ELEMENTOS BÁSICOS DE LA FÍSICA NUCLEAR
Es una pequeña región central del
átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas
fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones. La estabilidad del núcleo no
puede explicarse por su acción eléctrica. Es más, la repulsión existente entre
los protones produciría su desintegración. El hecho de que en el núcleo existan
protones y neutrones es un indicador de que debe existir otra interacción más
fuerte que la electromagnética que no está directamente relacionada con cargas
eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama nuclear y es
la que predomina en el núcleo.
Energía
de enlace nuclear
Para explicar la naturaleza de
las fuerzas nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los
núcleos, es necesario analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene una
masa y está cargado eléctricamente. Además, tiene un tamaño que se puede medir
por su radio. Los nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones
mutuas y la intensidad de sus interacciones se puede medir por su energía de
enlace o energía de ligadura nuclear.(hyperphysics, s.f.)
Constitución del átomo y modelos
atómicos
La descripción básica de la
constitución atómica, reconoce la existencia de partículas con carga eléctrica
negativa, llamados electrones, los cuales giran en diversas órbitas (niveles de
energía) alrededor de un núcleo central con carga eléctrica positiva. El átomo
en su conjunto y sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente
neutro (https://www.profesorenlinea.cl/fisica/atomoEstructura.htm)
. El núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los
neutrones que no poseen carga eléctrica.
El tamaño de los núcleos atómicos
para los diversos elementos está comprendido entre una cienmilésima y una
diezmilésima del tamaño del átomo. La cantidad de protones y de electrones
presentes en cada átomo es la misma. Esta cantidad recibe el nombre de número
atómico, y se designa por la letra "Z". A la cantidad total de
protones más neutrones presentes en un núcleo atómico se le llaman número
másico y se designa por la letra "A".
(Urizaga, 2017)
Constitución
del átomo y modelos atómicos
El átomo es la parte más pequeña
en la que se puede obtener materia de forma estable, ya que las partículas subatómicas
que lo compone no pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy
especiales. El átomo está formado por un núcleo, compuesto a su vez por
protones y neutrones, y por una corteza que lo rodea en la cual se encuentran
los electrones, en igual número que los protones.
Protón, descubierto por Ernest
Rutherford a principios del siglo xx, el protón es una partícula elemental que
constituye parte del núcleo de cualquier átomo. El número de protones en el
núcleo atómico, denominado número atómico, es el que determina las propiedades
químicas del átomo en cuestión.
Neutrón, partícula elemental que
constituye parte del núcleo de los átomos.
A) EL MODELO DE THOMSON: Thomson sugiere un modelo atómico
que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897. Su
modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro
del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se
podían explicar una gran cantidad de fenómenosatómicos conocidos hasta la fecha.
Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos
llevado a cabo por Rutherford demostró la inexactitud de tales ideas.
B) EL MODELO DE RUTHERFORD: sostiene
que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en un núcleo central
muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del
núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y
tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los
electrones se neutraliza entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente
neutro.
C) EL MODELO DE BOHR: postula
que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico.
Los electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales
determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un nivel
de energía superior, para lo cual necesita "absorber" energía. Este
modelo, si bien se ha perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la
moderna física nuclear.
D) MODELO MECANO – CUÁNTICO: una partícula con cierta cantidad de movimiento se
comporta como una onda. En tal sentido, el electrón tiene un comportamiento
dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades elevadas.
Al comportarse el electrón como una onda, es imposible conocer en forma
simultánea su posición exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo existe la
probabilidad de encontrar un electrón en cierto momento y en una región dada en
el átomo, denominando a tales regiones como niveles de energía. (https://www.profesorenlinea.cl/fisica/atomoEstructura.htm)
Radiación
y Radiobiología
Radiación
La radiación es la emisión,
propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas
electromagnéticas o partículas (https://www.foronuclear.org/es/el-experto-te-cuenta/119909-que-sabes-de-la-radiacion)
. Una onda electromagnética es una forma de
transportar energía (por ejemplo, el calor que transmite la luz del sol).
Clasificación de las radiaciones
electromagnéticas
Las ondas o radiaciones
electromagnéticas se pueden clasificar en:
- Radiación
no ionizante: No
tienen la suficiente energía como para romper los enlaces que unen los átomos
del medio que irradian (ondas de radio y TV, microondas, luz visible,
etc.).
- Radiación
ionizante: Tienen
suficiente energía como para producir ionizaciones de los átomos del medio
o materia que es irradiado. Van desde los rayos X hasta la radiación cósmica.
Tipos de radiaciones
- Alfa: Con capacidad limitada de penetración en la materia pero mucha
intensidad energética.
- Beta: Algo más penetrante pero menos intenso que las radiaciones alfa.
- Gamma: Es la radiación más penetrante de todas.
Radiobiología
La radiobiología es la ciencia que estudia los efectos que se producen en
los seres vivos tras la exposición a energía procedente de las radiaciones ionizantes.
Dos grandes razones que han impulsado la investigación de los efectos biológicos de las radiaciones
ionizantes sobre la materia viva son la protección radiológica, para poder utilizarlas de forma segura en
aplicaciones médicas o industriales que las requieran, y la radioterapia donde las radiaciones ionizantes se utilizan principalmente para el
tratamiento de neoplasias buscando preservar al máximo los órganos
críticos (tejido sano).
Características de los
efectos biológicos de las radiaciones ionizantes:
1. Aleatoriedad: La interacción de la radiación
con las células es una función de probabilidad y tiene lugar
al azar.
Un fotón o
partícula puede alcanzar a una célula o a otra, dañarla o no y, de dañarla,
puede afectarla en el núcleo o en el citoplasma.
2. Rápido depósito de energía: El depósito
de energía a la célula ocurre en un tiempo muy corto, en
fracciones de millonésimas de segundo.
3. No selectividad: La radiación no muestra
predilección por ninguna parte o biomolécula, es decir, la interacción no es selectiva.
4. Especificidad lesiva: Las lesiones de las radiaciones ionizantes son siempre
inespecíficas o lo que es lo mismo esas lesiones pueden ser producidas por
otras causas físicas.
5.
Latencia: Las
alteraciones biológicas en una célula que resultan por la radiación no son
inmediatas, tardan tiempo en hacerse visibles a esto se le llama "tiempo
de latencia" y puede ser desde unos pocos minutos o muchos años,
dependiendo de la dosis y tiempo de exposición.
Tipos de efectos de la radiación sobre los seres
vivos:
Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos se pueden
clasificar desde distintos puntos de vista:
Según el tiempo de aparición
·
Precoces: Aparecen
en minutos u horas después de haberse expuesto a la radiación, por
ejemplo eritema cutáneo, náuseas.
·
Tardíos: Aparecen
meses u años después de la exposición, por ejemplo cáncer radio inducido,
radiodermitis crónica, mutaciones genéticas.
Desde el punto de vista biológico
·
Efectos
somáticos: Sólo se manifiestan en el individuo que ha sido sometido a la
exposición de radiaciones ionizantes por ejemplo el eritema.
·
Efecto
hereditario: No se manifiestan en el individuo que ha sido expuesto a la
radiación, sino en su descendencia, ya que lesionan las células germinales del individuo expuesto, por ejemplo las
mutaciones que afectan a células germinales (espermatozoides y óvulos). Vale
aclarar que tales efectos solo se han verificado en insectos y ratones y no en
seres humanos, por ahora.
Orígenes
de las radiaciones ionizantes
Causas naturales
Constituyen el fondo radiactivo
natural que puede provenir de tres causas:
Ø
Espacio exterior (radiación
cósmica): Llegan a la Tierra cada segundo (protones (86%)
y partículas alfa (12%)). Puesto que la atmósfera absorbe parcialmente las
radiaciones, el fondo natural debido a esta causa varía con la altitud, de tal
modo que es menor a nivel del mar que en lo alto de una montaña. Para el
promedio mundial, la radiación cósmica supone un 10% de la dosis.
Ø
Corteza terrestre: Supone
un 14% de la dosis promedio mundial.
Ø
Organismo humano: Principalmente
isótopos de carbono y potasio, contribuyen aproximadamente el 52% de la dosis
promedio mundial.
Causas
artificiales
Se deben a la exposición a
diversas fuentes de origen no natural, como son: exploraciones radiológicas con
fines médicos (fuente mayoritaria, dan lugar a unas dosis sobre la población
semejantes a la radiación cósmica), viajes en avión (en este caso, la mayor
dosis de radiación cósmica que se recibe son el vuelos a gran altura), etc. La
radiactividad es un fenómeno físico por el cual algunos cuerpos o elementos
químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de
impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, etc.
Es uno de los grandes
descubrimientos del hombre contemporáneo y, a la par que se fueron conociendo
sus efectos, también se descubrieron aplicaciones de gran utilidad, ya que las
sustancias radiactivas o los instrumentos emisores de radiaciones ionizantes
resultan insustituibles en medicina, agricultura, industria, ciencias de la
tierra, biología y otras muchas ramas.
La emisión de radiaciones
ionizantes es una característica común a muchos átomos en cuyo núcleo el número
de neutrones resulta escaso o excesivo, lo que les hace inestables
(radiactivos), por lo que sus ligaduras nucleares se transforman buscando
configuraciones más estables, a la vez que se libera energía, asociada a la
radiación emitida.
Radiaciones:
naturaleza
El origen de las radiaciones
ionizantes puede localizarse en:
- La Radiactividad natural.
Resulta de la inestabilidad intrínseca de una serie de átomos presentes en la
Naturaleza (uranio, torio, etc), así como la procedente de rayos cósmicos (ésta
última exposición es mayor en los asiduos al avión).
- la Radiactividad
incorporada en alimentos, bebidas, etc. Los crustáceos y moluscos marinos
(mejillones, chirlas, almejas) la concentran especialmente.
- Procedimientos
médicos (radiografías, etc). Son la fuente principal de radiación
artificial en la población general.
- "Basura nuclear". Los
materiales de desecho radiactivos de la industria nuclear, los hospitales y los
centros de investigación.
- el Radón. Gas procedente del
uranio, que se encuentra de forma natural en la tierra. Procede de materiales
de construcción, abonos fosfatados, componentes de radioemisores, detectores de
humos, gas natural en los hogares, etc. El grado de exposición al radón aumenta
notablemente en sitios cerrados y domicilios con buen aislamiento térmico.
- Exposición profesional. En España
se incluyen en esta categoría unas 60.000 personas. El 95% recibe dosis diez
veces por debajo del límite permitido.
- Explosiones nucleares.
Accidentales, bélicas o experimentales.
Radioactividad
La emisión
espontánea de partículas (partículas alfa, partículas beta, neutrones) o radiaciones (gama,
captura K), o de ambas a la vez, procedentes de la desintegración de
determinados nucleídos que las forman, por causa de un arreglo en su estructura
interna. La desintegración radioactiva ocurre en núcleos atómicos inestables,
es decir, aquellos que no tienen suficiente energía de enlace para mantener el
núcleo unido debido a un exceso de protones o neutrones. La radioactividad puede
ser natural o artificial. En la radioactividad natural, la sustancia ya la
posee en el estado natural. En la radioactividad artificial, la
radioactividad le ha sido inducida por irradiación. (https://culturacientifica.com/2016/05/05/la-radioactividad-entrana-riesgos/)
Tipos:
Entre los
elementos ligeros, las radiaciones más frecuentes son:
·
Radiaciones
beta b-, que son electrones procedentes
del núcleo
·
Radiaciones
beta b+, que son positrones procedentes del núcleo
·
Rayos
gamma (g), que son ondas electromagnéticas de alta energía
·
Captura
electrónica (desintegraciones K)
Las
radiaciones a son características de los elementos pesados. Cada tipo
de emisión radioactiva tiene distinto poder de penetración en la
materia y distinto poder de ionización (capacidad de
arrancar electrones de los átomos o moléculas con las que
colisiona). Pueden causar graves daños en los seres vivos.
Partícula alpha
Las
partículas alfa (α) o rayos alfa son una forma de radiación de alta energía
corpuscular ionizante y con una baja capacidad de penetración debido a la alta
sección transversal. Los rayos alfa, debido a su carga eléctrica, interactúan
fuertemente con la materia y, por lo tanto, son absorbidos fácilmente por los
materiales y pueden viajar solo unos pocos centímetros en el aire. Pueden ser
absorbidos por las capas más externas de la piel humana y, por lo tanto, no son
potencialmente mortales a menos que la fuente se inhale o ingiera. En este
caso, los daños serían, en cambio, mayores que los causados por cualquier otra
radiación ionizante. Si la dosis fuera lo suficientemente alta, aparecerían
todos los síntomas típicos de envenenamiento por radiación.
Partícula beta
La
radiación beta es una forma de radiación ionizante emitida por ciertos tipos de
núcleos radiactivos. La radiación beta toma la forma de partículas beta (β),
que son partículas de alta energía, expulsadas de un núcleo atómico en un proceso
conocido como desintegración beta. Hay dos formas de desintegración beta, β - y
β +, que respectivamente emiten un electrón o un positrón.
Rayos gamma
Los
rayos gamma son radiaciones electromagnéticas producidas por la radioactividad.
Estabilizan el núcleo sin cambiar su contenido de protones. Normalmente la radiación suele
acompañar a otro tipo de emisión. Penetran más profundamente que la radiación a
o b beta, pero son menos ionizantes. Los rayos gamma pueden causar grave daño
al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos
médicos y alimentos.
Los
rayos X
Los rayos X son una forma de
radiación electromagnética al igual que la luz visible, pero con algunas
características diferentes. La diferencia importante es que los rayos X pueden
penetrar o pasar a través del cuerpo humano y producir imágenes proyectando la
sombra de ciertas estructuras, tales como huesos, algunos órganos y signos de
enfermedad o lesión. (https://www.iaea.org/resources/rpop/patients-and-public/x-rays)
La radiografía estática es como una
‘fotografía hecha con rayos X’. Un fluoroscopio es un aparato de rayos X
utilizado por el médico para ver movimientos en el interior del cuerpo y para
observar ciertas exploraciones diagnósticas o intervenciones que se están
realizando en el interior del cuerpo. En la tomografía computada (CT) se utilizan también
rayos X para producir imágenes.
Otra característica de los rayos X
que la diferencia de la luz es que transportan una cantidad mayor de energía y
depositan una parte de la misma en el interior del cuerpo al atravesarlo. La
energía de los rayos X que queda absorbida
en el tejido tiene la capacidad de producir algunos efectos biológicos en el
mismo. A la cantidad de energía de rayos X absorbida en los tejidos se la
conoce como dosis de radiación. En radioterapia (o
tratamiento oncológico con radiación) se utilizan dosis de radiación muy
elevadas con el fin de detener la multiplicación de las células cancerosas.
Estructura
y generación del tubo de Coolidge.
El tubo de coolidge, también conocido como «tubo de cátodo caliente», ha
estado en uso desde entonces con algunas modificaciones sobre el diseño básico.
Funciona en un alto vacío, de unos 10−4 pa, o 10−6 torr y los electrones son
generados por emisión termoiónica en un filamento de wolframio —el cátodo—
calentado por una corriente eléctrica. El haz de electrones emitido por el
cátodo es acelerado aplicando una diferencia de potencial entre el cátodo y el
ánodo; al colisionar con el ánodo, los electrones producen rayos x por los
mismos procesos que en el tubo de crookes.
El tubo de rayos x consta de un cátodo, cuya función es emitir
electrones hacia el ánodo. En los tubos modernos, el cátodo es un filamento,
habitualmente de wolframio, calentado por medio de una corriente eléctrica de
unos pocos amperios. Una porción de los electrones que circulan por le
filamento se desprenden debido al efecto termoiónico. El haz de electrones
emitido por el cátodo se acelera mediante una fuente de alto voltaje alterna
—por ejemple, entre los 30 y 150 kv— para mejorar el rendimiento de los tubos
de rayos x y evitar que la corriente fluya hacia el cátodo y destruya el
filamento durante el ciclo de voltaje inverso se usan rectificadores.
PARA MÀS INFORMACIÒN
