sábado, 31 de mayo de 2008

Lectura 2. MATERIALES RADIACTIVOS

En el capítulo de estructura del átomo usted aprendió que un elemento es identificado por el número de protones de su núcleo, o en otras palabras, en su número Z. También indicamos que un elemento cualquiera puede variar en el número de neutrones que este tiene en su núcleo, esto es, el mismo elemento puede tener varios números A. En este capítulo trabajaremos con la idea de que varía el número de neutrones en los átomos del mismo elemento y consideraremos el efecto de esta situación en la estabilidad de los átomos. Usted aprenderá el proceso primario a través del cual la radiactividad tiene lugar y algunos métodos para la medición de la radiactividad. Veamos algunos átomos del mismo elemento en los cuales el número A, es diferente en cada uno. Usaremos el elemento hidrógeno como un ejemplo (es el más simple y liviano de todos los elementos). El hidrógeno tiene un número Z de 1, o sea, que ya sabemos que todos los átomos de hidrógeno tendrán un protón en su núcleo.

Esta es la forma común del hidrógeno. Tiene 1 protón y 1electrón que lo balancea. No tiene neutrones. (Este es el único átomo que no tiene neutrones en su núcleo).

Z = 1 A = 1


Esta es una forma menos común del hidrógeno. Sabemos que es hidrógeno porque tiene un protón. Pero este átomo de hidrógeno también tiene un neutrón en su núcleo. Y en ocasiones se le conoce a este como hidrógeno "pesado", debido a que pesa el doble que el hidrógeno común.

Z = 1 A = 2

Estas dos formas o tipos de hidrógeno son llamados "isótopos" de hidrógeno. Los isótopos de un elemento pueden ser comparados con razas de perros o gatos. Así como hay poodles, pastor alemán y otras razas de perros, también hay isótopos o razas de un elemento. La familia entera de los átomos que pertenecen a cualquier elemento son llamados isótopos de dicho elemento. Sería difícil tratar de describir algún isótopo específico diciendo, "el átomo de hidrógeno que tiene un número masa de 2", por lo que simplemente nos referimos a este como "hidrógeno 2", ó "H-2" cuando lo escribimos. Los dos isótopos de hidrógeno mostrados arriba son H-1 y H-2. Veamos algunos otros átomos:


Los dos átomos mostrados son isótopos de un mismo elemento. Los átomos son isótopos del elemento helio, (símbolo He). Ambos tienen el mismo número atómico (Z); o en otras palabras, el mismo número de protones. Son isótopos diferentes porque tienen diferente número de masa (A); o sea, tienen un total de protones y neutrones diferente. Deben ser conocidos como He-5 y He-4. Muchos isótopos de varios elementos surgen en la naturaleza; sin embargo, en años recientes muchos nuevos han sido creados artificialmente en reactores nucleares y aceleradores de partículas (desintegradores de átomos). Estos isótopos son creados artificialmente bombardeando un elemento con un grupo de neutrones. Ya que grandes números de neutrones libres son desprendidos mediante el proceso de fisión atómica, un reactor nuclear es un lugar ideal para crear nuevos isótopos. Después de haber sido expuestos por un tiempo a la alta concentración de neutrones en un reactor nuclear, los átomos del elemento básico absorberán neutrones extra. El número A de estos átomos ha aumentado. El número de protones permanece igual, o sea que el átomo alterado es todavía del mismo elemento pero es un tipo diferente de isótopo del elemento. Un isótopo nuevo está satisfecho con su forma cuando los neutrones extras no desajustan el balance en el núcleo, y entonces el isótopo se dice que es "estable". Simplemente permanece en la forma que se encuentra. ¿Qué sospecharía usted acerca del átomo de un isótopo que no le gustara su forma, siendo desbalanceado su núcleo por el nuevo neutrón agregado?, pues que este cambiaría a una forma más cómoda. Un átomo inestable se desintegrará o decaerá a una forma más estable. Por desintegración no nos referimos a que se desbarate, el átomo radia o emite pequeñas partículas o pedazos de energía hasta que se estabiliza de nuevo. Tales átomos, los que están inestables, se dice que son radiactivos. Cierto número de isótopos radiactivos (radioisótopos) se encuentran en la naturaleza. Ustedes han oído historias acerca del radio, como fue descubierto y usado años atrás. Este, junto con el uranio, son probablemente los isótopos radiactivos naturales más conocidos. Los radioisótopos en la naturaleza son más bien escasos. Si alguna vez hubo más, se han desintegrado y han pasado a ser estables a través de los billones de años que la tierra ha existido. En años recientes, desde que los científicos han tenido acceso a los reactores nucleares, familias enteras de nuevos isótopos radiactivos han sido creados. El proceso de crear artificialmente radioisótopos se llama ACTIVACION. Un isótopo estable es activado en un reactor nuclear cuando neutrones libres penetran el núcleo y aumentan el número A. El nuevo isótopo resultante es inestable, o radiactivo. Algunos de estos nuevos radioisótopos artificiales, se desintegran tan rápidamente que son difíciles de detectar. Otros, tienen vidas más largas; y dependiendo de sus características, son muy útiles en muchas aplicaciones industriales, médicas y científicas. La radiografía es un uso para ciertos radioisótopos.

Usted ha aprendido, que los isótopos inestables buscarán estabilidad a través de un proceso de decaimiento o desintegración, ellos son radiactivos. Durante este proceso de decaimiento, las pequeñas partículas que viajan a grandes velocidades, son emitidas, y/o energía en forma de ondas, es radiado.

Toda esta radiación (partículas y ondas) provienen del núcleo del átomo radiactivo.

Esta es una pieza de
material radiactivo. Sus
átomos están decayendo.

Esta es una partícula
"alfa" (a ). Es la más
grande y pesada de las
partículas de radiación y
está compuesta de 2
protones y 2 neutrones.


Esta es una partícula
"beta" (b ). Es una
partícula muy liviana y en
realidad es un electrón de
alta velocidad.

La línea ondulada
representa un rayo "gamma"
(d ). Un rayo gamma es una
forma de onda de energía,
no es una partícula.

¿Cómo afecta esta radiación a un núcleo atómico?. Tomemos un átomo del elemento radiactivo polonio (Po-210). Este tiene 84 protones y 126 neutrones en su núcleo; y cuando éste decae, emite una partícula alfa (2 protones y 2 neutrones). El átomo resultante en términos de los números A y Z, sería Z = 82 y A = 206.

Un elemento diferente con un número Z de 82 ha resultado del decaimiento radiactivo del átomo. El átomo de Po-210 se ha desintegrado y convertido en un isótopo estable de plomo, Pb-206. Nótese que el número A del plomo es menor en 4 al número A del polonio como resultado de la emisión de los 2 protones y de los 2 neutrones.

Como se mostró anteriormente, el decaimiento por medio de partículas alfa (a ) resultará siempre un nuevo elemento con dos protones y con un número A menor en cuatro al original.

Cuando el decaimiento radiactivo de un átomo empieza por la emisión de una partícula beta (b ), el proceso es un poco más complejo.

Cuando el decaimiento radiactivo de un átomo empieza por la emisión de una partícula beta (b ), el proceso es un poco más complejo. Para entender el decaimiento por medio de partículas beta (b ), tendremos que observar más de cerca al neutrón. Considere al neutrón como una combinación de un protón ( ) y un electrón ( ).

Nótese que no hemos cambiado la idea básica de una partícula neutral. El neutrón tiene una sola carga positiva y una sola carga negativa, por lo tanto es eléctricamente neutral.

Este concepto del neutrón es necesario para nuestra discusión porque vamos a empezar a transformar neutrones ( ) a protones ( ) restando electrones ( ), no se forme la idea de que este es un incidente común entre los átomos. En un átomo estable los protones, neutrones y electrones están perfectamente conformes de quedarse en la forma en que están. Unicamente en un átomo inestable o radiactivo usted encontrará fuerzas que transformarán una partícula en otra.

Algunos núcleos radiactivos emiten partículas beta (b ), (electrones de alta velocidad) cuando éstos decaen. Nótese que éstos no son electrones que orbitan; estos se originan en el núcleo. Normalmente no pensamos que un núcleo contenga electrones, sin embargo, como vimos en el párrafo anterior, un neutrón es una combinación de un protón ( ) y un electrón ( ).

Cuando el electrón es removido, el neutrón se transforma en un protón.

Esto es lo que sucede durante el decaimiento de tipo beta (b ). Un neutrón en el núcleo radiactivo emite una partícula beta (electrón nuclear) y se transforma en un protón.

Como ejemplo, considere el isótopo radiactivo de iridio, Ir-192. Este tiene 77 protones y 115 neutrones en su núcleo (77 + 115 = 192). Cuando un electrón es emitido o lanzado como una partícula beta, un neutrón se transforma en un protón.

El nuevo átomo tiene ahora 78 protones y 114 neutrones. El número A permanece igual (78 + 114 = 192), sin embargo, el número Z es ahora 78 en lugar de 77. El átomo de iridio ha cambiado a ser platino (Pt-192).

El decaimiento de una partícula beta resulta en un nuevo elemento que tiene un protón más (número Z) que el original, sin embargo, el número A permanecerá siendo el mismo.

El isótopo radiactivo de cobalto, Co-60, es otro isótopo que decae por emisión de una partícula beta.

Un átomo de cobalto 60 contiene 27 protones y 33 neutrones:

Cuando el átomo se desintegra, una partícula beta es emitida.

Cuando el átomo de cobalto 60 emite una partícula beta, el resultado es un nuevo elemento, níquel (Ni-60) que tiene 28 protones y 32 neutrones.

Un neutrón ha perdido un electrón y se ha convertido en un protón.

El número de masa (A) permanece igual porque el número total de neutrones y protones no ha cambiado.

Hasta aquí hemos discutido únicamente las emisiones de partículas alfa y beta cuando los átomos radiactivos se desintegran.

Usualmente, aunque no necesariamente, hay un ajuste adicional de energía en el átomo radiactivo cuando una partícula alfa o beta es emitida. Este ajuste de energía genera emisiones de rayos gamma (g ).

ES EN LA EMISION DE RAYOS GAMMA EN LA QUE ESTAMOS INTERESADOS.

Las partículas alfa y beta no tienen valor alguno en la radiografía. Cuando estamos trabajando con isótopos radiactivos, únicamente los rayos gamma son de utilidad para el radiógrafo.

Para resumir los modos o procesos comunes de decaimiento radiactivo, un átomo radiactivo, dependiendo de su tipo, se puede desintegrar por uno de los siguientes medios:

1.-Emisión alfa únicamente. (No es de interés para nosotros).
2.-Emisión beta únicamente. (No es de interés para nosotros).
3.-Emisión alfa asociada con emisión de rayos gamma.
4.-Emisión beta asociada con emisión de rayos gamma.

Hay otras formas de decaimiento que ocurren pero no son comunes y no serán discutidas aquí.

Debe mencionarse aquí que cualquier isótopo radiactivo decaerá de acuerdo a un patrón característico. Por ejemplo, una cantidad de tulio 170 (Tm-170) emitirá siempre partículas beta dentro de un rango predecible de energías, más rayos gamma de una energía específica. Ningún otro isótopo tiene exactamente el mismo patrón de decaimiento.

Debe mencionarse también, que el producto de un decaimiento radiactivo puede ser también radiactivo. Por ejemplo, cuando el radio decae, éste emite una partícula alfa y se transforma en el elemento radiactivo radón. El radón también decae y forma otros elementos radiactivos en una serie de desintegraciones hasta que finalmente éste pasa a ser un isótopo estable de plomo, Pb-206.

Todos los nuevos elementos que resulten del decaimiento radiactivo, sin importar si son radiactivos o estables, se llaman PRODUCTOS DESCENDIENTES del isótopo radiactivo original.

No queremos confundir el tema más de lo que ya está, sin embargo, algunos de ustedes pueden estarse preguntando: ¿de dónde proviene la energía que se le da a las partículas atómicas que son lanzadas y dónde se origina la energía que es emitida como rayos gamma?. ¿Estamos obteniendo algo por nada?.

Si usted está interesado, aquí está una respuesta simplificada.

¿Recuerda usted haber visto esta ecuación antes?

E = mc2

Esta ecuación fue propuesta por un gigante de nuestros tiempos, Albert Einstein. Esto significa que energía y masa son intercambiables. En la ecuación, E es energía, m es masa y c es velocidad de la luz.

Obviamente, c2, es un número muy grande. Esto significa que una masa muy pequeña, m, puede ser convertida en energía muy alta. Esta es la base sobre la cual funcionan las bombas atómicas y de hidrógeno (la conversión de masa nuclear en energía).

En el caso de la radiactividad, la "pérdida de masa" en el núcleo que resulta de una emisión de energía es extremadamente pequeña e insignificante. El número de masa (A) del átomo no es afectado por tan pequeños cambios de masa.

Como se mide la Radiación

Ahora ya tiene idea de cómo se desintegran o decaen los isótopos radiactivos, hablemos acerca de cómo se mide la radiación. La unidad básica para describir la actividad (radiactividad) de una cantidad de material radiactivo es el "curie", nombrado después del descubridor del elemento radio. Una cantidad de material radiactivo se dice que tiene una "actividad" de un curie (C) cuando 37 mil millones de sus átomos se desintegran en un segundo. (En términos científicos eso se escribe, 1C = 3.7 x 1010 desintegraciones /seg, ó 37 x 109 desintegraciones /seg). Digámoslo de otra forma. Dado un pedazo de material radiactivo (fuente) de cualquier tamaño, sabemos que algunos de los átomos inestables se van a desintegrar o decaer cada segundo. Si la velocidad de desintegración resulta ser de 37 mil millones de átomos cada segundo, la fuente tiene una actividad de un curie. Si más de 37 mil millones de átomos decaen en un segundo, la fuente tiene una actividad mayor de un curie y si es menos de 37 mil millones lo que decaen la actividad es menor que un curie.

Considere las dos fuentes radiactivas de arriba. Una decae a razón de 18.5 mil millones (18.5 x 109) desintegraciones por segundo y la otra a razón de 74 mil millones de desintegraciones por segundo. ¿Cuáles son sus actividades en curies? Pues las dos fuentes tienen actividades de 1/2 y 2 curies. Sabemos cuantas desintegraciones por segundo toman lugar en cada una, por lo tanto es sencillo encontrar las actividades en curies. Tomemos ahora el caso de una fuente con un volumen de 1 centímetro cúbico (cc). Digamos que ésta tiene una actividad de 4 curies. Si nosotros cortamos la fuente en dos partes iguales de 1/2 cc cada una, ¿cuál será la actividad de cada pieza?

Cada pieza tiene una actividad de 2 curies. Usted aparentemente si entendió que cortando la fuente a la mitad, el número de átomos en cada pieza será la mitad del original; por lo tanto, el número de desintegraciones por segundo en cada pieza será la mitad del original. En raras ocasiones usted estará involucrado con fuentes radiactivas extremadamente pequeña en el trabajo radiográfico. Hay unidades sub-curie para describir la actividad de tales fuentes. Un milicurie (mc) es 1/1000 de un curie y un microcurie (m c) es 1/1'000,000 de un curie. Nótese que en estas discusiones acerca de la "actividad" de una fuente radiactiva, hemos hablado acerca de las "desintegraciones" de los átomos y no acerca de la radiación resultante. Como mencionamos antes, cada fuente radiactiva tiene su propio patrón peculiar de decaimiento. Una desintegración en una fuente radiactiva no necesariamente significa que un rayo gamma será emitido. Por ejemplo, en una fuente de Co-60, cada átomo decae emitiendo una partícula beta. Casi inmediatamente, ajustes adicionales de energía son ejecutados en el átomo y dos rayos gamma son emitidos. Cada rayo gamma tiene cierta energía que es siempre la misma. En el caso del Co-60, entonces, cada desintegración forma dos rayos gamma. Tomemos otro ejemplo, Tm-170. Cuando una fuente de tulio decae, aproximadamente 1/4 de sus átomos emiten partículas beta y un rayo gamma asociado. Como 3/4 de los átomos emiten partículas sin que haya rayos gamma asociados con éstos. El Tm-170 siempre decae siguiendo este patrón. Por lo tanto, como productor de rayos gamma, el Tm-170 no es tan eficiente como el Co-60, sin embargo, éste tiene otras características que lo hacen útil para radiografía. A lo que estamos tratando de llegar es que aunque las actividades de diferentes isótopos pueden ser las mismas, el número de rayos gamma que resulten de las desintegraciones puede ser bastante diferente.

Hemos aprendido que la actividad de una fuente radiactiva es una medida del número de desintegraciones que se realizan en un segundo. También sabemos que la actividad varía conforme el tamaño de la fuente cambia. Dadas dos fuentes diferentes, existen probabilidades de que una sea más activa que la otra. Con lo que hemos discutido hasta ahora, no podemos saber cuál de las dos es en realidad la mejor fuente (cual es realmente la más productiva de radiación). Una puede tener más actividad simplemente porque es más grande que la otra. Ustedes han oído decir a aficionados del boxeo "libra por libra, él es el mejor hombre". Con las fuentes radiactivas nosotros comparamos las actividades "gramo por gramo". Actividad, en curies, de 1 gramo de cualquier fuente radiactiva se conoce como la ACTIVIDAD ESPECIFICA de la fuente. Recuerde, para ser específica, usted requiere además de la actividad (curies), los curies por gramo (c/gr). Por ejemplo, si 2 gramos de una fuente de cobalto 60 (Co-60) tienen una actividad de 50 curies, la actividad específica de la fuente Co-60 es de 25 curies por gramo (25 c/gr). Si 4 gramos de iridio 192 (Ir-192) muestran una actividad de 1400 curies, ¿cuál es la actividad específica (c/g)?. Cada gramo tendrá una actividad de 1/4 de eso, o 350 c. La actividad específica del Ir-192 es 350 c/gr. Tratemos algo más: 1.- 6 gramos de un isótopo tienen una actividad de 90 curies.

2.- 2 gramos de un isótopo tienen una actividad de 2000 curies.
3.- 1/2 gramo de un isótopo tiene una actividad de 750 curies. ¿Cómo acomodaría estos isótopos en orden descendente de actividad específica?. 1.- 750 c entre 1/2 g = 1500 c/g
2.- 2000 c entre 2 g = 1000 c/g
3.- 90 c entre 6 g = 15 c/g

En la familia de los isótopos comúnmente utilizados para radiografía, la actividad específica es importante porque es una indicación del tamaño de la pastilla radiactiva o "cápsula" (fuente) que será requerida para proporcionar la actividad necesaria para realizar una inspección radiográfica. Si la actividad específica es baja, significaría que el tamaño de la pastilla tendría que ser muy grande para dar buenos resultados radiográficos en algunas aplicaciones. Veamos de nuevo el proceso de decaimiento de un isótopo radiactivo. Prácticamente hablando, no existe tal cosa como un pedazo puro de un isótopo radiactivo. Aunque fuera posible separar completamente a un isótopo radiactivo de los materiales que lo rodean, la pureza del material duraría un instante, ya que algunos de sus átomos empezarían inmediatamente a decaer convirtiéndose en otros isótopos. Estos nuevos isótopos son contaminantes y por tanto el isótopo original ya no sería puro. Cada isótopo radiactivo tiene su propio patrón de decaimiento. No únicamente decae éste emitiendo varias energías de partículas diferentes o rayos como ya lo hemos discutido, sino que decae a una velocidad que es característica del isótopo. Algunos isótopos decaen bastante rápido, por lo tanto tienen una gran actividad específica. Otros decaen a una velocidad muy lenta, por lo tanto tienen una actividad específica muy baja. La velocidad a la cual un isótopo radiactivo decae es comúnmente medida en "vida media". La vida-media de un isótopo es el tiempo que debe transcurrir para que 1/2 de los átomos del isótopo se desintegren. Cada radioisótopo tiene su propia vida-media peculiar. Las vidas-medias para varios radioisótopos varían desde pocos microsegundos hasta muchos miles de años. Por ejemplo, la vida media del cesio 137 (Cs-137) es de 30 años. Esto significa que al final de los 30 años. 1/2 de los átomos de cesio 137 en una fuente, se hubieran desintegrado dejando 1/2 de los átomos originales intactos. No importa con cuanto Cs-137 empecemos (únicamente 1/2 quedaría al final de una vida-media de 30 años). ¿Qué fracción de los átomos de Cs-137 originales quedarían en una fuente después de 90 años?. 90 años es igual a 3 vidas-medias de Cs-137.

Al hablar del efecto del tiempo sobre la radiactividad de una fuente, ordinariamente no hablamos del "número de átomos que permanecen intactos". En lugar de eso, medimos el efecto del tiempo refiriéndonos a la actividad reducida de la fuente. Ya que al final de una vida-media, únicamente la mitad del número original de átomos del isótopo quedan, la fuente tendrá únicamente media actividad. En otras palabras, la fuente tendrá únicamente la mitad de los curies que originalmente ésta tenía. La vida media del tulio 170 (Tm-170) es de 130 días. Si empezamos con 50 curies de tulio (Tm-170), ¿cuál será la actividad del Tm-170 al final de 260 días?. ¿Está de acuerdo en que los 50 curies originales de Tm-170 serán reducidos a los 12.5 curies después de 260 días?. Tiene razón. El Tm-170 tiene una vida media de 130 días, por lo tanto, 260 días es igual a 2 vidas-medias. 1/2 de 50 es 25, 1/2 de 25 es 12.5 Una fuente con una vida-media pequeña o corta caerá por debajo del nivel práctico de actividad en un tiempo relativamente corto. En radiografía esto es una consideración importante ya que significa que la fuente debe ser reemplazada frecuentemente. Tome el isótopo Ir-192. Este tiene una vida-media de 75 días, poco más o menos tan corta como es práctico su uso. Su actividad caerá a menos de 1 por ciento de su valor original en aproximadamente año y medio. El Ir-192 tiene otras cualidades, sin embargo, eso lo convierte en una fuente valiosa para el trabajo radiográfico. Usted oirá más acerca de estas cualidades más tarde. Por otra parte, el radio 226 (Ra-226) tiene una vida-media muy larga de 1620 años. Este perdería menos del 1 por ciento de su actividad en 20 años. Aquí están las vidas-medias de varios radioisótopos comunes que están siendo usados actualmente para la radiografía: Radio 226 (Ra-226) 1620 años

Cesio 137 (Cs-137) 30 años
Cobalto 60 (Co-60) 5.3 años
Tulio 170 (Tm-170) 130 días
Iridio 192 (Ir-192) 75 días

Aquí presentamos un resumen de los hechos que hemos discutido en el tema de Materiales Radiactivos:

Primero. Los isótopos del mismo elemento, tienen un mismo número de protones en el núcleo (mismo número Z), pero diferente número de neutrones (números A diferentes).

Segundo. Muchos isótopos radiactivos artificiales nuevos, han sido creados en años recientes bombardeando átomos estables con grupos de neutrones en un reactor nuclear.

Tercero. El proceso de crear nuevos isótopos radiactivos por medio del bombardeo de neutrones se llama "activación".

Cuarto. Los átomos radiactivos son átomos inestables que buscan estabilizarse ellos mismos, emitiendo partículas o energía electromagnética.

Quinto. Cuando un átomo radiactivo emite partículas o energía se dice que decae o se desintegra.

Sexto. Cuando los átomos radiactivos decaen, emiten partículas alfa (2 protones y 2 neutrones), partículas beta (electrones nucleares), o rayos gamma.

Séptimo. El resultado del decaimiento alfa, es la reducción del número Z del átomo en 2 y la reducción de su número A en 4.

Octavo. El resultado del decaimiento beta, es el incremento del número Z del átomo en 1. El número A permanece igual.

Noveno. Los rayos gamma (energía pura) son emitidos como resultado de los ajustes asociados de energía dentro del átomo cuando una partícula alfa o beta es emitida.

Décimo. Cada radioisótopo tiene su propio patrón peculiar de decaimiento.

Undécimo. Todos los elementos nuevos que resulten de un decaimiento radiactivo se llaman productos descendientes.

Duodécimo. Un curie de material radiactivo es aquella cantidad que proporcionará 37 mil millones de desintegraciones en un segundo.

Décimo tercero. El curie es usado para definir la actividad de una fuente radiactiva sin hacer referencia al tamaño de la fuente.

Décimo cuarto. La actividad específica, es la actividad en curies en un gramo de una fuente radiactiva.

Décimo quinto. La vida-media de un isótopo es el tiempo que transcurre para que la mitad de sus átomos se desintegren.