los rayos γ. Cuando se inhala, no hay ninguna piel protectora que cubra las células de los pulmones, lo que posiblemente dañe el ADN de esas células y produzca cáncer. Dados ejemplares de uranio-232 ( t 1/2 = 68,9 años) y uranio-233( t 1/2 = 159.200 años) de igual masa, ¿cuál tendría mayor actividad y por qué? Un científico estudia una muestra de 2,234 g de torio-229 ( t 1/2 = 7340 años) en un laboratorio. (a) ¿Cuál es su actividad en Bq? (b) ¿Cuál es su actividad en Ci? (a) 7,64 × 10 9 Bq; (b) 2,06 × 10 -2 Ci Dados ejemplares de neón-24 ( t 1/2 = 3,38 min) y bismuto-211( t 1/2 = 2,14 min) de igual masa, ¿cuál tendría mayor actividad y por qué? becquerel (Bq) Unidad del SI para la tasa de desintegración radiactiva; 1 Bq = 1 decaimiento/s curio (Ci) unidad más grande para la tasa de desintegración radiactiva; se utiliza frecuentemente en medicina; 1 Ci = 3,7 × 10 10 decaimientos/s contador Geiger instrumento que detecta y mide la radiación a través de la ionización producida en un tubo Geiger-Müller gray (Gy) unidad del SI para medir la dosis de radiación; 1 Gy = 1 J absorbido/kg de tejido radiación ionizante radiación que hace que una molécula pierda un electrón y forme un ion milicurio (mCi) unidad más grande para la tasa de decaimiento radiactivo; se utiliza frecuentemente en medicina; 1 Ci = 3,7 × 10 10 decaimientos/s radiación no ionizante radiación que acelera el movimiento de átomos y moléculas; equivale a calentar una muestra, pero no es lo suficientemente energética como para provocar la ionización de las moléculas dosis de radiación absorbida (rad) unidad del SI para medir la dosis de radiación; se utiliza frecuentemente en aplicaciones médicas; 1 rad = 0,01 Gy dosímetro de radiación dispositivo que mide la radiación ionizante y que sirve para determinar la exposición personal a la radiación eficacia biológica relativa (EBR) medida del daño relativo que causa la radiación equivalente roentgen hombre (rem) unidad de daño por radiación; se utiliza frecuentemente en medicina; 100 rem = 1 Sv contador de centelleo instrumento que utiliza un centellador (un material que emite luz con el estímulo de la radiación ionizante) para detectar y medir la radiación sievert (Sv) unidad del SI que mide el daño tisular causado por la radiación; tiene en cuenta la energía y los efectos biológicos de la radiación

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Introducción Todos los compuestos orgánicos contienen carbono y la mayoría están formados por seres vivos, aunque también se forman por procesos geológicos y artificiales (créditos izquierda: modificación de la obra de Jon Sullivan; créditos izquierda centro: modificación de la obra de Deb Tremper; créditos derecha centro: modificación de la obra de "annszyp" / Wikimedia Commons; créditos derecha: modificación de la obra de George Shuklin). Todos los seres vivos de la Tierra están formados principalmente por compuestos de carbono. La prevalencia de los compuestos de carbono en los seres vivos ha dado lugar al epíteto de vida "basada en el carbono". La verdad es que no conocemos otro tipo de vida. Los primeros químicos consideraban que las sustancias aisladas de los organismos (plantas y animales) eran un tipo distinto de materia que no podía sintetizarse artificialmente, por lo que estas sustancias se conocían como compuestos orgánicos . La creencia generalizada, denominada vitalismo, sostenía que los compuestos orgánicos estaban formados por una fuerza vital presente solo en los organismos vivos. El químico alemán Friedrich Wohler fue uno de los primeros en refutar este aspecto del vitalismo, cuando, en 1828, informó acerca de la síntesis de la urea, un componente de muchos fluidos corporales, a partir de materiales no vivos. Desde entonces, se ha reconocido que las moléculas orgánicas obedecen a las mismas leyes naturales que las sustancias inorgánicas, y la categoría de compuestos orgánicos ha evolucionado para incluir tanto los compuestos naturales como los sintéticos que contienen carbono. Algunos compuestos que contienen carbono no se clasifican como orgánicos, por ejemplo, los carbonatos y cianuros, y los óxidos simples, como el CO y el CO 2 . Aunque el gremio químico aún no ha dado ninguna definición única y precisa, la mayoría coincide en que un rasgo definitorio de las moléculas orgánicas es la presencia de carbono como elemento principal, unido a hidrógeno y a otros átomos de carbono. En la actualidad, los compuestos orgánicos son elementos fundamentales de plásticos, jabones, perfumes, edulcorantes, tejidos, productos farmacéuticos y muchas otras sustancias que utilizamos a diario. El valor que tienen para nosotros los compuestos orgánicos hace que la química orgánica sea una disciplina importante dentro del campo general de la química. En este capítulo, analizamos por qué el elemento carbono da lugar a un gran número y variedad de compuestos, cómo se clasifican esos compuestos y el papel de los compuestos orgánicos en entornos biológicos e industriales representativos.

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