II. CAMBIOS NUCLEARES Y SUS APLICACIONES

INTRODUCCIÓN

MUCHOS de los hechos y teorías expresados en el capítulo anterior se desarrollaron científicamente por el interés de comprender más sobre el núcleo atómico. Tenemos aún más dudas que respuestas.

Este capítulo se centra en la exposición de los avances más importantes en este terreno, y en la descripción del estado que guarda su desarrollo en México. Adicionalmente, intenta proporcionar ciertos elementos de juicio acerca de la utilización del conocimiento nuclear que, como muchas otras, tiene sus pros y sus contras. De esta manera, el lector podrá hacer su propia evaluación de la peligrosidad y potencialidades que tiene la energía nuclear, así como del problema ético que llega a suscitar este tema tan actual.

DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD

Los elementos que se ven en una tabla periódica 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; únicamente lo son 82 de ellos. Esto se debe a que, de forma natural, se producen cambios en los núcleos de los átomos, algunos de los cuales se desintegran con enorme velocidad mientras otros lo hacen con pasmosa lentitud.

La naturaleza entera puede construirse con los elementos naturales; del hidrógeno al uranio


La primera evidencia de estos cambios en los núcleos fue encontrada en 1896 por el francés Henry Becquerel, como una consecuencia directa del descubrimiento, unos meses antes, de los rayos X. Becquerel encontró que una sal de uranio que guardaba en un cajón emitía ciertas radiaciones que velaban las placas fotográficas vírgenes. Parecía que el uranio despedía extrañas radiaciones. El término actual, "radiactividad", no apareció sino años después, 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 provocó por primera vez un cambio nuclear artificial. Desde entonces, y sobre todo a partir del descubrimiento del neutrón (Chadwick, 1932), los científicos nucleares encontraron un sinnúmero de nuevos núcleos atómicos y multitud de aplicaciones energéticas y no energéticas 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 CIENTÍFICAS RELACIONADAS CON LOS

CAMBIOS NUCLEARES

De la obra de Navarrete y Cabrera transcribimos las disciplinas en las que se acostumbra subdividir la ciencia nuclear. Esta información será útil al lector para que comience a identificar las áreas de aplicación de los fenómenos nucleares.

a) La radioquímica estudia las propiedades de los radioisótopos, los métodos para su obtención y purificación, su uso en la investigación química y los efectos químicos de las transformaciones nucleares.

b) La química de radiaciones estudia los efectos químicos producidos por las radiaciones.

Los radioisótopos son núclidos naturales o artificiales que emiten radiactividad, es decir, que son inestables


c) La química nuclear estudia la síntesis de nuevos núclidos y elementos artificiales.

d) La física nuclear estudia las partículas que forman el núcleo atómico, la configuración del mismo y los cambios de energía que tienen lugar en él.

e) La ingeniería nuclear estudia el diseño y funcionamiento de los reactores nucleares.

f) La física de neutrones estudia la producción, detección y comportamiento de esta partícula subnuclear.

g) La medicina nuclear estudia el comportamiento de compuestos radiactivos en el organismo humano, usados como trazadores con propósitos de diagnóstico o con fines terapéuticos en el tratamiento de padecimientos.

h) La radiobiología estudia el efecto de las radiaciones nucleares en las estructuras celulares de los seres vivos en general.

i) La seguridad radiológica estudia los métodos para el manejo de materiales radiactivos, de manera que pueda realizarse sin riesgos para la salud o el medio ecológico.

Como es frecuente en la ciencia, cada una de estas disciplinas no es independiente de las demás, sino que se complementan unas con otras.

EMISIONES RADIACTIVAS

La radiactividad natural es producida por los núcleos inestables de algunos elementos pesados.

En la naturaleza existen 274 núclidos 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 núcleos con una relación cercana a un protón por cada neutrón.

b) Según va aumentando el número de protones, para que los núcleos sean estables se hace necesario un mayor número de neutrones. La razón es que con ello se reduce la repulsión entre los protones.

A los lados izquierdo y derecho de la zona de estabilidad de la figura II.2 se encuentran los núclidos inestables. Unos lo son —lado izquierdo— porque tienen un exagerado número de neutrones. Lo que les sobra a los otros —lado derecho— son protones.

Estos núclidos inestables se transforman en estables a través de diversos cambios nucleares, que constituyen la esencia de la radiactividad.

a) Emisión de partículas alfa. Estas partículas son núcleos de helio, los cuales constan de dos protones y dos neutrones. Por lo tanto, cuando un núcleo inestable emite una partícula alfa, pierde cuatro unidades en su número de masa y su número atómico se reduce en dos unidades.

Así, si X y Y representan los símbolos de los elementos con Z y Z - 2 protones, el llamado "decaimiento alfa" es una reacción con el siguiente patrón:





Figura II.2. Número atómico y de neutrones para los núclidos estables.

Nótese que una reacción nuclear se conserva la carga y el número de masa




Figura II.3. Representación de una partícula alfa.

Un ejemplo peculiar es el decaimiento del uranio-235, que se convierte en torio-231:



b) Emisión de partículas beta. Los núclidos que se encuentran a la izquierda de la curva de estabilidad, con un exceso de neutrones, se estabilizan mediante la emisión de negatrones, o partículas beta, convirtiendo un neutrón en un protón. Los negatrones no son sino electrones, despedidos a enormes velocidades fuera de la atracción del núcleo. De esta forma, uno de los neutrones del radionúclido experimenta la siguiente reacción:





Figura II.4. Decaimiento alfa.

Durante este proceso, el radionúclido eleva en una unidad su número atómico (pues cuenta con un protón adicional), y mantiene constante su número de masa. La reacción general puede describirse así:



Un ejemplo particular es el torio-231, que se convierte en protactinio-23 1 por emisión beta:



c) Emisión de radiación gamma. Al igual que los electrones excitados de los átomos, que al volver a estados más estables emiten radiación electromagnética, los núcleos inestables también pueden hacerlo, salvo que en este caso la radiación es mucho más energética y se denomina gamma. El núclido no cambia su número atómico ni el de neutrones; simplemente reduce su energía.





Figura II.5. Pene