viernes, 30 de agosto de 2019

50. ELEMENTOS BÁSICOS DE LA FÍSICA NUCLEAR


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.

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