II. CAMBIOS NUCLEARES Y SUS APLICACIONES
MUCHOS de los hechos y teor�as expresados en el cap�tulo anterior se desarrollaron cient�ficamente por el inter�s de comprender m�s sobre el n�cleo at�mico. Tenemos a�n m�s dudas que respuestas.
Este cap�tulo se centra en la exposici�n de los avances m�s importantes en este terreno, y en la descripci�n del estado que guarda su desarrollo en M�xico. Adicionalmente, intenta proporcionar ciertos elementos de juicio acerca de la utilizaci�n del conocimiento nuclear que, como muchas otras, tiene sus pros y sus contras. De esta manera, el lector podr� hacer su propia evaluaci�n de la peligrosidad y potencialidades que tiene la energ�a nuclear, as� como del problema �tico que llega a suscitar este tema tan actual.
DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD
Los elementos que se ven en una tabla peri�dica pueden considerarse como "ladrillos",
a partir de los cuales se conforman todas las sustancias presentes en nuestro
planeta y el Universo. Sin embargo, no todos estos elementos son estables; �nicamente
lo son 82 de ellos. Esto se debe a que, de forma natural, se producen cambios
en los n�cleos de los �tomos, algunos de los cuales se desintegran con enorme
velocidad mientras otros lo hacen con pasmosa lentitud.
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La naturaleza entera puede construirse con los elementos
naturales; del hidr�geno al uranio
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La primera evidencia de estos cambios en los n�cleos fue encontrada en 1896 por el franc�s Henry Becquerel, como una consecuencia directa del descubrimiento, unos meses antes, de los rayos X. Becquerel encontr� que una sal de uranio que guardaba en un caj�n emit�a ciertas radiaciones que velaban las placas fotogr�ficas v�rgenes. Parec�a que el uranio desped�a extra�as radiaciones. El t�rmino actual, "radiactividad", no apareci� sino a�os despu�s, en un trabajo de Pierre y Marie Curie, conocidos investigadores en este campo.
Figura II.1. Marie Curie.
En 1919, en el laboratorio de Ernest Rutherford se provoc� por primera vez un cambio nuclear artificial. Desde entonces, y sobre todo a partir del descubrimiento del neutr�n (Chadwick, 1932), los cient�ficos nucleares encontraron un sinn�mero de nuevos n�cleos at�micos y multitud de aplicaciones energ�ticas y no energ�ticas de los mismos. Algunas de ellas nos han sido de enorme utilidad, pero otras han puesto a la humanidad al borde de un cataclismo planetario.
DISCIPLINAS CIENT�FICAS RELACIONADAS CON LOS
De la obra de Navarrete y Cabrera transcribimos las disciplinas en las que se acostumbra subdividir la ciencia nuclear. Esta informaci�n ser� �til al lector para que comience a identificar las �reas de aplicaci�n de los fen�menos nucleares.
a) La radioqu�mica estudia las propiedades de los radiois�topos, los m�todos para su obtenci�n y purificaci�n, su uso en la investigaci�n qu�mica y los efectos qu�micos de las transformaciones nucleares.
b) La qu�mica de radiaciones estudia los efectos qu�micos producidos
por las radiaciones.
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Los radiois�topos son n�clidos naturales o artificiales
que emiten radiactividad, es decir, que son inestables
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c) La qu�mica nuclear estudia la s�ntesis de nuevos n�clidos y elementos artificiales.
d) La f�sica nuclear estudia las part�culas que forman el n�cleo at�mico, la configuraci�n del mismo y los cambios de energ�a que tienen lugar en �l.
e) La ingenier�a nuclear estudia el dise�o y funcionamiento de los reactores nucleares.
f) La f�sica de neutrones estudia la producci�n, detecci�n y comportamiento de esta part�cula subnuclear.
g) La medicina nuclear estudia el comportamiento de compuestos radiactivos en el organismo humano, usados como trazadores con prop�sitos de diagn�stico o con fines terap�uticos en el tratamiento de padecimientos.
h) La radiobiolog�a estudia el efecto de las radiaciones nucleares en las estructuras celulares de los seres vivos en general.
i) La seguridad radiol�gica estudia los m�todos para el manejo de materiales radiactivos, de manera que pueda realizarse sin riesgos para la salud o el medio ecol�gico.
Como es frecuente en la ciencia, cada una de estas disciplinas no es independiente de las dem�s, sino que se complementan unas con otras.
La radiactividad natural es producida por los n�cleos inestables de algunos elementos pesados.
En la naturaleza existen 274 n�clidos estables. Sus valores de Z y N pueden graficarse (Figura II.2), lo que permite observar que:
a) Para los elementos ligeros, la estabilidad se presenta en los n�cleos con una relaci�n cercana a un prot�n por cada neutr�n.
b) Seg�n va aumentando el n�mero de protones, para que los n�cleos sean estables se hace necesario un mayor n�mero de neutrones. La raz�n es que con ello se reduce la repulsi�n entre los protones.
A los lados izquierdo y derecho de la zona de estabilidad de la figura II.2 se encuentran los n�clidos inestables. Unos lo son —lado izquierdo— porque tienen un exagerado n�mero de neutrones. Lo que les sobra a los otros —lado derecho— son protones.
Estos n�clidos inestables se transforman en estables a trav�s de diversos cambios nucleares, que constituyen la esencia de la radiactividad.
a) Emisi�n de part�culas alfa. Estas part�culas son n�cleos de helio, los cuales constan de dos protones y dos neutrones. Por lo tanto, cuando un n�cleo inestable emite una part�cula alfa, pierde cuatro unidades en su n�mero de masa y su n�mero at�mico se reduce en dos unidades.
As�, si X y Y representan los s�mbolos de los elementos con Z
y Z - 2 protones, el llamado "decaimiento alfa" es una reacci�n
con el siguiente patr�n:
Figura II.2. N�mero at�mico y de neutrones para los n�clidos estables.
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Nótese que una reacción nuclear se conserva
la carga y el número de masa
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Figura II.3. Representaci�n de una part�cula alfa.
Un ejemplo peculiar es el decaimiento del uranio-235, que se convierte en torio-231:
b) Emisi�n de part�culas beta. Los n�clidos que se encuentran a la izquierda
de la curva de estabilidad, con un exceso de neutrones, se estabilizan mediante
la emisi�n de negatrones, o part�culas beta, convirtiendo un neutr�n
en un prot�n. Los negatrones no son sino electrones, despedidos a enormes velocidades
fuera de la atracci�n del n�cleo. De esta forma, uno de los neutrones del radion�clido
experimenta la siguiente reacci�n:
Figura II.4. Decaimiento alfa.
Durante este proceso, el radion�clido eleva en una unidad su n�mero at�mico
(pues cuenta con un prot�n adicional), y mantiene constante su n�mero de masa.
La reacci�n general puede describirse as�:
Un ejemplo particular es el torio-231, que se convierte en protactinio-23 1
por emisi�n beta:
c) Emisi�n de radiaci�n gamma. Al igual que los electrones excitados de los �tomos, que al volver a estados m�s estables emiten radiaci�n electromagn�tica, los n�cleos inestables tambi�n pueden hacerlo, salvo que en este caso la radiaci�n es mucho m�s energ�tica y se denomina gamma. El n�clido no cambia su n�mero at�mico ni el de neutrones; simplemente reduce su energ�a.
Figura II.5. Penetraci�n a, b, y y.
En muchas ocasiones, el producto de una desintegraci�n radiactiva alfa o beta es todav�a un n�cleo inestable, que tarde o temprano vuelve a decaer. El proceso se repite varias veces, hasta que se forma un n�cleo estable con una proporci�n conveniente de neutrones y protones.
A este conjunto de decaimientos nucleares se le conoce como serie radiactiva. En la figura II.6 se presenta la serie radiactiva del uranio-238, en la que, despu�s de varias emisiones alfa y beta se obtiene un n�cleo estable de plomo-206.
�sta es la raz�n de que en los yacimientos de uranio siempre existe plomo.
Figura II.6. Serie de desintegraci�n radiactiva del uranio-238.
Una muestra de un material radiactivo, no importa de qu� tama�o, siempre presenta una velocidad constante de decaimiento (la proporci�n de �tomos que decaen en un cierto tiempo es siempre la misma). Al tiempo en el cual la mitad de los �tomos radiactivos iniciales se han transformado, se le conoce como "tiempo de vida media", que es una caracter�stica de cada n�clido.
En la figura II.6, los tiempos que aparecen debajo de cada una de las flechas son, precisamente, tiempos de vida media. Por ejemplo, para el uranio-238, el dato es de cuatro mil millones de a�os. Aproximadamente, este tiempo es igual a la antig�edad de nuestro planeta. As�, si una muestra de uranio-238 se hubiera formado en la nube que dio lugar al Sistema Solar, a�n hoy existir�a la mitad de ese uranio presente; la otra mitad se habr�a transformado en otros n�cleos, seg�n se indica en la figura II.6. Adem�s, en ella podemos comprobar que los tiempos de vida media var�an para cada n�clido, siendo el polonio-214 el que menos tiempo toma en su decaimiento, apenas una mil�sima de segundo.
TRANSFORMACIONES NUCLEARES INDUCIDAS
Figura II.7. Diagrama esquem�tico de la primera reacci�n nuclear inducida
En 1919, Rutherford detect� y realiz� con �xito la primera reacci�n nuclear artificial (producida por la intervenci�n del hombre). Al bombardear con part�culas alfa una muestra de nitr�geno, encontr� una part�cula con las caracter�sticas del prot�n.
La reacci�n nuclear de Rutherford es la siguiente:
Se insiste que, en una reacci�n nuclear, la carga y el n�mero de masa no se
alteran:
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Debido a la alta velocidad de la part�cula alfa, su colisi�n con el nitr�geno provoca que ambos n�cleos se fundan (fusi�n de n�cleos), pero el n�cleo formado es inestable y elimina un prot�n.
A partir de este descubrimiento, se ha sometido a multitud de n�cleos a "bombardeos" con diferentes part�culas. Los resultados de esos experimentos siguen siendo de gran inter�s. Gracias a ellos han podido conseguirse asombrosos resultados, como:
El aprovechamiento de la energ�a nuclear y su utilizaci�n para nobles fines o para la fabricaci�n de misiles militares,
la obtenci�n de nuevos elementos qu�micos, m�s pesados que el uranio,
el hallazgo de nuevas part�culas nucleares, que ha desembocado en el planteamiento de novedosas teor�as acerca de la constituci�n de la materia, y
la utilizaci�n de los cambios nucleares en aplicaciones no energ�ticas, que han venido a apoyar el estudio del metabolismo humano y la eliminaci�n de padecimientos, la comprensi�n de la forma en que suceden las reacciones qu�micas y nuevos m�todos para analizar qu�micamente muestras con peque��simos contenidos de ciertos elementos.
En lo que resta de este cap�tulo hacemos algunas consideraciones en torno de esas aplicaciones.
Figura II.8. En 1935, Chadwick recibi� el premio Nobel de f�sica por su descubrimiento
del neutr�n.
Si en la reacci�n de Rutherford se sustituye el �tomo de nitr�geno por uno de berilio, como resultado no se detecta un prot�n, sino una part�cula sin carga el�ctrica: el neutr�n.
El descubrimiento del neutr�n vino a aclarar la constituci�n del n�cleo at�mico, compuesto esencialmente por protones y neutrones, como hemos visto.
Figura II.9. Generaci�n del neutr�n
Otro ejemplo importante de reacciones nucleares inducidas lo constituye el descubrimiento de elementos qu�micos m�s pesados que el uranio: los llamados elementos artificiales.
Hacia 1940 ya se hab�an desarrollado diversas t�cnicas para acelerar part�culas, llev�ndolas a velocidades de millones de metros por segundo. Estas part�culas se hicieron chocar con n�cleos pesados. Como resultado se obtuvieron nuevos n�cleos, debido a la fusi�n de la part�cula con el n�cleo bombardeado. Por ejemplo, al acelerar n�cleos de deuterio (hidr�geno con n�mero de masa de dos unidades) y proyectarlos sobre uranio-238 se obtiene uranio-239, de acuerdo con la reacci�n:
Como vemos, el deuterio se convierte en hidr�geno- 1, transfiri�ndose un neutr�n al n�cleo del uranio.
El uranio-239 es inestable. Despu�s de media hora emite una part�cula beta,
con lo que su n�mero at�mico aumenta en una unidad. As�, se convierte en un
n�cleo con 93 protones, que fue "bautizado" como neptunio, Np:
�sta es la forma en que el hombre ha podido obtener elementos como el neptunio, no presentes en la Tierra. As�, el conocimiento de la naturaleza le ha permitido a la humanidad obtener elementos no existentes en este mundo. �Asombroso! Hasta hoy se han encontrado 17 elementos m�s pesados que el uranio. El m�s reciente de ellos, en septiembre de 1987, vino a llamarse unniloctio (Cuadro II.2); tiene 108 protones en su n�cleo y su tiempo de vida media es de dos milisegundos.
Figura II.10. El bombardeo de nuetrones sobre uranio-238 tambi�n produce neptunio
| CUADRO II.1. S�ntesis de algunos transur�nidos. Algunos ejemplos de reacciones empleadas para obtener otros elementos transur�nidos | ||
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Plutonio
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decaimiento beta
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Curio
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bombardeo con partículas alfa
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Novelio
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Bombardeo con núcleos de carbono-12
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El descubrimiento del neutr�n proporcion� a los cient�ficos nucleares una valios�sima part�cula de bombardeo. Al no tener carga el�ctrica, un neutr�n puede chocar contra un n�cleo sin sentir ninguna repulsi�n durante el proceso. De esta forma, hasta los neutrones lentos pueden producir reacciones nucleares. El grupo de Enrico Fermi, en Roma, se dedic� a bombardear con neutrones diversos elementos, con lo que produjo multitud de nuevos n�cleos, la mayor�a de ellos inestables.
En 1938, una de estas pruebas de bombardeo con neutrones llev� a Hahn y Strassman a encontrar un nuevo tipo de reacci�n nuclear, en la que el n�cleo at�mico se parte en grandes pedazos, dando lugar a dos o m�s n�cleos ligeros.
Esta reacci�n es la inversa de la fusi�n y se denomina fisi�n.
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· Fusi�n: dos n�cleos ligeros se funden en uno solo
· Fusi�n: un n�cleo pesado se parte en dos ligeros
�no confundir! |
Una reacci�n de fisi�n del uranio-235 se presenta en la figura II.11.
La fisi�n libera enormes cantidades de energ�a. Un gramo de uranio-235 puede originar tanta como la que se obtendr�a al quemar �2 600 toneladas de carb�n! El origen de esta energ�a ser� aclarado posteriormente.
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Cuadro II.2 Nomenclatura de transur�nidos con (Z
mayor que 100)
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| Actualmente existen tres grupos de investigadores en el mundo que se dedican a la síntesis de nuevos elementos: | |||||
| El de Berkeley, en Estados Unidos, dirigido por Seaborg y Ghiorso. | |||||
| El de Dubna, en la Unión Soviética, encabezado por G. N. Flerov. | |||||
| El de Darmstadt, en Alemania Occidental, dirigido por G. Munzenberg y P. Armbruster. | |||||
| Los tres se disputan los descubrimientos de los elementos postlaurencio. Cada uno ha dado diversos nombres a los elementos 104, 105 y 106: joliotio, rutherfordio, kurchatovio, hannio y nielsbohrio. | |||||
| Para evitar disputas la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada emitió en 1979 una serie de propuestas para nombrar a los elementos con Z mayor que 100: | |||||
| 1. Los nombres de los elementos deben relacionarse con su número atómico. | |||||
| 2. Los símbolos consistirán en tres letras (para evitar duplicidad con aquéllos de número atómico menor que 100). | |||||
| 3. Todos los nombres termirnarán con la letra "o", y se usarán las raíces numéricas siguientes: | |||||
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0 = nil
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3 = tri
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6 = hex
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1 = un
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4 = quad
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7 = sept
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9 = enn
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2 = bi
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5 = pent
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8 = oct
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| debiendo colocarse juntas las raíces en el orden de los dígitos que forman el número atómico. | |||||
| Como un ejemplo tenemos: | |||||
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Número atómico
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Nombre
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Símbolo
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104
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unnilquadio
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Unq
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105
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unnilpento
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Unp
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106
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unnilhexo
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Unh
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107
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unnilsepto
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Uns
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108
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unniloctio
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Uno
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109
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unnilenno
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Une
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La idea de que la reacci�n de fisi�n puede llevarse a cabo "en cadena" se reconoci� desde 1938. En el proceso de fisi�n, adem�s de obtenerse n�cleos m�s ligeros, se generan como subproductos dos o tres neutrones. Estos pueden volverse a hacer colidir con n�cleos de uranio-235, como se ejemplifica en la figura 11.12, para obtener una reacci�n sin fin (mientras haya uranio con el cual los neutrones puedan chocar).
La reacci�n en cadena de la fisi�n es la base de las aplicaciones energ�ticas del n�cleo at�mico y, tambi�n, desgraciadamente, de las bombas at�micas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945.
Otro n�clido fusionable es el de plutonio, elemento con 94 protones que se obtiene a partir del uranio-238 presente en un reactor nuclear.
Figura II.11. Fisi�n. Cuando un neutr�n es absorbido por el uranio -235,
�ste se parte en dos fragmentos y se eliminan dos o tres neutrones. Los n�cleos
ligeros se logran estabilizar mediante la emisi�n de radiaci�n gamma.
Un tiempo despu�s (de segundos a a�os), los n�cleos ligeros se estabilizan mediante
la emisi�n de part�culas beta y m�s radiaci�n gamma.
La reacci�n en cadena puede controlarse y ser aprovechada. El dispositivo que permite mantener una reacci�n sostenida, no explosiva, se conoce como reactor nuclear. El combustible nuclear puede ser el uranio (una vez incrementada su proporci�n del is�topo 235, que es fisionable, respecto a la del 238, que no lo es).
Para que la reacci�n de fisi�n no salga de control, en el reactor se utilizan unas varillas que absorben muchos de los neutrones producidos y mantienen libre el n�mero suficiente para que prosiga la reacci�n de forma controlada. El calor producido se elimina por medio de un refrigerador, que puede ser agua o un metal fundido, que se usa para producir energ�a el�ctrica. Tal es el caso de la planta nuclear de Laguna Verde, en el estado de Veracruz: una instalaci�n nucleoel�ctrica.
En la actualidad, 14% de la energ�a el�ctrica del mundo proviene de reactores nucleares y se estimaba que este porcentaje aumentar�a a 40% para el a�o 2020, con lo que se consumir�an unas 260 000 toneladas de uranio anuales. Sin duda, los accidentes nucleares recientes reducir�n estas expectativas.
Figura II.12. Reacci�n nuclear en cadena. En breves segundos, un enorme
n�mero de �tomos de uranio-235 se fisiona, produci�ndose formidables cantidades
de energ�a.
FACTORES EN CONTRA DE LA ENERG�A NUCLEAR
El tema del aprovechamiento de la energ�a nuclear es sumamente debatido. Por una parte, se sabe que la industria nuclear ha crecido y ha sido impulsada gracias a que uno de los subproductos que se obtiene en los reactores es el plutonio, material que resulta ser el m�s conveniente para construir bombas de fisi�n. Una central nuclear de 1 000 megavatios produce alrededor de media tonelada de plutonio al a�o, lo que es suficiente para fabricar 50 bombas mort�feras.
Figura II.13. Reacci�n nuclear en cadena. En cosa de segundos, una explosi�n
at�mica puede destruir una ciudad y contaminar con radiaci�n nuestro planeta.
Los artefactos b�licos existentes en la actualidad pueden destruir todo rastro
de vida inteligente en la Tierra.
En cualquier pa�s interesado en la fabricaci�n de armas nucleares, la energ�a nuclear tiene una enorme ventaja pol�tica. La dificultad para construir una bomba reside en lo inaccesible de la materia prima y no en alg�n secreto de orden t�cnico. El uranio que puede encontrarse en la naturaleza no es un buen combustible nuclear; tiene demasiado poco uranio-235. Para que sirva es necesario aumentar la concentraci�n de este is�topo en una planta de "enriquecimiento", que es costos�sima. Estados Unidos tiene tres, la URSS dos, y Francia, Gran Breta�a y China poseen una.
As�, aunque M�xico dispone de uranio natural, Laguna Verde no puede usarlo directamente. Ser� necesario llevarlo a Estados Unidos para enriquecerlo y volverlo a traer, lo que obviamente elevar� su costo.
El problema militar de la fabricaci�n de misiles se ha resuelto gracias al plutonio que se produce en las plantas nucleoel�ctricas. Se dice que el Pent�gono lo compra a 10 mil d�lares el kilogramo. De esta manera, las potencias militares se interesan en la proliferaci�n de los reactores nucleares, para sus poco �ticos objetivos b�licos.
Figura II.14. Linus Pauling obtuvo el premio Nobel de qu�mica en 1954 y
despu�s, en 1962, de la paz, como resultado de sus gestiones para impedir la
explosi�n de bombas at�micas en la atm�sfera.
Figura II.15. Reactor nuclear de potencia. El combustible (material fisionable)
se encuentra en el coraz�n del reactor, rodeado por un moderador (agua, en la
figura). Las barras de control se colocan entre los elementos de combustible.
En el intercambiador de calor el agua se convierte en vapor, que se emplea para
mover una turbina generadora de electricidad. El vapor vuelve a condensarse
posteriormente.
Desde el punto de vista de la contaminaci�n, aunque durante la fisi�n no se emiten los gases t�xicos propios de la combusti�n, los elementos radiactivos que se producen son sumamente peligrosos. En especial, el kript�n-85 es un gas que puede desprenderse hacia la atm�sfera. Otros residuos s�lidos, si no se almacenan con cuidado durante miles de a�os pueden contaminar el suelo, penetrar en la cadena alimenticia y transmitirse hasta el hombre.
Un ejemplo reciente del mal uso de los desechos nucleares lo constituye la
aparici�n de varilla para construcci�n altamente radiactiva en el norte de la
Rep�blica Mexicana.
Figura II. 16. Otto Hahn, descubridor de la fisión.
Un punto m�s que merece atenci�n es el de la seguridad del reactor nuclear. Los dos incidentes recientes, en Three Miles Island (Estados Unidos) y Chernobyl (Uni�n Sovi�tica), pero sobre todo este �ltimo, demuestran que el centro del reactor se puede salir de control y fallar los mecanismos de protecci�n. En Suecia, a 1 000 kil�metros de distancia de Chernobyl, la radiaci�n producto de la explosi�n dej� llegar viento radiactivo de alto peligro. Se estima que el radio de muerte alrededor de la explosi�n fue de 28 kil�metros. Aunque se dice que no lleg� a la centena el n�mero de muertos en este accidente, se sabe que miles morir�n de c�ncer en los pr�ximos 50 a�os.
Figura II.17. Construcci�n principal del reactor en Laguna Verde.
Figura II.18. �Contaminaci�n? Three Miles Island (foto a�rea).
A muy altas temperaturas, del orden de millones de grados, es factible provocar que los n�cleos ligeros se unan para producir n�cleos pesados. Como ya vimos en el cap�tulo previo, las reacciones de fusi�n son precisamente la fuente de energ�a de las estrellas.
El hombre puede provocar estas mismas reacciones si se alcanzan las temperaturas termonucleares. Una forma de hacerlo es por medio de una explosi�n nuclear de fisi�n. La llamada bomba-H es una bomba de fisi�n-fusi�n, que es mucho m�s destructiva. En primera instancia se produce una explosi�n por fisi�n, con la cual la temperatura se eleva lo bastante como para que empiece a ocurrir la fusi�n del hidr�geno, incluido tambi�n en la bomba. Su poder se mide en megatones, por su equivalente en millones de toneladas de TNT, un explosivo qu�mico.
ENERG�A DE AMARRE Y DEFECTO DE MASA
Figura II.19. Eclipse solar
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�Por qu� tanta energ�a?
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Ha llegado el momento de explicar el origen de la energ�a nuclear. �C�mo es posible que la fusi�n de dos n�cleos ligeros genere tal cantidad de energ�a como la que emite el Sol? �Por qu� se libera tambi�n tanta energ�a en un reactor de fisi�n o en una explosi�n at�mica?
La respuesta a estas interrogantes fue dada por Einstein, muchos a�os antes de la explosi�n de Hiroshima. Se trata de un fen�meno de transformaci�n de masa en energ�a: la teor�a de la relatividad en acci�n.
Resulta ser que al unirse protones y neutrones para formar un n�cleo ligero se pierde una peque�a cantidad de masa. Vale la pena ver un ejemplo.
Un n�cleo de deuterio, con un prot�n y un neutr�n, tiene una masa de 2.01345 (unidades de masa at�mica, urna). Ello indica que una muestra de 2.01345 gramos de deuterio contiene 6.02 x 1023 n�cleos.
Sin embargo, como la masa de un prot�n libre es de 1.00728 y la de un neutr�n es de 1.00867, ambas part�culas tendr�n una masa total (cuando est�n separadas) de 2.01595.
�Por qu� cuando se juntan en el deuterio pesan s�lo 2.01345? La diferencia entre la masa de los nucleones separados y la masa de un n�cleo se conoce como defecto de masa. En el caso del deuterio, este defecto de masa vale:
Einstein demostr� que estas "p�rdidas" aparentes de masa no ocurren por desaparici�n inexplicable, sino que esa masa perdida se transforma en energ�a, de acuerdo con su f�rmula:
donde c es la velocidad de la luz en el vac�o (3 x 10 8 m/s). De esta manera, la �nfima cantidad de masa que desaparece al formarse un deut�rio se transforma en una energ�a de:
Esta cantidad de energ�a (menos de un billon�simo de julio) puede parecer rid�cula,
pero debe tenerse en cuenta que se refiere a la formaci�n de un sol� n�cleo
de deuterio. As�, cuando se formasen 2.01345 gramos de deuterio se liberar�a
una energ�a 6.02 X 1023 veces mayor: �224 mil millones de julios!,
cantidad suficiente para calentar y hacer hervir una alberca con casi 100 toneladas
de agua.
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�Y eso que el deuterio tiene la menor energ�a de amarre!
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De igual manera que al formarse un n�cleo por fusi�n de nucleones se libera una gran cantidad de energ�a, es necesario proporcionar esa misma energ�a para romper la uni�n entre las part�culas de un n�cleo.
Figura II.20. Albert Einstein en su escritorio en la Oficina de Patentes de
Berna, 1905.
A la energ�a necesaria para romper un n�cleo y convertirlo en sus nucleones aislados se le conoce como "energ�a de amarre". Mientras mayor es el n�mero de nucleones, mayor es la energ�a de amarre nuclear. Cuando la energ�a de amarre se calcula para todos los n�cleos, se obtiene la curva que se muestra en la figura II.21. En las ordenadas se presenta la energ�a de amarre dividida por el n�mero de nucleones. La curva presenta un m�ximo para n�cleos con 56 part�culas, como el del hierro-56 y un pico para el helio-4. Estos son los n�cleos m�s estables, pues cada uno de sus nucleones ha experimentado el mayor defecto de masa y, por lo tanto, est�n m�s fuertemente "amarrados" al n�cleo.
Figura II.21. Energ�a de amarre para cada nucle�n, en funci�n del n�mero de
nucleones.
Salvo el pico en el helio, la curva es creciente hasta el hierro y decreciente despu�s. Ello explica por qu� el Fe es el �ltimo elemento que se logra obtener por nucleos�ntesis en las estrellas y, por lo tanto, por qu� las estrellas son continuas fuentes de energ�a, pues van fabricando n�cleos cada vez m�s estables. Por otra parte, el hecho de que los n�cleos m�s all� del hierro sean menos estables que �ste, explica la liberaci�n de energ�a durante la fisi�n: el pesado y poco estable n�cleo del uranio se va convirtiendo al fisionarse en n�cleos m�s ligeros, con una mayor energ�a de amarre por nucle�n. De esta manera, los protones y neutrones del uranio se convierten en nucleones de otros n�cleos, perdiendo cada uno de ellos una cierta cantidad de masa, que se transforma en energ�a.
APLICACIONES NO ENERG�TICAS DE LA ENERG�A NUCLEAR
A continuaci�n exploraremos otras aplicaciones del n�cleo at�mico.
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La Tierra se form�... �hace cu�nto tiempo?
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Determinaci�n de la antig�edad de los minerales y materiales arqueol�gicos. Uno de los c�lculos m�s fascinantes que han podido hacerse es el de la edad de la Tierra. Conociendo la proporci�n actual de plomo y uranio en el planeta puede estimarse que la Tierra se form� hace aproximadamente 4.5 miles de millones de a�os.
De forma similar, el hombre puede datar cualquier registro arqueol�gico y as�
reconstruir su pasado y el de la vida en la Tierra. En particular, se usa el
is�topo carbono-14 para determinar la antig�edad de residuos org�nicos. Aunque
la vida media del carbono-14 es de s�lo 5 730 a�os, se est� produciendo constantemente
en la alta atm�sfera debido a la llegada de rayos c�smicos a la Tierra. De este
modo, un hueso enterrado hace algunos miles de a�os contuvo inicialmente una
proporci�n de este is�topo, la que ha venido disminuyendo. El c�lculo de su
contenido actual permite determinar su edad (Cuadro II.3).
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CUADRO II.3 Algunos de los is�topos usados en datado
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Tiempo de vida
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Intervalo útil
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Aplicaciones de
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Isótopo
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media ( años )
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(años)
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datado
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Carbono-14
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5 730
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500 a 50 000
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Carbón, materia orgánica
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Hidrógeno-3
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12.3
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1 a 100
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Vinos añejados
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( o tritio )
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Potasio-40
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1.3 x 109
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10 000 a miles de
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Rocas, corteza terrestre
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millones de años
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Renio-187
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4.3 x 1010
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40 millones a la edad
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Meteoritos
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del Universo
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Estudio de las reacciones qu�micas. La radiactividad puede medirse con diversos instrumentos. As�, si en una muestra de mol�culas se sustituye un �tomo estable por un is�topo radiactivo, puede "segu�rsele la pista" mediante la detecci�n de radiactividad. Por ejemplo, si dejamos que una planta reciba CO2 con carbono radiactivo (carbono-14), se puede estudiar el curso de la reacci�n de fotos�ntesis, investigando ad�nde fue este n�clido, que se "delata" por su radiactividad.
�sta ha sido una herramienta invaluable para estudiar el curso de las reacciones qu�micas. Ha permitido al hombre dise�ar sus propias rutas de s�ntesis para fabricar los productos artificiales que hoy usamos. Tambi�n en biolog�a permiti� conocer la funci�n de un cierto elemento, material, fluido u �rgano.
Trazadores. El adicionar peque��simas cantidades de un elemento radiactivo a una muestra permite que se lo rastree. Este m�todo se emplea en la industria para medir velocidades de flujo, detectar fugas en tuber�as y verificar procesos de mezclado.
An�lisis por activaci�n. Muchos de los elementos qu�micos son nocivos para el hombre. Su presencia, aun en cantidades �nfimas, puede ser letal cuando est�n disueltos en el agua, una vez que se acumulan en el organismo. La t�cnica de an�lisis por activaci�n neutr�nica permite medir partes por bill�n de estos peligrosos elementos en las aguas de los r�os, y as� determinar la industria o proceso que desencaden� la contaminaci�n.
Medidores de nivel, densidad, desgaste y espesores. En la industria
moderna se han incorporado medidores automatizados —para medir el nivel
dentro de los tanques cerrados, el espesor (por ejemplo, en la fabricaci�n de
papel) y el desgaste de los equipos— que emplean reacciones nucleares como
principio de funcionamiento.
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En la industria papelera, un dispositivo nuclear contrloa
el grosor del papel
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Aplicaciones terap�uticas de los radiois�topos. Cuando est� presente
en un tejido u �rgano determinado en cierta cantidad, el material radiactivo
es capaz de destruir las c�lulas existentes y de evitar la formaci�n de tejido
nuevo. Este recurso se emplea desde hace varios a�os para la destrucci�n de
tumores cancerosos, con la llamada "bomba de cobalto-60", el uso de oro-198
(c�ncer de pr�stata) y del f�sforo-32 para la leucemia. En el cuadro 11.4 se
enumeran otras aplicaciones m�dicas.
| CUADRO II.4 Aplicaciones m�dicas
de algunos radiosi�topos |
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| Isótopo |
Utilización en medicina |
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| Arsénico-74 |
Localización de tumores cerebrales |
| Cromo-51 |
Determinación del volúmen
total de la sangre |
| Cobalto-58 |
Determinación de vitamina B12 |
| Radio-226 |
Terapia y tratamiento del cáncer |
| Fósforo-32 |
Detección del cáncer
en la piel |
| Hierro-59 |
Velocidad de formación de glóbulos
rojos |
| Iodo-131 |
Diagnóstico de mal funcionamiento
tiroideo |
| Sodio-24 |
Detección de obstrucciones circulatorias |
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DESARROLLO Y PERSPECTIVAS DE LA ENERG�A NUCLEAR
Este tema reclama una profunda reflexi�n, no s�lo en lo que concierne a ventajas e inconvenientes, sino a posibilidades y proyecciones del futuro nuclear de M�xico. As� las cosas, vale la pena iniciarlo con un poco de historia.
Las ciencias de la radiactividad se inician en M�xico hace casi 30 a�os, cuando un grupo de cient�ficos hizo patente la urgencia de iniciar actividades relacionadas con los radiois�topos.
Con el prop�sito de desarrollar las ciencias nucleares y de reunir a los cient�ficos mexicanos en esa �rea, en 1964 se construye el Centro Nuclear, en las cercan�as del pueblo de Salazar, en el Estado de M�xico, donde se encuentra la sede del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ). En �ste se preparan is�topos radiactivos artificiales de ciertos elementos y se les env�a a diferentes instituciones (hospitales, universidades, industrias), seg�n el uso que se les d� y bajo el control de la Comisi�n Nacional de Salvaguardias.
Figura II.23. Reactor nuclear del ININ.
Tres a�os m�s tarde, en 1967, se crea en la UNAM el Centro de Estudios Nucleares
y se aprueba el primer plan de estudios relacionado con este campo: la maestr�a
en ciencias nucleares, con sede en la Facultad de Qu�mica. Muy poco tiempo despu�s,
el IPN inicia tambi�n una maestr�a en ingenier�a nuclear.
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Hasta 1989, en M�xico se hab�an graduado 29 maestros
en ciencias nucleares
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No obstante, el desarrollo real de esta �rea en el pa�s ha sido escaso. Tal vez los motivos hayan tenido diversos or�genes (pol�ticos —el sindicato de este sector se enfrent� en diversas ocasiones al Estado y �ste no impuls� decididamente esta �rea—, econ�micos —las reservas de petr�leo garantizaban energ�a m�s barata— y sociales —recientemente acrecentados y encabezados por grupos ecologistas).
Figura II.24. Maqueta de un reactor nuclear.
En la d�cada de los setenta se decide la construcci�n de un reactor de potencia en la localidad de Laguna Verde, estado de Veracruz. La culminaci�n de la obra ha ocurrido ya y el costo inicial previsto se ha encarecido notablemente. Resulta as� casi imposible cumplir la meta fijada para el a�o 2000, en el que se preve�a contar con 20 000 megavatios electronucleares instalados.
Los riesgos que depara el manejo de los reactores nucleares y sus desechos, la reducci�n notable de su fabricaci�n en el mundo occidental y la conexi�n que su operaci�n tiene con la carrera armamentista, indican que las aplicaciones energ�ticas del n�cleo at�mico tienen un futuro incierto. Esto es v�lido en M�xico y en el mundo, a pesar de que existen pa�ses, como Francia, que no han detenido el paso en este rengl�n. Por lo pronto, se ha dado en el pa�s un amplio debate acerca del arranque de la planta de Laguna Verde.
Pero desde luego, de alguna parte habremos de obtener la energ�a que hoy nos surte el petr�leo. Si no se considera conveniente la v�a nuclear, habr� que iniciar muy pronto un programa muy din�mico que nos permita satisfacer la demanda energ�tica para el siglo XXI, cuando ya no exista petr�leo o su escasez haga que se eleve a precios prohibitivos.
El hombre siempre ha vivido con radiaciones y seguir� viviendo con ellas. Los radiois�topos estaban presentes en la Tierra desde su formaci�n. Todo lo que ha provenido de ella, incluyendo nuestros propios cuerpos, es naturalmente radiactivo. Cada segundo, m�s de 7 000 �tomos en el cuerpo de un adulto promedio sufren decaimiento radiactivo. En el mismo tiempo, aproximadamente 300 rayos c�smicos han pasado a trav�s de su cuerpo, produciendo alguna alteraci�n en alg�n n�cleo o en alguna c�lula.
En el agua que bebemos existe, de forma natural, radiaci�n proveniente de uranio y radio. La leche contiene potasio, y es m�s radiactiva que el agua. Esto no significa que debamos evitar tomar leche, pues esta actividad radiactiva siempre ser� parte de la leche sana.
En todos nuestros hogares hay radiactividad, producida por el gas rad�n, que penetra del suelo o con el polvo.
El problema es que en a�os recientes se ha creado un n�mero de fuentes artificiales de radiaci�n, desde las bombas at�micas hasta ciertas car�tulas de reloj que pueden verse en la oscuridad.
El hombre puede recibir cierta cantidad de radiaci�n sin ser esencialmente afectado. Lo malo es que se rebase el l�mite permitido, a lo cual contribuye el mismo hombre al manejar indiscriminadamente peligrosos residuos nucleares, al hacer pruebas at�micas en la atm�sfera y el subsuelo, y al cometer errores en el dise�o y manejo de los reactores nucleares.
No cabe duda de que seguiremos necesitando energ�a. �sta es una caracter�stica de la vida moderna. Muy pronto las reservas de petr�leo se acabar�n y habr� que estar preparados con otras fuentes energ�ticas. La energ�a nuclear es una opci�n, a pesar de que conlleva complejidad, peligro e implicaciones militares y ecol�gicas. Ser� preciso tener en cuenta que los recursos de uranio tambi�n se agotar�n y podr�an ser m�s limitados que los petroleros: la actual producci�n mundial de uranio es similar a la alcanzada en 1960.
Sin embargo, es cierto que otras posibilidades energ�ticas no nucleares tambi�n afectan la ecolog�a (por ejemplo, la construcci�n de una planta hidroel�ctrica implica la inundaci�n de una enorme extensi�n de terreno), y las decisiones al respecto est�n asimismo influidas por par�metros econ�micos y pol�ticos, m�s que por el inter�s social.
Tal vez la humanidad, en su proceso de evoluci�n, a�n no ha alcanzado la madurez racional suficiente como para aprovechar adecuadamente sus conocimientos acerca de la naturaleza. Quiz� nunca la alcanzar� si se obstina en dedicar enormes cantidades de recursos a las �reas b�licas nucleares, y tan exiguos a la batalla contra el hambre y las condiciones subhumanas de vida.
Nada habr� que hacer si alg�n d�a una superpotencia decide oprimir el bot�n. Este ser� un hecho irreversible, en el cual la ambici�n de poder triunfar� sobre la moral y sobre la supervivencia del g�nero humano.
El n�cleo at�mico ha sabido aprovecharse para erradicar males y enriquecer la calidad de la vida, pero tambi�n se le ha utilizado como amenaza y como arma para lograr la rendici�n. Decidir el uso que habr� de hacerse del conocimiento adquirido queda en manos de las nuevas generaciones. Esperamos que sea para bien de la humanidad.
Aguilar, G., S. Cruz y J. Flores, Una ojeada a la materia, colecci�n "La ciencia desde M�xico", 3, FCE, M�xico, 1986.
Brandan, M. E., Armas y explosiones nucleares: la humanidad en peligro, colecci�n "La ciencia desde M�xico", 61, FCE, M�xico, 1988.
Bulbulian, S., La radiactividad, colecci�n "La ciencia desde M�xico", 42, FCE, M�xico, 1987.
Bulbulian, S., y M. Navarrete, "La radiactividad en M�xico", Ciencia y Desarrollo 8 (48), 6 (1983).
Choppin, G. R., "Fissao nuclear", Rev. Iber. Ed. Qu�m. 2 (4), 105 (1967).
Dickson, T. R., Qu�mica ecol�gica, Limusa, M�xico, 1980.
Garc�a Fern�ndez, H., La bomba y sus hombres, Editorial Alhambra Mexicana, M�xico, 1987.
Lartigue, J., et al., "Energ�a nuclear I. Aplicaciones no energ�ticas", Cuadernos de Posgrado 21, Divisi�n de Estudios de Posgrado, Facultad de Qu�mica, UNAM, M�xico, 1986.
Lezama, J., y B. Espejel, "Los radion�clidos: su producci�n y su uso", Ciencia y Desarrollo 47, 122 (1982).
Mart�nez Guti�rrez, J. D., "Los domadores del �tomo", Ciencia y Desarrollo 74, 29 (1987).
Navarrete, M., y L. Cabrera, Introducci�n al estudio de los radiois�topos, Comisi�n Federal de Electricidad, M�xico, 1979.
____, "Biograf�a de la radiactividad: un tema de nuestro siglo", Ciencia y Desarrollo 48, 63 (1983).
Rabinowitz, J. L., y J.C. D�az Zagoya, Aplicaciones de los radiois�topos en qu�mica, biolog�a y medicina, Secretar�a Ejecutiva del Consejo de Estudios de Posgrado, UNAM, M�xico, 1984.
Solache, M. J., "La radiactividad natural", Ciencia y Desarrollo 8 (48)16 (1983).
