Radioactividad natural

ÍNDEX
Primera part: Introducció ····················································································02
−Conceptes previs······················································································02
−Què és la radioactivitat?···········································································03
−Radioactivitat natural···············································································04
Segona part: Sèries Radioactives·········································································05
−Grans sèries radioactives·········································································05
Tercera part: Aplicacions dels isòtops radioactius···············································06
−Interacció amb la matèria·········································································06
−Aplicacions mèdicobiològiques·······························································06
−Aplicacions industrials·············································································09
−Aplicacions artístiques i paleontològiques ··············································09
−Aplicacions agroalimentàries···································································10
−Aplicacions bèl·liques··············································································10
Conclusió:············································································································11
Bibliografia··········································································································12PRIMERA PART:
INTRODUCCIÓ
L'objectiu principal d'aquest treball és consolidar els coneixements adquirits a classe i reforçar algunes àrees
en concret, a escollir entre tres proposades: història de la radioactivitat, radioactivitat natural i fusió i fissió
nuclears. En aquest treball, el tema desenvolupat és el segon.
L'esquema plantejat en aquest cas indicava que s'havia de treballar sobre les sèries radioactives i les
aplicacions dels isòtops radioactius. Com que el tema base era la radioactivitat natural, tota la informació
referent al descobriment de la radioactivitat i els primers passos de la investigació nuclear no s'ha analitzat, i,
pel que fa a la fusió i la fissió nuclear, s'ha explicat de forma mínima per tal d'evitar buits o mancances en la
resta del treball. A més, el treball s'ha centrat en les aplicacions mèdiques ( i biològiques) de la radioactivitat,
tal com es va indicar que podien fer aquells alumnes del Batxillerat de Ciències de la Salut que hi estiguessin
especialment interessats.
Per tal de fer més clar i gràfic el treball, s'han afegit imatges entenedores que no busquen sinó la més fàcil
comprensió dels continguts. Totes inclouen una petita explicació, i estan degudament relacionades amb els
continguts.
Al ser aquest treball sobre ciència, es basa en unes informacions que, com a característica inherent, descriuen
1
allò que avui dia, i tenint en compte les investigacions fetes i les conclusions que se n'han tret, es té com a
cert. Ara bé, és possible que, en a curt o llarg termini, alguna de les informacions o dades indicades es sigui
revocada i falsada, essent substituïdes per altres coneixements. Això, lluny de ser una trava a l'avanç de la
ciència, suposa un repte continu i un impuls a l'estudi.
Conceptes previs
Hi ha una sèrie de conceptes químics i físics que és bo recordar ( o incorporar) al parlar de radioactivitat:
−Z: Nombre atòmic, és a dir, nombre de protons d'un nucli
−A: Nombre màssic, és a dir, nombre de nucleons ( protons i neutrons) d'un nucli.
−Isòtop: Àtoms amb igual Z però diferent A. Alguns són radioactius, i estan en proporcions més o menys
elevades a la natura.
−Isòbar: Àtoms que, tot i tenir igual A, tenen diferent Z i, per tant, són d'elements diferents.
−Espècie nuclear: Element caracteritzat per un Z i A determinats.
−Isòmer: Nucli amb Z i A iguals però amb una energia més gran que la normal per a l'espècie nuclear en
concret. Sovint acaben per retornar a l'estat inicial. Són poc estables.
−Període de semidesintegració o semivida: Expressat com a T1/2, Indica el temps que triga una mostra d'un
element en concret a reduir−se a la meitat.
−Constant radioactiva: expressat com a , és pròpia de cada element.
El nucli d'un isòtop radioactiu és, per definició, poc estable.
Què és la radioactivitat?
La radioactivitat és un fenomen fisicoquímic, pel qual un grup d'àtoms d'un element transforma la seva
estructura interna i esdevé un altre element, que es produeix de forma espontània però ordenada quan
l'estructura interna dels àtom és inestable, i que habitualment dóna lloc també a l'emissió de partícules
radioactives dotades de molta energia. Es pot produir de forma natural o bé artificial, i succeeix en un ordre
natural fix a partir d'uns isòtops en concret (no tots els isòtops són radioactius).
Aquest procés pot produir−se de les maneres següents:
−Fusió nuclear: Diversos àtoms lleugers (o un àtom lleuger i una partícula radioactiva) en formen un de més
pesant: per exemple, dos àtoms de deuteri (2H) en formen un d'heli (4He). S'absorbeix energia.
−Fissió nuclear: Un àtom pesant es transforma en diversos àtoms més lleugers (o en un àtom més lleuger i una
partícula radioactiva). Es desprèn energia.
Com ja s'ha dit, durant aquests processos es poden alliberar o incorporar partícules radioactives, de manera
que un àtom pesant esdevingui un àtom lleuger i una o més d'aquestes partícules o viceversa; de fet, això és el
que succeeix més sovint. Aquestes partícules poden ser:
−Es tracta de nuclis d'Hel·li: 4He
2
+, és a dir, positrons
−Poden ser; −, és a dir, electrons Si només s'indica , s'entén −
− Són radiacions electromagnètiques, que no afecten l'estructura de l'àtom. Inclouen els raigs X, els UV, la
llum visible, els raigs infraroigs...
L'energia emesa o captada durant les reaccions nuclears sol ser molt gran, i habitualment s'expressa en MeV (
1 MeV= 1'6 · 10−13 J).
Radioactivitat natural
La radioactivitat, com s'ha explicat anteriorment, es pot produir de forma natural i espontània, i de fet és així
més sovint del que es pensa.
Una part important d'aquesta radioactivitat natural es produeix a les estrelles, i es creu que la gran massa de
matèria que originà el Big Bang era constituïda per Hidrogen i que fou la gran quantitat d'energia alliberada
amb l'explosió el que provocà l'aparició dels altres elements. Aquesta radiació provinent d'estrelles i
supernoves ens arriba en forma de llum, raigs UV...,és a dir, radiació . (Fig. 02)
A la Terra, els elements radioactius es poden classificar en:
−Elements radioactius primigenis: Són elements que són a la terra des de la seva mateixa formació i que,
degut al seu llarg període de semidesintegració (igual o superior a l'edat de la Terra), encara es mantenen
actius. Aquesta radioactivitat natural primigènia és la que descobrí casualment Becquerel mentre treballava
amb sals d'urani, i són aquests isòtops ela que formen les grans sèries radioactives. L'energia que aquests
elements emeten és la principal causa de la calor de la terra ( Si no existís aquesta radiació, la temperatura
mitjana terrestre seria d'uns −30ºC)
−Elements radioactius cosmogònics: Són elements localitzats a les capes més altes de l'atmosfera que, a causa
dels raigs còsmics provinents de l'espai, produeixen reaccions nuclears. Ara bé, aquests processos solen durar
minuts o hores, i gairebé mai sobrepassen les 20 hores.
A la natura predominen uns isòtops radioactius en concret, per sobre dels altres, però això no vol dir (en
absolut) que siguin aquests els únics elements amb radioactivitat natural. Aquests isòtops són el triti (3H), el
14C, el 60Co, el 131,I el 137Cs, el 235U i el 238U.
3
SEGONA PART: SÈRIES RADIOACTIVES
Les sèries o cadenes radioactives són reaccions de conjunts o grups d''àtoms que, a causa de la radioactivitat,
es van desintegrant uns en els altres, acabant normalment en el plom (Pb), que, per la seva estructura atòmica,
resulta molt estable. Aquestes sèries són fixes, és a dir, es produeixen no de forma aleatòria sinó de forma
ordenada i passant sempre pels mateixos estadis. Durant aquestes sèries (que poden durar milions d''anys o
hores, depenent dels elements implicats), s''allibera energia i partícules radioactives.
Grans sèries radioactives
Tot i que hi ha quatre grans sèries radioactives, una d'elles (la del Bismut) es va obtenir de forma artificial, i és
per això que no se'n parlarà en aquest treball. Les altres tres són la del Tori (iniciada per l'isòtop 232Th), la de
l'Urani ( iniciada per l'isòtop 238U) i la de l'Actini (iniciada per l'isòtop 235U). Com es pot observar en les
figures 03, 04 i 05, les tres sèries radioactives naturals acaben amb isòtops del Plom (208Pb, 206Pb i 207Pb,
respectivament). El nom que reben les tres sèries no és degut a l'element iniciador, com es podria pensar
observant les dues primeres, sinó que es deu a l'element de vida mitjana més llarga. Es pot observar també que
les tres sèries passen per isòtops del Radó ( el 219Rn,220Rn i 222Rn), estadi en què part del mateix tendeix a
incorporar−se a l'atmosfera, tot i que, degut al curt període de semivida que té, la proporció de Radó alliberada
a l'atmosfera és reduïda.
Si dos isòtops estan en equilibri radioactiu, la proporció entre ells es manté constant.
Hi ha, a més, reaccions nuclears espontànies i relativament freqüents que no formen part de cap sèrie, com per
exemple la reacció per la qual el 60Co esdevé 60Ni. (Fig. 6)
TERCERA PART: APLICACIONS DELS ISÒTOPS RADIOACTIUS
Malgrat la mala reputació que tradicionalment s'ha donat a la radiació, el cert és que, utilitzada amb cura i
amb bases de coneixement sòlides, la radiació pot ser−nos molt útil i beneficiosa, utilitzant el poder destructor
de les radiacions en favor nostre.
Interacció amb la matèria
Abans d'explicar quines són les aplicacions de la radioactivitat, cal observar abans com poden interaccionar
les emissions radioactives amb la matèria. Per a aquest efecte, dividirem les partícules que es poden emetre de
4
forma diferent:
−Partícules amb càrrega: , i protons: Poden ionitzar la matèria, excitar−la (donar−li energia) o bé, en el cas
de la radiació , produir el que es coneix com a radiació de fre.
−Neutrons: Constitueixen la part més perillosa. Poden difondre part de la seva energia cinètica entre els àtoms
i produir reaccions, o bé causar el que s'anomena captura radioactiva, que provoca conversions d'àtoms en
altres que en són isòmers.
−Radiació : És la que té més poder de penetració, i també la que menys interacciona, ja que la massa no és
rellevant, i no està carregada.
Cal també, abans de continuar, saber que la dosi absorbida és la quantitat d'energia que l'isòtop radioactiu
transmet a l'objecte irradiat. S'expressa en Gy ( 1 Gy= 1J : 1kg)
Aplicacions medicobiològiques
Les aplicacions mèdiques o biològiques són aquelles que s'han desenvolupat per produir un efecte determinat
en un teixit viu, o per observar−lo. També pot succeir que uns isòtops radioactius introduïts accidentalment en
un ecosistema siguin utilitzats per ecòlegs per valorar−ne l'estabilitat.
tot i que no és necessari, és interessant saber què és l'EBR (eficiència biològica relativa): és el quocient de la
dosi administrada en un teixit viu per la dosi que, en condicions ideals i en un cos mineral, produeix el mateix
efecte ( destrucció o formació de molècules, etc.), i serveix per avaluar els riscos de la radiació. Sempre és
inferior a 1, i en medicina es busca una mitjana de 0'3.
Partint d'aquests coneixements, s'han desenvolupat tres aplicacions principals de la radioactivitat::
−Aplicacions de diagnòstic: Són les que serveixen per observar mèdicament parts internes del cos, el
funcionament de certs òrgans, etc., sense necessitat d'utilitzar la cirurgia. Té dues vessants: la radiologia, que
es basa en la impressió de raigs X en plaques fotogràfiques que queden més o menys gravades segons la
naturalesa dels teixits que travessen (la Tomografia Axial Computada i les radiografia són procediments
coneguts i relativament habituals que utilitzen aquestes tècniques); i la medicina nuclear o radiofarmàcia, que
parteix del fet que un isòtop radioactiu té les mateixes propietats químiques que un altre isòtop del mateix
element, i introdueix els primers al cos per tal de marcar, seguir i observar el funcionament o circulació de
glàndules, compostos, òrgans, etc. El Carboni−14 i el Triti (3H), per exemple, són útils per a seguir alguns
sucres o hormones. Aquest és un procés molt utilitzat en la detecció de l'arteriosclerosi.
Quan parlem d'aplicacions mèdiques de diagnòstic, cal tenir en compte una sèrie de factors que influeixen en
l'efectivitat o perillositat de les mateixes: la direcció i intensitat dels rajos, la qualitat de la radiació i les
pantalles antidifusió (que eviten tant les pèrdues d'energia com la difusió de raigs perillosos).
5
−Aplicacions pal·liatives: Es valen de la radioteràpia, és a dir, es fonamenten en l'aprofitament de la capacitat
destructora de la radiació per destruir el DNA de grups cel·lulars anormals, tòxics o malignes impedint
d'aquesta manera la seva expansió, sense alterar en excés ( és evident que el cos del pacient en general en
resulta mínimament afectat) el funcionament de les cèl·lules del seu voltant. Els isòtops més utilitzats amb
aquest objectiu són el 60Co 131I 90Yt, i el Cesi.
No obstant, cal tenir en compte que, de la mateixa manera que les lleis de Bergonie−Tribendeau (una cèl·lula
és especialment radiosensible a major activitat reproductiva i menor especialització) són desfavorables a les
cèl·lules tumorals, també ho són per a les cèl·lules embrionàries i les dels nadons, i que és per això que ni el
diagnòstic ni el tractament amb isòtops radioactius és aconsellable en dones embarassades o nadons de poca
edat.
6
−Aplicacions ecològiques: L'ecologia, com és sabut, és la part de la biologia que estudia les relacions que
estableixen els organismes i poblacions amb el biòtop i la biocenosi en què estan immersos. Paradoxalment,
els mateixos compostos o productes que poden contaminar o eutrofitzar un ecosistema poden, si són
radioactius, servir per a valorar l'impacte que han causat: Així, si s'aboquen accidentalment compostos de iode
radioactiu, per exemple en un llac, es podrà després estudiar l'efecte que aquesta eutrofització ha tingut
observant la concentració d'isòtops radioactius en les glàndules tiroïdals, i determinar si la radiació perviu en
els organismes o bé si ha estat excretada i/o dipositada (sense que hagi entrat en organismes). Com es veu, el
sistema no és gaire diferent de la radiofarmàcia, fins al punt que en alguns casos s'ha arribat a introduir isòtops
radioactius ecosistemes expressament (com ja s'ha dit, les propietats químiques de dos isòtops d'un mateix
element són idèntiques.
Efectes secundaris de la radiofarmàcia i la radioteràpia
−A nivell molecular, distingim entre aquelles biomolècules que hi són euroiques (Hidrats de Carboni, Lípids i
Proteïnes no es veuen gaire afectats i poden ser restaurats) i les que hi són estenoiques (Els àcids nucleics
DNA, RNA, etc, poden perdre bases nitrogenades, patir ruptures en les seves hèlixs, perdre enllaços
d'hidrogen, etc., donant lloc a mutacions). El dany que desencadenen en el teixit pot ser somàtic, si les
cèl·lules afectades no es reprodueixen, o genètic, si es reprodueixen i esdevenen un càncer latent.
−A nivell d'organismes, els principals símptomes que pot mostrar un animal o persona quan s'ha vist exposat a
una radiació massa forta són: nàusees o vòmit, convulsions, deliris, mals de cap, diarrea, pèrdua del cabell i de
peces dentals, descens en el nombre i qualitat dels glòbuls vermells i blanc en sang, alteracions en el sistema
limfàtic, danys en els conductes gastrointestinals o pèrdua de les mucoses, hemorràgies internes, vulnerabilitat
envers les infeccions bacterianes, tumors benignes o malignes), leucèmia, cataractes, alteracions del fetus (
fins i tot anys després de les exposicions), danys en tot el sistema nerviós, decoloració del cabell en gris,
cremades internes o externes, i alteracions menstruals (la menstruació pot veure's interrompuda temporalment
o permanent).
7
Aplicacions industrials
En indústria, s'aprofiten la capacitats d'interacció amb la matèria i de produir energia.
−Anàlisi de puresa i antiguitat: treballant amb els diferents isòtops radioactius, i coneixent−ne el període de
semidesintegració i altes propietats, es poden identificar amb relativa facilitat una sèrie de materials. Aquesta
tecnologia es pot aplicar, per exemple, quan es vol, en indústries petrolieres o de tractament de líquids, per a
identificar impureses i localitzar−les, o fins i tot per a determinar la composició de certs materials, aplicació
que troba el seu ús més rendible en la mineria de metalls i minerals preciosos (or, diamants...)
−Obtenció d'energia: Les centrals nuclears són força conegudes. Tot i que podria semblar complex i si no es
va amb cura pot resultar perillós, en realitat el sistema és força senzill: en la part coneguda com a reactor es
produeixen reaccions nuclears que donen lloc a grans quantitats d'energia en forma de calor, que s'utilitza per
escalfar aigua. El vapor resultant fa moure unes turbines, que ja produeixen energia elèctrica. Per tant, no és
l'energia nuclear pròpiament dita el que s'utilitza sinó el vapor resultant. El principal problema és el tractament
dels residus, ja que són molt perillosos.
Aplicacions artístiques i paleontològiques
Encara que ciència i art puguin semblar disciplines molt allunyades, també es poden complementar:
−Mitjançant tècniques semblants a les d'anàlisi de materials explicada en l'apartat anterior, es pot dur a terme
un anàlisi, d'estàtues o quadres de gran valor, per certificar−ne l'autenticitat (si són realment antics o bé es
tracta de falsificacions), o per localitzar quines son les zones químicament més degradades ( procediment que
es dugué a terme durant el procés de restauració del David de Michelangelo).
−Datació: Aquesta aplicació es recolza en els coneixements actuals del funcionament de l'àtom i de la
radioactivitat per a detectar traçadors, elaborar rellotges molt precisos i per datar objectes localitzats en
jaciments, excavacions, investigacions, etc.( aquest últim procés s'acostuma a dur a terme utilitzant
Carboni−14, ja que al morir un organisme la proporció d'aquest amb el Carboni−12 ( no radioactiu) varia de
forma constant)
Aplicacions agroalimentàries
8
−Esterilització i conservació: Utilitzant les propietats de la radiació com a biocida, alguns isòtops radioactius
són utilitzats per esterilitzar materials que han estat manipulats i posteriorment envasats, o bé per reduir la
proliferació de bacteris i insectes en els aliments d'origen agrícola, ja que poden arribar a ocasionar pèrdues de
fins al 50% del total de les collites, ja sigui esterilitzant la població o, més dràsticament, aniquilant−la. També
es pot esterilitzar un aliment per irradiació, procés basat en la descomposició química de l'aigua que forma els
organismes, reduint−ne per tant l'activitat metabòlica, tot i que aquest procés és força més complex, i
requereix càlculs i tècniques molt més precisos.
−Avaluació de mètodes de cultiu: Amb una tècnica semblant a l'explicada a les aplicacions ecològiques, es pot
introduir un isòtop radioactiu per valorar la capacitat d'absorció d'un determinat fertilitzant o adob, o per
determinar quina és la millor manera de regar un camp.
Aplicacions bèl·liques
L'aplicació més coneguda i en la qual s'inverteixen més recursos és la bèl·lica.
La bomba atòmica, desenvolupada pels EUA i llançada sobre les ciutat japoneses d'Hiroshima i Nagasaki cap
al final de la WW2, ha suposat una gran divulgació, sovint sensacionalista, dels efectes perjudicials de la
radiació, provocant un desconeixement de les aplicacions positives que ha provocat posicionaments contraris
a la investigació nuclear basats en dades o informacions poc objectives.
−La primera bomba atòmica (Little Boy) fou llançada per l'Enola Gay, un bombarder dels EUA, el 6 d'agost
de 1945 sobre Hiroshima. Al cap de poc, en caigué una altra sobre Nagasaki. En aquestes ciutats japoneses hi
hagueren 260 mil morts instantànies, i centenars de milers de persones moriren més tard a causa de la radiació
a què havien estat exposats. Avui dia, els dispositius bèl·lics armats amb càrrega nuclear estan mol més
desenvolupats i són molt més mortífers. Els EUA segueixen sent el país amb més armes nuclears.
−A més, hi ha un fort contingent d'armes que, en lloc d'utilitzar el potencial mortífer de la radiació, aprofiten
l'energia nuclear com a propulsora. És el cas dels míssils teledirigits, o armes de gran abast.
CONCLUSIÓ
La radioactivitat és poderosa. Això és un fet objectiu i innegable, però l'esperit curiós de l'ésser humà i l'afany
de saber que el caracteritza han fet que allò que els nostres besavis desconeixien i els nostres avis no entenien
nosaltres ho comprenguem. L'home ha aconseguit recrear artificialment un dels fenòmens naturals amb més
aspecte de miracle novel·lístic: la matèria es transforma. No només això, sinó que, amb el temps i conforme
anava descobrint−ne els perills, no s'ha acovardit sinó que s'ha entestat a trobar−hi una utilitat. Avui dia,
doncs, trobem que l'home és capaç d'aprofitar una energia valuosa, i ha aconseguit pal·liar els efectes del
càncer, la leucèmia i moltes malalties més amb la radioactivitat. Ha aconseguit conservar aliments i fer moure
motors. Ha demostrat que les coses sí que poden sortir del no−res o, com a mínim, que pot semblar−ho. Ha
aconseguit moure màquines de tones de pes.
La radioactivitat és molt poderosa. I només fa cent anys que li diem radioactivitat.
BIBLIOGRAFIA
· Radioactividad en Farmacia, Rocío Adejas. Publicat a internet
·Uso de radioaciones ionizantes para la preservación de alimentos, Pablo Sánchez. Publicat a internet
·Física 1, S.Serra, M.Armengol, J.Mercadé. Mc Graw Hill
9
·Física 1, A.Caamaño, A.Cortel, M.T.Lozano, L.Pueyo. Teide
·Una breve historia de casi todo, Bill Bryson. RBA
.Tècniques Avançades d'Imatge en Biomedicina, UPF
9
Fig. 01. Diferenciació de les partícules radioactives per magnetisme
En aquesta experiència, es distingiren els diversos tipus de radiacions, fent passar les emissions d'un material
radioactiu per un imant. Com que les emissions tenen càrrega positiva i les negativa (no es considera +),
es desvien oposadament. Com que no té càrrega, no es desvia.
Imant
Material radioactiu
dins un cub
de plom
Fig.02 Proporció entre
les quantitats
de radiació
provinents de
l'espai que
reben les zones
oceàniques .
El vermell
expressa una
radiació equivalent al
triple del blau
fosc, i al doble
del turquesa.
Figs. 03, 04 i 05 : Sèries radioactives del Tori, de l'Urani i de l'Actini.
Fig. 06: Reacció per la qual el 60Co esdevé 60Ni
10
07
Fig. 08. Imatge d'un cervell per Tomografia Axial Computada
Fig. 07. Escàner per a Tomografies Axials Computades
08
Per diverses causes, entre elles els moviments terrestres, l'orientació dels pols i l'orientació en relació al Sol, la
quantitat de radiació que arriba a la Terra provinent de l'espai es distribueix de forma desigual, essent
aquesta una de les causes de la diversitat climàtica.
La Tomografia Axial Computada (coneguda com a TAC scanner) va suposar un gran avanç en les aplicacions
de diagnòstic. Basat en un sistema semblant a la radiografia tradicional, la TAC emet una quantitat semblant
de radiació però proporciona molta més informació (té un EBR molt més baix), i avui dia és de gran ajuda en
la detecció precoç de tumors. L'únic inconvenient és que és molt cara.
Fig. 09 i 10: Diferents aparells de radioteràpia per emissió d'electrons ( partícules −)
Fig. 11. Cadena de l'ADN. A: Adenina. T: Timina. C: Citosina. G: Guanina
L'ADN (Àcid Desoxiribonucleic) és la molècula que conté el que es coneix com a informació genètica, és a
dir, el codi que regula el creixement i ordre del cos. Per tant, la seva alteració pot ser molt perjudicial per a
l'organisme, provocant creixements anormals
L'ADN és una de les biomolècules més sensibles a les radiacions.
Fig. 12. Central Nuclear
Les centrals nuclears, en contra del que podrien semblar, són una font d'energia neta: només emeten vapor
d'aigua. L'únic problema són els residus radioactius, que triguen segles a desintegrar−se
Fig. 13. Os trobat en un jaciment, que serà datat mitjançant les tècniques del Carboni−14
11