Los isótopos y sus aplicaciones
Introducción
¡Hola!
Espero que este día se complemente con muchas satisfacciones para ti y goces de una salud envidiable. Te doy una calurosa bienvenida a tu octava clase titulada Los isótopos y sus aplicaciones.
En la clase anterior estudiamos los átomos y las partículas que lo conforman, aprendimos que existen 3 partículas subatómicas fundamentales: el electrón, el protón y el neutrón. Este último fue descubierto por James Chadwick en 1932, fue la última de las tres partículas descubiertas.
Más de 30 años atrás en 1898 Marie Curie había descubierto el radio y descrito el fenómeno de la radioactividad qué les ocurre a ciertos elementos químicos los cuales emiten energía de forma espontánea, es decir, sin haberlos irradiado previamente con otro tipo de energía. Pero hasta el descubrimiento del neutrón no había un claro entendimiento de este fenómeno, de por qué los átomos podían desintegrarse radiactivamente o de la naturaleza de la energía que emitían.
Aun así, las aplicaciones para la radioactividad no se dejaron esperar y para inicios del siglo 20 ya se utilizaba en tratamientos médicos, tiempo después se utilizó en armamento, hoy en día existen muchas formas en las que sacamos provecho a este fenómeno.
Ahora nos toca entender la relación entre el neutrón en el núcleo y la radiactividad, así como sus aplicaciones espero que sea de tu interés.
Desarrollo del tema
Tal vez ya has escuchado de la radioactividad y de los isótopos radioactivos, resulta que es un concepto muy interesante el cual ha sido material importante para la imaginación de escritores y directores de cine. Tal vez has escuchado de accidentes en plantas nucleares cómo el de Chernóbil, donde una planta nuclear se desestabilizó hasta el punto en el que el reactor nuclear estalló liberando grandes cantidades de radiación al ambiente, pero ¿sabías que en México sucedió un desastre nuclear que afectó a miles de personas en todo el país? te invito a leer la siguiente nota para saber más al respecto:
Habrás leído en la nota que se menciona el isótopo de cobalto-60 el cual se encontraba dentro de una máquina de radioterapia usada para el tratamiento de cáncer, este es uno de los 22 radioisótopos que se han descubierto del cobalto, y sólo hay un isótopo natural estable, el cobalto-59, cuando mencionamos a los isótopos de un elemento se indica el número de masa de este. Recordarás que la cantidad de protones en los átomos de un elemento es fija, pero la cantidad de neutrones puede variar cambiando su número de masa. En el caso del cobalto su número atómico es de 27, de acuerdo con la fórmula para calcular el número de masa sabemos que el isótopo estable cobalto-59 tiene 32 neutrones.
Masa atómica media y abundancia relativa
Notarás que en las tablas periódicas además del número atómico de un elemento también indica la masa atómica. Ahora que sabes que los elementos como el cobalto pueden presentar isótopos cuya masa varía, entonces ¿a qué corresponde la masa atómica reportado en las tablas?
La mayoría de los elementos en la tabla periódica poseen al menos un isótopo que es estable, por lo que se necesita obtener una masa atómica promedio de todos esos isótopos y se debe calcular mediante un promedio ponderado en el cual se toma en cuenta la proporción en la cual se encuentran estos isótopos en la naturaleza, es decir, su porcentaje de abundancia, algo que no se toma en cuenta si se realiza un promedio aritmético.
Por ejemplo, el hidrógeno se conoce que posee otros 2 isótopos, denominados deuterio 12H y tritio 13H:
Para calcular la masa atómica promedio multiplicamos la masa por la abundancia (en forma decimal) de cada uno de los isótopos y la sumamos. El hidrógeno tiene una masa de 1.00783 uma y una abundancia del 99.9885% (0.999885 en forma decimal), el deuterio tiene una masa de 2.01410 uma y una abundancia de 0.115% (0.00115), y el tritio tiene una masa de 3.0165 uma y su abundancia es prácticamente de cero.
De esta forma podemos calcular las masas atómicas promedio de los elementos químicos.
Da clic en el siguiente enlace para acceder al simulador, en esta ocasión el simulador te permite construir isótopos de algunos de los elementos de la tabla periódica y podrás observar cómo cambia su número de masa además de que te dirá si se trata de un isótopo estable y cuál es su abundancia. Recuerda explorar todas las opciones que te permite el simulador para obtener la mayor cantidad de información posible.
Isótopos radiactivos
La emisión de radiación por parte del cobalto 60 o por cualquier otro isótopo radiactivo ocurre por una inestabilidad en las fuerzas de atracción y repulsión que hay en el núcleo. Recuerda que el protón es una partícula con carga positiva, al estar en el núcleo junto con otros protones existe una repulsión entre sus cargas, estás repulsiones son contrarrestadas por 2 fuerzas fundamentales de la naturaleza la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte las cuales ayudan a mantener la integridad del núcleo atómico. Al estar los protones y los neutrones juntos estas fuerzas los afectan a ambos, pero en ocasiones pueden existir átomos con núcleos inestables debido a las diferencias entre estas fuerzas de atracción y repulsión, estos átomos inestables se les conoce como isótopos y existen varios de forma natural que emiten radiación de tipo alfa, beta o gamma, al emitir esta radiación estos átomos se transforman en otros átomos más estables. También es posible sintetizar isótopos en laboratorios como el caso del cobalto-60.
Desintegración alfa
Este tipo de radiación la podemos observar en el radio-226 (Ra-226), un elemento radiactivo que se desintegra espontáneamente desprendiendo partículas alfa. estas partículas Alfa son idénticas a los núcleos de helio cuentan con 2 protones y 2 neutrones su símbolo es 24He o la letra griega Alfa, α, por lo que esta radiación tiene carga positiva.
Inicialmente el Radio posee 88 protones para tener un número de masa de 226, tras la emisión de la partícula alfa (núcleo de He) pierde 2 protones y 2 neutrones, convirtiéndose en otro elemento con 2 protones menos, y 2 neutrones menos, el Radón-222.
Desintegración beta
En este tipo de desintegración los átomos inestables desprenden una partícula beta, β. Esta partícula que se origina de un neutrón se transforma en un protón y emite un electrón para compensar la diferencia de cargas en el núcleo, por lo que esta radiación tiene una carga eléctrica negativa. Al ocurrir esto el número atómico cambia al resultar la formación de un protón, pero el número de masa permanece igual.
Radiación gamma y Rayos X
La radiación gamma, γ, no tiene masa ni carga, se constituye por fotones, partículas sin masa que conforman la luz y todo el espectro electromagnético. A esta radiación se le denomina de tipo ionizante y suele estar acompañada de radiación alfa y beta. La radiación gamma surge de la excitación de protones o neutrones en los núcleos los cuales emiten esta energía una vez que son desexcitados. Mucha de esta radiación ocurre naturalmente en algunos minerales, pero también puede provenir del espacio en los llamados rayos cósmicos que provienen del Sol o incluso de galaxias lejanas, los cuales son detenidos gracias a las capas más externas de nuestra atmósfera.
Los rayos X surgen del choque de un haz de electrones altamente energizados los cuales son frenados por un cuerpo metálico el cual emite esta radiación. En hospitales se utilizan máquinas que contienen tubos de rayos X donde se obtiene un haz de electrones del cátodo los cuales se disparan al cuerpo metálico que se encuentra con un ángulo de inclinación para emitir los rayos y dirigirlos hacia el blanco en el cuerpo de un paciente. Los rayos X son menos energéticos que los rayos gamma.
Los 3 tipos de radiación Alfa, beta y gamma poseen diferentes niveles de energía y los podemos ver en la diferencia del poder de penetración de cada una de ellas.
Las partículas Alfa son las menos energéticas y no podrían atravesar una hoja de papel, la radiación beta podría atravesar el papel, pero estructuras metálicas podrían frenarla, finalmente los rayos X y aún más los rayos gamma tienen un poder de penetración debido a que son altamente energéticas, para detener a los rayos gamma se necesita una gruesa capa de plomo. ¿Sabías que los trajes de los astronautas tienen una capa de plomo para protegerlos de la radiación que existe en el espacio?
El poder de penetración de los diferentes tipos de radiación es una de sus propiedades que más se ha utilizado en diversos campos de la ciencia. La potencia de los rayos gamma se utiliza para eliminar microorganismos que pudieran contaminar instrumental médico y alimentos. Como ya lo sabes los rayos X se utilizan para obtener imágenes de los tejidos duros de nuestro cuerpo y también para obtener tomografías. Además, éstos se utilizan en otros campos como la geología, la biología, la química, ciencia de los materiales, geofísica, oceanografía, entre otras. Una de las aplicaciones más importantes es la generación de energía eléctrica en plantas nucleares donde se utiliza material radioactivo como el uranio, la cual es una forma de producir energía eléctrica limpia sin emisiones de carbono a la atmósfera. En el siguiente video se explica cómo es que estas plantas de energía funcionan:
Además de estas aplicaciones es importante conocer que estos 3 tipos de radiación ionizante pueden resultar peligrosas para los organismos vivos ya que pueden alterar el material genético de nuestras células. Lo que puede provocar destrucción celular y mutaciones, las cuales ocasionan enfermedades graves como el cáncer.
Conclusión
Para concluir, en esta sesión vimos a mayor profundidad el concepto de los isótopos los cuales son átomos del mismo elemento, pero con un número de masa distinto debido a la variación en la cantidad de neutrones en el núcleo. Cada elemento puede poseer varios isótopos, cada uno con una abundancia diferente, para calcular la masa atómica promedio de todos los isótopos de un elemento se calcula una media ponderada, donde se toma en cuenta la masa atómica de cada isótopo y su abundancia relativa.
Recuerda que los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo y están sujetos a fuerzas de atracción y repulsión, por lo que en algunos átomos llega a haber un desequilibrio en estas fuerzas. Debido a esto, los átomos pueden emitir algún tipo de radiación. A estos átomos se les conoce como isótopos radiactivos y pueden emitir radiación tipo alfa, beta o gamma.
Estos tipos de radiación se generan de forma distinta y tienen distinta naturaleza en cuanto a su carga, a su masa, su nivel energético y su poder de penetración en diferentes materiales. Gracias a estas características se ha podido aplicarlas en diferentes campos de la ciencia.
Como vimos al inicio de esta clase los desarrollos tecnológicos tienen numerosas aplicaciones que han sido benéficas para la sociedad y el ambiente, pero en ocasiones estos pueden ser utilizados con otros fines. Mira el siguiente video sobre las armas nucleares y las plantas de energía para un mayor entendimiento de cómo funcionan:
Además, revisa este enlace para darte una idea de la cantidad de energía que se libera tras una explosión nuclear. Es un mapa interactivo donde se simula una explosión y muestra datos de los daños causados.
Esto ha ocurrido con muchos de los descubrimientos te invito a que reflexiones sobre los beneficios y las consecuencias del uso de esta tecnología.
Hemos llegado al final de la clase y como puedes notar tus conocimientos se han incrementado, ¡te felicito! Ahora es momento de hacer la tarea asignada y enviarla de manera efectiva, nos leemos hasta la próxima sesión.
Fuentes de información
- Timberlake, K. C. (2013). Química general, orgánica y biológica. Estructuras de la vida Educación media superior. (4ª ed.). Pearson Educación. ISBN: 978-607-32-2034-7
- Burns, R. A. FUNDAMENTOS DE QUÍMICA. [VitalSource Bookshelf]. Recuperado de https://bookshelf.vitalsource.com/#/books/9786073206839/
- https://espanol.epa.gov/espanol/informacion-basica-sobre-la-radiacion