Departamento de Ciencias Asignatura: Química Nombre: ________________________________________ Curso: _________
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Departamento de Ciencias Asignatura: Química Guía de Radiactividad 4º Medio Nombre: ________________________________________ Curso: _________ OBJETIVOS : Comprender como se establecen las relaciones en el núcleo atómico. Comprender el concepto de fusión a fisión nuclear. Comprender el concepto de radiación nuclear y los efectos en la salud. Comprender el funcionamiento de los reactores nucleares. Comprender el concepto de fusión a fisión nuclear. Comprender el concepto de radiación nuclear y los efectos en la salud. Núcleo Atómico, Fuente de energía La radiactividad natural se conoce como las reacciones nucleares en las cuales un núcleo se desintegra espontáneamente liberando emisiones radiactivas y transformándose en un núcleo diferente. Pero también hay formas artificiales de cambiar la identidad de un núcleo, por ejemplo, bombardear un núcleo con otro núcleo de menor tamaño y a gran velocidad o con partículas subatómicas; a este proceso se le llama radiactividad inducida. La radiactividad inducida tiene entonces 4 elementos: Núcleo objetivo, partícula que bombardea, núcleo producto y partícula expulsada. En el interior de un núcleo actúan 2 fuerzas: la repulsión eléctrica, que tiende a separare los protones, y la fuerza nuclear, responsable de mantener los neutrones y protones unidos. Para romper un núcleo es necesario vencer la fuerza nuclear, mientras que para agregarle más protones o neutrones se requiere superar la fuerza eléctrica. Ambos procesos son reacciones nucleares que liberan gran cantidad de energía. Básicamente, hay 2 tipos de reacciones nucleares: fisión nuclear y fusión nuclear. Fisión nuclear: En la fisión nuclear el núcleo fisionable es impactado por un neutrón, partiéndose en dos núcleos más pequeños, los cuales son desprendidos a altas velocidades. Si este proceso continua, ocurre una reacción en cadena, la cual de no ser controlada, puede ocasionar una gigantesca explosión. Sin embargo, la reacción en cadena solo es posible cuando se tiene una cantidad mínima de núcleos fisionables, llamada masa crítica, es decir, una determinada y suficiente cantidad de átomos fisionables capaces de sostener la reacción en cadena Los procesos de fisión nuclear se llevan a cabo en los reactores nucleares, grandes construcciones diseñadas para transformar la energía nuclear en otras formas energéticas, como la energía eléctrica. Fusión nuclear: Cuando núcleos muy ligeros se fusionan para formar núcleos más estables, se generan cantidades inmensas de energía. Estas reacciones corresponden a la fusión nuclear y son el origen de la energía que produce el sol. La fusión parece ser una fuente de energía bastante prometedora a causa de la disponibilidad de isótopos ligeros y porque el proceso no elimina desechos radiactivos, es decir, no constituye una amenaza para el ambiente. Actualmente, para generar energía no se ha empleado este método porque no se han conseguido las temperaturas requeridas para obtener una fusión controlada, y por tanto, una liberación de energía también controlada. Efectos de la radiación: Como sabemos, recibimos un bombardeo constante de radiación de fuentes naturales y artificiales, la llamada radiación de fondo. Las distintas energías de estas clases de radiación son importantes para entender sus efectos sobre la materia. Esto significa que las emisiones radiactivas tienen la potencia suficiente para golpear y liberar electrones de los átomos y generar iones cuando chocan con materia neutra, por ejemplo, la materia que compone tu cuerpo. En otros términos, la radiación provoca excitación o ionización de la materia. Se produce excitación cuando la radiación absorbida excita los electrones constituyentes de los átomos o moléculas que conforman la materia y los mueven a estados de mayor energía. Ocurre ionización cuando la radiación arranca un electrón de una molécula o átomo, formándose un ión. A esta radiación se le llama ionizante. Debido a que tiene una mayor frecuencia y menor longitud de onda, la radiación ionizante es dañina para la salud de los seres vivos. La radiación gama, los rayos X y la luz UV de alta energía son ionizantes. Casi todos los tejidos vivos contienen al menos 70% de agua en masa. Cuando la radiación ionizante pasa a través de un tejido vivo, se eliminan electrones de las moléculas de agua, con lo que se forman iones H2O+. A su vez, estos pueden reaccionar con otras moléculas de agua para producir iones hidronio H3O+ y un radical libre OH-. El radical libre OH- es una molécula inestable y muy reactiva y tiene la capacidad de atacar una multitud de biomoléculas circundantes para producir nuevos radicales libres, que a su vez, atacan más biomoléculas al interior de las células, perturbando sus funciones vitales. Este tipo de radiaciones pueden provocar daños en macromoléculas como el ADN, los daños pueden ser agudos y casi inmediatos, como quemaduras de la piel, hemorragias, diarreas, infecciones o muerte; pero también existen efectos tardíos como los cánceres y los efectos en las generaciones siguientes del individuo irradiado. Dosis de radiación: Los científicos han fijado normas de exposición a la radiación que establecen relaciones entre dosis y la duración de la exposición a la radiación y los efectos biológicos. Para medir la energía de una cantidad dada de radiación se utilizan varias unidades. La unidad SI de dosis absorbida es el gray (Gy) que corresponde a la absorción de 1J (joule) de energía por kilogramo de tejido. El rad es la unidad de uso más frecuente en medicina, donde 1 Gy = 100 rad. Los efectos de la radiación varían según el tipo de radiación . Para expresar el daño biológico en términos de la cantidad real de radiación absorbida, se utilizan el rem y el sievert (Sv), donde 1 Sv = 100 rem. La radiación ionizante de fondo proveniente de fuentes naturales representa una dosis de unos 0,003 Sv por año para cada persona. Es recomendable que la exposición total a fuentes artificiales de radiación se limite a 0,005 Sv por año. Dosis ( Sv) 0-25 0.25-0.49 0.50-0.99 1.0-1.99 2.0-5.0 > 5.0 Efecto biológico No hay efecto inmediato Disminución temporal de la cuenta de glóbulos rojos Disminución importante de la cuenta de glóbulos blancos Nauseas. Caída del cabello Hemorragias internas. Posible muerte 50% de probabilidad de muerte en el plazo de 30 días. Reactores nucleares: Una de las aplicaciones pacíficas de la fisión nuclear es la generación de electricidad utilizando el calor producido por una reacción en cadena, controlada en un reactor nuclear. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la energía que se produce en la reacción en cadena y que impide el aumento indefinido de las fisiones. Consiste básicamente, en una vasija en cuyo interior se deposita el combustible nuclear, que puede ser U- 235 o plutonio- 239. Los componentes de un reactor son: · Un material moderador, usualmente agua, que sirve para desacelerar los neutrones producidos en el proceso de fisión. · Barras de control, elaboradas con cadmio o boro, que absorben los neutrones. Sin estas barras de control el calor generado derretiría el corazón del reactor, liberando materiales radiactivos al ambiente. · Un sistema de enfriamiento que absorbe el calor producido por la fisión nuclear y lo transfiere fuera del corazón del reactor, transportándolo hacia un sistema donde se produce suficiente vapor de agua para hacer funcionar un generador eléctrico. · Un sistema de blindaje que evita la fuga de radiaciones al exterior del reactor. Llamamos central nuclear al complejo del reactor conectado al sistema de generación eléctrica. La energía obtenida en una central es enorme en comparación a una termoeléctrica (1gr de uranio = 2500 Kg de carbón). Armas nucleares: Sin lugar a dudas, una de las aplicaciones científicas más nefastas en la historia de la humanidad ha sido el uso de la fisión nuclear con fines militares y concretamente como armas de exterminio masivo. Recordemos que un kilotón (Kt) equivale a mil toneladas de TNT y que un megatón, es un millón de toneladas de TNT. La bomba, llamada bomba A lanzada en Hiroshima y Nagasaki, tenía un poder destructivo equivalente a 12 Kt. En la actualidad se identifican 3 clases principales de armas nucleares. - Bombas A: Se basan en la fisión nuclear y usan como combustible el uranio, plutonio y polonio y mezcla de ellos. Hoy, bombas A están instaladas en unos cohetes llamados misiles. - Bombas H: Se basan en la fusión nuclear y el combustible es el hidrógeno y el helio. Para hacerla explosionar es necesario someterla a temperaturas de varios millones grados Celsius. Esto se consigue haciendo explotar previamente una bomba A, que genera altas temperaturas haciendo posible la fusión del H y He junto con la liberación de energía. - Bombas de neutrones: Es un caso modificado de la bomba H. Su funcionamiento se basa en reducir la onda expansiva, pero liberando neutrones que bombardean los alrededores, provocando daños irreparables en las personas, sin destruir el entorno. En el posible escenario de una guerra nuclear se produciría el llamado Holocausto nuclear. Se viviría el invierno nuclear que se trasladaría a todo el planeta. Y si eso fuera poco, el polvo es suspensión sería radiactivo (formando un manto que impediría el paso de la luz solar, descendería la temperatura ambiental, etc.). Este caería rápidamente en forma de lluvia radiactiva contaminando con dosis letales el planeta. Después de una explosión nuclear, especies como las cucarachas, moscas y ratas, serían los grandes sobrevivientes, en el corto plazo. Rodeadas de gran cantidad de cadáveres su número se multiplicaría vertiginosamente. Los radioisótopos al servicio de la humanidad: En el transcurso de los procesos efectuados en los reactores nucleares se obtienen isótopos radiactivos que se emplean en innumerables ámbitos. - Mejorar los cultivos de plantas alimenticias - Preservar los alimentos y madera - Esterilizar instrumental médico - Estudios de contaminación ambiental - El control de procesos industriales - El estudio de recursos hídricos - Combatir plagas - Diagnóstico médico - Producir radio fármacos - Terapia médica, etc. Impacto de la tecnología nuclear: Pruebas nucleares: Las sustancias radiactivas que se producen de una explosión nuclear de experimentación se incorporan al medio, contaminado el agua, el suelo y el aire. Pruebas de potencia nuclear: El uso de la fisión nuclear para generar electricidad es considerada por muchos una amenaza para el medio ambiente. A pesar de todas las medidas de seguridad dispuestas, ya sea por fugas radiactivas o por el manejo de los desechos radiactivos, como el isótopo del Sr-90, los cuales deben ser almacenados en tambores blindados por ciertos periodos, a la espera de que su actividad radiactiva decaiga. Accidentes provocados por errores humanos y mecánicos, tales como lo ocurridos en la central ucraniana de Chernobyl el año 1986, liberaron grandes cantidades de de gases y polvo radiactivo al medio ambiente, con lo cual queda de manifiesto el potencial peligro de una central nuclear. Usos médicos de la radiación: El uso de la radiación en medicina puede ser con propósitos de diagnóstico (rayos X o exámenes de medicina nuclear) y para el tratamiento de enfermedades como el cáncer, que hacen uso de radioisótopos como el cobalto – 60. Estas prácticas no constituyen un problema ambiental pero sí lo queda después de su uso (en hospitales y clínicas). El comportamiento químico de los isótopos radiactivos es idéntico a l de los isótopos estables del mismo elemento, pero son detectados localizando la radiación que emiten. Por ello, los químicos pueden usar isótopos radiactivos como trazadores en reacciones químicas no biológicas y biológicas. Estos trazadores se introducen en un organismo vivo o en cualquier otro material con el objeto de seguir su trayectoria, a través de la detección de las radiaciones que emite. Así es posible conocer los procesos que involucran estos átomos. Los isótopos radiactivos se han convertido en herramientas muy útiles para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Por medio de ellos, los médicos pueden detectar tempranamente muchas enfermedades y tratarlas. El empleo de radiofármacos que tiene una vida media discreta permite estudiar los órganos y tejidos sin alterarlos. La técnica consiste en dar el radiofármaco al paciente en dosis pequeñas, ya sea por inyección intravenosa, ingestión oral o inhalación, y, a través de un dispositivo de detección, seguir el recorrido del radiofármaco hasta que se concentre en un tejido u órgano. La radiación emitida por el radiofármaco permite crear una imagen del órgano, la cual es reproducida por medio de un computador y una unidad de video, para así examinar con mayor precisión su funcionamiento y estructura. En la industria, los trazadores radiactivos se introducen en un determinado proceso para detectar fugas de líquidos o gases que se transportan a través de cañerías subterráneas como un oleoducto, descubrir caudales de fluido y si hay filtraciones. También es posible obtener imágenes de piezas con su estructura interna, control de calidad de soldaduras, espesores de planchas metálicas, etc; utilizando radiografías en base a rayos gamma, llamadas gamamagrafías. En el estudio del medio ambiente, se utiliza para la detección y análisis de contaminantes. La técnicas consiste en irradiar una muestra, por ejemplo, de agua o suelo, de tal modo de obtener lo espectros gamma que emite, para procesar la información en un computador. Así, se pueden identificar los elementos presentes en la muestra y las concentraciones de los mismos. Una serie de estudios de este tipo han permitido detectar problemas de contaminación causados como los causados por el SO2, en derrames de petróleo, las descargas gaseosas a nivel del suelo, en contaminación de agua en los cursos naturales y en la producción de smog en el aire de las ciudades. En la agricultura los radioisótopos son utilizados en el estudio de la efectividad de los nutrientes sobre distintos cultivos. Para tal efecto se hace uso de fertilizantes marcados con radioisótopos, los que se ponen en las plantaciones en tiempos y lugares diferentes; así es posible determinar qué cantidad de nutrientes capta una planta y en qué época del año se debe aplicar fertilizante para obtener mayor productividad. A partir de mutaciones genéticas inducidas por radioisótopos, es posible lograr cultivas más resistentes a las plagas. Así mismo, el suministro de altas emisiones de radiación ionizante a insectos machos que constituyen una plaga ha logrado controlar la población, ya que estos machos irradiados no dejan descendencia. En Chile, se aplica con éxito esta técnica para el control de la mosca de la fruta, lo que ha permitido la expansión de sus exportaciones agrícolas. Otra de las aplicaciones de la radiactividad es la irradiación de alimentos para almacenarlos y conservarlos. Este proceso consiste en exponer los alimentos a una dosis prescrita de radiación ionizante, durante un tiempo determinado en una sala especial. Para ello, las fuentes de radiación son los rayos gamma, procedentes de radioisótopos como el cesio – 137 y el cobalto – 60, los rayos X y haces de electrones. Con este tratamiento se pueden eliminar los microorganismos causantes de la descomposición, impedir la reproducción de insectos y parásitos, impedir los brotes de tubérculos y raíces comestibles y retrasar la maduración de la fruta. La radiactividad también puede ser utilizada para la datación de antigüedades, por ello esta técnica es muy útil para arqueólogos y paleontólogos. El fechado con carbono – 14 se utiliza ampliamente para conocer la época en que estuvieron vivos los fósiles de plantas y animales. Si se calcula la proporción de C – 14/C – 12 (no radiactivo) en un objeto que tuvo vida, luego se compara con la proporción que debió tener en el organismo estaba vivo, se puede saber su edad. Con la técnica del plomo -210 se han descubierto falsificaciones de cuadros famosos que de otra manera no hubieran sido detectados. Es el caso de algunas obras del pintor holandés Jan Vermeer (1632 – 1675) que fueron pintadas por otro pintor del siglo XX para ser vendidas como auténticas. Análisis del texto: Responde las siguientes preguntas relacionadas con l texto anterior: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ¿Cuál es la diferencia entre radiactividad natural y radiactividad inducida? ¿Cómo ocurre la fisión nuclear, y cual es su relación con las reacciones en cadena?. ¿Cuáles son los requisitos para que ocurra una reacción en cadena? ¿Cómo ocurre la fusión nuclear? ¿Realiza un cuadro comparativo entre fusión y fisión nuclear ¿Qué es la radiación de fondo, la radiación ionizante y como afecta al ser humano? Realiza una lista de medidas de prevención para evitar un mayor grado de radiación en el ser humano.