MATERIA - ATOMO - RADIOACTIVIDAD PDF

MATERIA - ATOMO - RADIOACTIVIDAD Los temas que vamos a desarrollar en esta clase van a ser materia, vamos a definir la materia, las generalidades, el átomo, su historia, la estructura, los modelos atómicos que conocemos, la equivalencia entre masa y energía. Vamos a hablar de isótopos, isóbaros, isó...

MATERIA - ATOMO - RADIOACTIVIDAD Los temas que vamos a desarrollar en esta clase van a ser materia, vamos a definir la materia, las generalidades, el átomo, su historia, la estructura, los modelos atómicos que conocemos, la equivalencia entre masa y energía. Vamos a hablar de isótopos, isóbaros, isótonos, y vamos a introducirnos en el tema de radiactividad. Los conceptos, la forma de desintegración radiactiva, el tiempo de vida media, el tiempo de semidesintegración. Vamos a ver qué es la actividad radiactiva y qué unidades se usan para medirla. La materia se refiere a cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa. Toda la materia está compuesta de sustancias llamadas elementos que tienen propiedades físicas y químicas específicas, que no pueden dividirse en otras sustancias por medio de reacciones químicas ordinarias. La materia está formada por moléculas. Las moléculas se definían antes como la más pequeña parte de una sustancia que podía tener existencia independiente y estable conservando sus propiedades físico-químicas. En la teoría cinética de los gases, el término molécula se aplica a cualquier partícula gaseosa con independencia de su composición. Una molécula puede estar formada por varios átomos de un único elemento químico, como el caso del oxígeno, que tiene, la molécula de oxígeno tiene dos átomos de oxígeno. O puede estar formada por diferentes elementos, como el caso del agua, que tiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Es decir, que es la porción más pequeña de un elemento. Y ese átomo se pueden distinguir una parte periférica y una parte central. La parte periférica, o corteza, estarían incluidos los electrones. Y también la parte central, donde está el núcleo, tendría más relación con la física. La corteza está muy relacionada con la química, ya que intervienen estos electrones que están en las capas que rodean al átomo, intervienen en determinados enlaces químicos, uniones entre moléculas. En cambio, en el núcleo, tiene mucho que ver, está muy relacionado con la física atómica, en donde intervienen procesos en los cuales van a estar muy relacionados con la radioactividad. Y esta radioactividad se utiliza mucho en los estudios de medicina nuclear. Aquí vemos el átomo, la definición que ya hemos visto. Ya vamos a ver la estructura del átomo, las partículas fundamentales. Vamos a entender qué son los conceptos de número atómico, número de masa, nucleído, isótopos, isóbaros, isótomos. La historia del átomo se inicia 450 años antes de Cristo, con las afirmaciones postuladas por Demócrito. Él aseguró que la materia podía ser dividida indeterminadamente en partículas, cada vez más diminutas hasta llegar al punto más indivisible, que él la llamó átomo. Así, la materia se componía de átomos y éstos eran inseparables unos de otros. En 1803, Dalton aseguró que la materia se constituye de átomos indivisibles. Esto no era muy novedoso, pero agregó que los átomos tienen un carácter inmutable, o sea, nunca podían transformarse unos en otros. Lo que tiene valor mutable son las combinaciones químicas, porque están conformadas, y éstas, a su vez, por átomos. Para Dalton, la materia se compone de partículas atómicas de carácter indivisible e indestructible. Los átomos del mismo elemento son iguales, al igual que su peso y cualidades, los átomos no se dividen aun cuando se combinan por medio de reacciones químicas. En el año 1906, aparece un modelo atómico de Thomson, que invalida al modelo atómico de Dalton, porque éste último, o sea, Dalton, no explicaba la estructura interna del átomo. En cambio, Thomson se bañó del uso de los rayos catódicos para postular que el átomo en su interior posee electrones de carga negativa incrustadas en una esfera de carga positiva. Dichos electrones se encontraban de manera uniforme por todo el átomo, y la carga del átomo es neutro, de modo que las cargas negativas de los electrones se compensaban con las cargas positivas. Entonces, Thomson representa al átomo como un modelo estático, en donde los electrones se encontraban fijos dentro de la masa positiva. En 1911...Rutherford modificó el modelo de Thomson, ya que consideró que el núcleo central del átomo se encontraba a la carga positiva y la magna, mientras que alrededor de él se encuentran los electrones girando a gran velocidad. Por otro lado, descubrió que el átomo tiene una corteza y un núcleo, y los electrones que giran lo hacen en la corteza del átomo alrededor del núcleo. El núcleo era una región pequeña y se ubicaba en el centro del átomo que tenía carga positiva. En 1911, Bohr estudió este modelo de Rutherford y profundizó la manera en que los electrones se mantenían bajo una órbita estable alrededor del núcleo sin radiar energía. Además, aparecen los números cuánticos, y pudo asegurar que el primer número cuántico existe a una distancia entre la órbita y el núcleo. Segundo, que no todos los electrones circulan por todas las órbitas. Y tercero, calculó el shadow de la órbita. Bohr también expresó por qué los átomos presentaban espectros de emisión característica, y cómo los electrones pueden emitir o absorber energía durante los saltos de una órbita a otra. En 1916, aparece el modelo de Sommerfield, que basado en el de Bohr, fórmula aportes a la mecánica relativista, indicando que los electrones recorren velocidades cercanas a la luz. Y también se puede destacar que para Sommerfield el electrón es básicamente una corriente eléctrica. En 1924, sale a la luna el modelo de Schrodinger, que como innovación tiene en cuenta los números cuánticos, N, L, M, S, para afirmar que... Bueno, nosotros vamos a seguir el esquema del átomo de Bohr, en donde definimos que el átomo es la partícula más pequeña y está compuesta por un núcleo y una corteza. En el núcleo tiene a su vez neutrones con carga neutra y protones con carga positiva. Ambos se encuentran en el núcleo y forman lo que llamamos nucleones. Por otro lado, la corteza se compone por electrones que tienen carga negativa. Todas estas partículas, electrones, neutrones, protones, forman una estructura atómica, y los electrones son las partículas subatómicas más livianas, mientras que los protones pesan 1836 veces más que ellos, lo mismo que los neutrones. Además, los electrones tienen energía o carga negativa, cuya magnitud se define como carga eléctrica elemental. Por el contrario, los protones tienen una carga opuesta a los electrones y tiene carga positiva, y los neutrones no tienen carga. Los nucleones, protones y neutrones, están unidos entre sí por una energía que se llama energía nuclear. Esto hace que el núcleo de los átomos contenga una carga positiva y sea el lugar donde se concentre la mayor parte de la masa atómica. Cabe destacar que debido a la energía potencial de mismo, la masa de los nucleones es inferior en el interior del núcleo al igual que su tamaño. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones, cuya carga eléctrica es negativa. Si el número de protones y electrones es el mismo, significa que el átomo es eléctricamente neutro. En el caso de que un átomo tenga más o menos electrones que protones, significa que su carga eléctrica global es negativa o positiva y recibe el nombre de íon. Se llamará anion en el caso que predominen las cargas negativas, y se llamará cation cuando predominan las cargas positivas. Hemos visto que los átomos están formados por el núcleo y la corteza, y en la corteza se encuentran los electrones. En el núcleo se localizan los protones y los neutrones, que se llaman nucleones. El número de protones del núcleo, que coincide con el número de electrones de la corteza, se llama número atómico, y se representa por la letra Z. El número masico, o masa atómica de un átomo, es igual a la suma del número de protones y de neutrones que lo forman, y se representa por la letra A. Un elemento está formado por átomos que tienen el mismo número atómico. Un átomo o un núcleo de número de masa A y número atómico Z se representa como la figura X con el Z de subíndice y A de superíndice, siendo X el símbolo del elemento. Bien, ahora vamos a definir una serie de términos que seguramente ustedes ya los conocen, y son los términos de isótopos y sodoroscopios. Los isótopos son especies atómicas que tienen igual número atómico, por lo tanto, igual en propiedades químicas, pero diferente número de masa, y reciben el nombre de isótopos, o sea, tienen igual Z pero diferente A. Por ejemplo, tenemos acá el ejemplo del carbono, el carbono 12 que tiene 6 protones y 6 neutrones, en donde su número atómico es 6 y su número de masa es 12. Ese carbono 6-12 es isótopo del carbono que tiene 6 protones y 7 neutrones, o sea, estamos hablando de un carbono que tiene un número de masa 13 y un número atómico 6. Y también tenemos otro isótopo del carbono que es bastante conocido, y es el carbono 6-14, o sea, que tiene 6 protones y 8 neutrones. Así como el del carbono, tenemos isótopos, tenemos muchísimos isótopos, por ejemplo, del oxígeno, del hidrógeno, del iodo, todos los elementos de la tabla periódica tienen sus isótopos. Bien, ahora otro concepto es el de los isóbaros. Los isóbaros tienen una diferencia, o sea, en que tienen diferente número atómico, pero la misma masa atómica. Por lo tanto, van a ser elementos distintos, tienen símbolos distintos, propiedades distintas. Por ejemplo, acá le ponemos el calcio y el argón, son isóbaros. Fíjense que son elementos diferentes, con propiedades diferentes. ¿Qué es lo que tienen igual? El mismo número de masa. Tienen diferente número atómico, el calcio tiene 20 protones, el argón 18 protones, y a su vez, el número de masa en ambos es 40. Esa es la diferencia Otro término que tienen que conocer es el de los isótonos. Los isótonos son aquellos elementos que tienen igual número de neutrones. Por ejemplo, acá tenemos el magnesio y el sodio. También se pueden fijar que son elementos distintos, propiedades químicas diferentes. Se ubican en distintos lugares en la tabla periódica. Tienen número atómico Z diferente. El magnesio 2, el sodio 11. Pero ¿qué es lo que coincide? Que ambos tienen el mismo número de neutrones. O sea, ambos tienen 12 neutrones. Bien, a efectos de poder entender otros temas más adelante, es necesario establecer la equivalencia entre masa y energía. De acuerdo a la teoría de Einstein, existe una equivalencia entre la masa y energía. La famosa ecuación de Einstein, en donde acá la tenemos escrita, la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado. En donde C es la velocidad de la luz, que tiene un valor de 310 a la 10 centímetros sobre segundo. Y M sería la masa que está expresada en gramos. Si yo calculo la energía desprendida por un gramo de masa, según la ecuación de Einstein, veríamos que un gramo por 3 al cuadrado, por 10 a la 20 centímetros sobre segundo, o sea, un gramo por la velocidad de la luz al cuadrado, voy a obtener 9 por 10 a la 20 hercios. O sea que un gramo de masa puede desprender un 9 por 10 a la 20 hercios. Ahora bien, en consecuencia, la masa de un núcleo es una medida de la energía total, la que sería liberada si se lograra la destrucción integral del mismo. O sea, que es factible que la masa se transforme en energía y viceversa. Eso es lo que me está diciendo a mí la ecuación de Einstein. Ahora bien, cuando estamos hablando de energía nuclear, en lugar de hablar de gramos, que es una unidad muy grande, vamos a hablar de una unidad de masa atómica, o sea, uma. Una unidad de masa atómica equivale a 1,7 por 10 a la menos 24 gramos, que es lo que corresponde a la masa del protón. Si calculamos la energía que se desprende de una unidad de masa atómica, vemos que corresponde a 1,493 por 10 a la menos 3 hercios. También acá hercios es una medida de energía grande, y lo que se utiliza generalmente cuando hablamos de energías nucleares es el electrón volt. ¿Cómo se define un electrón volt? Un electrón volt sería la carga, o sea, la diferencia de potencial que adquiere un electrón cuando yo lo coloco entre dos electrodos que tienen una diferencia de potencial de un volt.La equivalencia entre el electronvolt y el ergio la tenemos acá escrita. Un electronvolt es igual a 1,602 por 10 a la menos 12 ergio. En lugar de electronvolt podemos expresar en kiloelectronvolt, en megaelectronvolt. Entonces, conociendo estas equivalencias podemos decir que una unidad de masa atómica es capaz de desprender 1,493 por 10 a la menos 3 ergio, que corresponde a 931 megaelectronvolt. Acá tenemos representado el espectro electromagnético, de ondas electromagnéticas. Si nos fijamos, tenemos ondas producidas desde una torre eléctrica hasta una central nuclear. Y tanto la longitud de onda como la frecuencia y como la energía va a ir variando. Si nos ponemos a analizar la longitud de onda, acuérdense que longitud de onda era la distancia que existe entre dos puntos que vibran en la misma fase. Acá lo tenemos marcado, una longitud de onda o una distancia entre cada crista, en este caso de 10 a la 3 kilómetros, que sería el caso de la longitud de onda de ondas producidas por una antena o por una torre eléctrica, por ejemplo. Después vemos que la onda va disminuyendo la longitud en el caso del teléfono móvil que tenemos y de los radares que tenemos onda en el orden de un metro. En el caso de las producidas por el microondas, esas longitudes de onda miden centímetros. La luz solar es mucho menor la longitud de onda, lo mismo que las centrales nucleares. Si nosotros nos acordamos de la ecuación de Planck, que la ecuación de Planck decía que la energía era igual a la frecuencia por una constante que era la constante de Planck, vemos que la energía de la onda es directamente proporcional a la frecuencia y a su vez la frecuencia era inversamente proporcional a la longitud de onda. ¿Con esto qué queremos decir? Que una onda que tenga mayor longitud de onda va a tener menor energía y va a tener menor frecuencia. Nosotros podemos ver con respecto a la frecuencia que está expresada en las unidades que se llamaban Hertz que va desde 100 Hertz a 10 a la 22 Hertz en el caso de ondas de rayos gamma, rayos X. Y la frecuencia de 100, de 10 a la 4 Hertz corresponden a las ondas de radio, a las ondas eléctricas. ¿Con esto qué queremos decir? Que las ondas que tienen una longitud de onda mayor tienen menor energía, o sea que van a producir menos daño. Pero va a tener también mayor frecuencia. Las que tengan menor longitud de onda, mayor frecuencia y mayor energía. Y dentro de esto podemos distinguir que las ondas que tienen menos energía y menos frecuencia son las no ionizantes, o sea que no van a producir radiaciones. En cambio, las que están en una frecuencia mayor de 10 a la 16 van a tener mayor energía y van a provocar radiaciones ionizantes. Y son los que tienen menor longitud de onda. Entre estas radiaciones ionizantes encontramos los rayos UV, encontramos los rayos X, los rayos gamma. Estos son los tipos de radiación que vamos a ver los efectos que van a producir tanto en las células como en la materia. Bueno, vamos a ver el concepto de radioactividad. Podemos decir que la radiactividad es la propiedad que poseen los núcleos de determinados átomos de desintegrarse espontáneamente, emitiendo partículas y radiaciones electromagnéticas. Estas desintegraciones pueden ser un proceso natural, o sea que el átomo naturalmente emite esas radiaciones, o puede ser una radiactividad artificial, o sea que es inducida por agentes externos. ¿Cuáles son esas partículas o radiaciones electromagnéticas que emiten? Las podemos clasificar en partículas alfa, partículas beta, y rayos gamma. También vamos a ver que hay otro tipo de desintegración, que es la captura electrónica. ¿Quiénes son los núcleos que van a desintegrarse o van a emitir radiactividad? Son los núcleos inestables. Tenemos que hacer una diferencia entre núcleos estables y núcleos inestables. Los núcleos estables son los núcleos que conocemos nosotros, los que predominan, los que estamos acostumbrados a manejar, son los que se conservan indefinidamente como tal. No se desintegran, no son radiactivos, y una característica que tienen es que la relación neutrón- protón es igual a 1. A ellos pertenecen los núcleos más livianos, es decir, los que ocupan los primeros lugares en la tabla periódica. En cambio, los núcleos inestables son los que se van a desintegrar, son los núcleos radiactivos. Generalmente son los átomos pesados, los que tienen un Z, o sea, número atómico mayor que 82. Tienden estos núcleos a volverse estables, y generalmente la relación neutrón-protón es siempre mayor que 1,5. Estos núcleos, al ser inestables, tienden a estabilizarse. Para ello, pierden parte de su masa, lo que trae aparejado la liberación de energía en forma de partículas o de radiaciones. Al desintegrarse estos átomos, los núcleos se convierten en otros diferentes. Por lo tanto, los núcleos inestables son los que se van a desintegrar y se van a transformar en otros átomos diferentes. Bueno, existen radiaciones naturales o radiaciones artificiales. Dentro de las radiaciones naturales tenemos las externas, como son los rayos cósmicos, los prevalentes del sol y del espacio exterior, sustancias radiactivas del suelo y de materiales de construcción. Las internas serían inhalaciones de gases que se encuentran en el aire, como el radón, ingestión de sustancias radiactivas con la dieta, en el agua, las comidas, las bebidas. Dentro de las fuentes de radiación artificiales podemos tener de tres tipos. Y radiación médica en distintos tipos de estudios, por ejemplo, estudios que se hacen con fines diagnósticos, como ser una radiografía, una tomografía, donde intervienen los rayos X, estudios de medicina nuclear, donde tenemos la presencia de rayos gamma. Dentro de esas mismas radiaciones médicas en estudios tenemos con fines terapéuticos, como es la radioterapia. También un tipo de fuente artificial serían las explosiones nucleares. Serían ensayos nucleares en la atmósfera, explosiones bélicas y también tenemos producción de energía nuclear. Se refiere a la producción de energía eléctrica a través de los reactores nucleares que se dan en las centrales nucleares. Bueno, veamos cuántos tipos de desintegración radiactiva tenemos. Tenemos desintegración radiactiva del tipo corpuscular, en donde se eliminan partículas que tienen energía, y por otro lado desintegraciones del tipo de ondas electromagnéticas, donde solamente se elimina radiación. Dentro de las corpusculares tenemos desintegración por partículas alfa, desintegración por partículas beta positivo, por partículas beta negativo, y dentro de las ondas electromagnéticas tenemos radiaciones gamma y tenemos emisión de rayos X. La desintegración alfa es una desintegración del tipo corpuscular. En la desintegración alfa se emite una partícula alfa, que es un átomo de helio que ha perdido sus dos electrones orbital. Podemos ver acá el elemento que lo simbolizamos con la letra X, que tiene un número de masa y un número atómico Z. Ese elemento, después de perder una partícula alfa, ¿qué le pasa a su núcleo? Pierde dos protones y dos neutrones. Por lo tanto, su número atómico disminuye en dos unidades y su número de masa disminuye en cuatro unidades. Se va a transformar en otro núcleo diferente, que va a tener otro símbolo, más la emisión de la partícula de helio. Como ejemplo podemos ver el radio, que tiene un número de masa 226 y un número atómico de 88. Una vez que emite la partícula alfa, o sea, el núcleo de helio, se transforma en radon. Su número de masa disminuye en cuatro unidades, o sea, 222, y el número atómico disminuye en dos unidades. Más la partícula de helio, que está formada por dos protones y dos neutrones, sin su capa electrónica. ¿Cuáles son las características de este tipo de partícula, de este tipo de desintegración alfa? Se da en los elementos pesados, en donde el Z es mayor que 82. Es un tipo de desintegración corpuscular. Además, es monoenergética, porque todos los átomos en la partícula alfa tienen el mismo valor de energía. Tiene una carga eléctrica positiva, porque son los núcleos de helio que han perdido sus electrones. O sea que tienen dos protones, que es lo que le va a dar la carga positiva. Tienen gran poder de ionización, pero poco poder de penetración. La desintegración beta ya de activa puede ser del tipo beta positivo o beta negativo. Vamos a ver el caso de la desintegración beta negativa. En este caso, hay un núcleo que emite una partícula beta. En este caso, hay un núcleo que emite una partícula beta. ¿De dónde salen? Las partículas beta son electrones que tienen la estructura, la carga de un electrón. Solamente que estos electrones salen del núcleo. ¿De dónde vienen estos electrones? Vienen de la transformación de un neutrón a protón. Aquí podemos ver que un neutrón se transforma en un protón y elimina un electrón. Y después una partícula que se llama neutrino que es una partícula de vida efímera que no tiene carga eléctrica y que se forma para equilibrar las masas entre el neutrón y el protón. ¿En qué casos se da esta desintegración beta negativa? En aquellos átomos que tienen exceso de neutrón. Veamos cómo es el esquema de una desintegración beta negativa. Tenemos el elemento que tiene un número atómico Z y un número de masa A. Cuando desintegra por beta negativa se transforma en otro núcleo que va a tener la misma masa atómica. Lo que va a cambiar es su número atómico Z que aumenta en una unidad. ¿Por qué? Porque la masa sigue manteniéndose porque los neutrones han pasado a protones. O sea que la suma entre neutrones y protones se mantiene constante. Lo que ha variado es el número de protones. Ha aumentado el número de protones en una unidad. Más la partícula beta que es un electrón más el neutrino. Un ejemplo de elemento de isótopo que desintegra por beta es el bismuto. El bismuto 2,14 de número de masa y 83 número atómico se transforma en polonio 2,14 número atómico 84. Más la partícula beta más el neutrino. ¿Cuáles son las características de esta emisión por partícula beta? Primero, como ya hemos visto, que se da en los núcleos que tienen exceso de neutrones. Es también una desintegración del tipo corpuscular. Ésta, a diferencia de las partículas alfa, tienen un espectro de energía, es decir, que no todos los átomos tienen el mismo, o sea, todas las partículas beta que se eliminan de los núcleos van a tener el mismo valor de energía. Si no, van a existir un espectro, o sea, varios... la energía de estas partículas beta van a tener varios niveles energéticos. Tienen menor poder ionizante que las partículas alfa, pero mayor poder de penetración que las alfa. La desintegración beta positiva se da en los núcleos que tienen defecto de neutrones. Las partículas beta positivas son electrones que tienen carga positiva. También se llaman positrones. Tienen la misma masa y el mismo valor de carga que el electrón, solo que tiene carga de signo positivo. Entonces, aquellos átomos que tienen mayor número de protones, estos protones en el núcleo se van a transformar en un neutrón, van a emitir una partícula beta positiva más un neutrino. Si vemos cómo es la ecuación de desintegración, vemos el elemento con la masa atómica A y el número atómico Z que se transforma en otro núcleo que tiene el mismo número de masa, pero el número atómico disminuye en una unidad, más la partícula beta. Hay ejemplos que desintegran por este tipo de beta positivo. El fósforo, 1530, que pasa a silicio, 1430, más beta, más el neutrino. El potasio, 4019, que pasa a argón, 4018, más una partícula beta positiva o positron, más el neutrino. La captura electrónica es otra forma de desintegración radioactiva. Cuando el núcleo del radioenucleído tiene un exceso de protones, éste tiende a captar un electrón de la capa más próxima al núcleo. Esto va a neutralizar la carga del protón y provoca que los electrones de las órbitas superiores salten hacia la órbita inmediata inferior para cubrir el hueco que dejó ese electrón que fue al núcleo. Como el electrón que desciende de un nivel energético tiene mayor energía que el que ha ido al núcleo, se elimina ese exceso de energía en forma de rayos X característicos. O sea, que el protón capta un electrón, se transforma en un neutrón, más los rayos X y más el neutrino. Ejemplos de elementos que desintegran por captura electrónica. Acá podemos ver que el núcleo tiene un número de masa A, un número atómico Z. Cuando capta el electrón orbital, se transforma su número atómico en Z-1. O sea, que disminuye el número atómico en una unidad. Más un neutrino y más los rayos X. ¿Quiénes son los elementos que desintegran por captura electrónica? Por ejemplo, el mercurio, 195.80, que se transforma en oro, 195.69. El iridio, 188.77, más el electrón, que se transforma en óxido, 188.76, más el neutrino. El nitrógeno, 7.12, más el electrón, se transforma en carbono, 6.12, más el neutrino. ¿Qué característica tiene esta radiación? Primero, se dan núcleos que tienen exceso de protones. Segundo, no es corpuscular como lo que veníamos viendo con los otros tipos de desintegración, sino que esta es una radiación electromagnética. Emite rayos X característicos y este tipo de desintegración compite con la beta positiva. Tiene muy buena penetración en los tejidos. La desintegración gamma es un tipo de radiación que va a acompañar generalmente a las desintegraciones corpusculares. Por ejemplo, después de una desintegración por emisión de partículas alfa o beta negativo, beta positivo, generalmente los núcleos pueden quedar excitados y para perder esa energía que tiene en exceso, emiten una radiación gamma. O sea, que la desintegración gamma es la emisión de rayos gamma, que es pura energía sin que el núcleo hidro pierda masa. Por lo tanto, va a mantener su número atómico y su masa atómica. Podemos ver acá que el elemento que tiene una masa A y un número atómico Z tiene un asterisco. Ese asterisco quiere decir que está en un nivel energético superior, está en un nivel energético excitado. ¿Y qué va a pasar? Va a perder esa energía en forma de rayos gamma y va a quedar el núcleo con la misma masa y el mismo número atómico. ¿Cuáles son las características de la radiación gamma? ¿Qué se da en los núcleos excitados? O sea, núcleos que tienen un exceso de energía. Es energía pura, o sea, es un tipo de onda electromagnética. No tiene carga, emite rayos gamma y es proporcional a la frecuencia. Aquí arriba podemos ver lo que se conoce como ecuación de Planck, en donde dice que la energía de una onda electromagnética es igual a la constante de Planck H por µ, que es la frecuencia de la onda. Ahora bien, como la frecuencia podemos decir que es velocidad sobre longitud de onda, cuando nos referimos a la velocidad de la onda, estamos hablando de la velocidad de la luz. Entonces podemos reemplazar el valor de la frecuencia µ por la velocidad de la luz sobre longitud de onda lambda. Quedándome de esta manera que la ecuación de Planck a mayor energía, mayor frecuencia y menor longitud de onda. En este gráfico de la derecha podemos ver la penetración que tiene cada una de estas radiaciones y estos corpúsculos en las distintas materiales. Por ejemplo, una partícula alfa tiene muy poca penetración. Vemos que no penetra el tejido. En cambio, la partícula beta es capaz de penetrar el tejido pero es frenada por una plancha de aluminio. En cambio, la radiación gamma tiene un alto poder de penetración y es solamente frenada por una capa de plomo. Vamos a definir una serie de términos que se usan en medicina nuclear. Tiempo de vida media o periodo de vida media es el periodo de duración de un átomo radiactivo. Se calcula sumando los tiempos que duran ciertos números de átomos y se los divide en el número total de átomos iniciales. O sea que la vida media es un promedio de vida de los isótopos radiactivos. El periodo de semidesintegración radiactiva o tiempo de semidesintegración radiactiva es el tiempo que tarda un número de isótopos de átomos radiactivos en reducirse a la mitad. Se expresa en unidades de tiempo. Puede ser segundos, minutos, horas, días, años. Y es característico para cada átomo. Por ejemplo, el uranio-238 tiene un tiempo de semidesintegración de 4.500 millones de años. El iodo-131 tiene un tiempo de semidesintegración de 8 días. El magnesio-99 tiene un tiempo de semidesintegración de 6 horas. Ahora, el concepto de actividad radiactiva que también se conoce como velocidad de desintegración. La actividad radiactiva es el número de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo. Esos núcleos son parte de los átomos. Es decir, que la actividad radiactiva va a ser igual al número de átomos que se desintegran en la unidad de tiempo. Fíjense, tenemos una fórmula donde dice A, que se refiere a la actividad radiactiva, es igual a menos N sobre T. N sería el número de átomos y T el tiempo que tarda en reducir. Ahora, ese signo menos quiere decir que el número de átomos disminuye. La actividad radiactiva se puede medir en diferentes unidades. La unidad tradicional es el Curie, y se define como la actividad de un gramo de radio-226 que corresponde a 3,7 por 10 a la 10 desintegraciones por segundo. Otra, el Curie, es una unidad grande. Generalmente se usa el Mili-Curie, el Micro-Curie. Un Curie es igual a 10 a la 3 Mili-Curie, y un Curie es igual a 10 a la 6 Micro-Curie. La otra unidad que también usamos es el Becquerel, que es la unidad del sistema internacional. Un Becquerel es una desintegración por segundo. O sea que un Curie equivale a 3,7 por 10 a la 10 Becquerel. La actividad de una muestra erradéctica se puede calcular a través de la ley de desintegración erradéctica. La desintegración erradéctica es un proceso aleatorio, y hay una ley que rige este decaimiento. Esta ley dice que la actividad final de una muestra va a ser igual a la actividad inicial, por E, que es la base del logaritmo neperiano, menos lambda por T. Lambda es el coeficiente de desintegración, es la fracción de átomos que se desintegran en la unidad de tiempo. Este coeficiente lambda tiene un valor determinado que es de 0,693 por T sobre el tiempo de semidesintegración. Ese tiempo T es el tiempo transcurrido entre la actividad final y la actividad inicial. Reemplazando en la fórmula, podemos decir que la actividad final va a ser igual a la actividad inicial, por la base del logaritmo neperiano E, elevado a la menos 0,693, por el tiempo sobre el tiempo de semidesintegración. Hasta la derecha vemos una gráfica en donde representamos la actividad inicial de una muestra erradéctica en función del tiempo. Vemos que la misma va disminuyendo, pero disminuye en forma exponencial. Y en un primer momento hay una gran caída de la actividad y después se hace esa caída, esa disminución más lenta. Bien, existen dos tipos de radiaciones, las radiaciones no ionizantes y las radiaciones ionizantes. Las no ionizantes tienen niveles de energía bajos que no son suficientes para ionizar o para romper los enlaces químicos de la materia. Son, por ejemplo, las ondas radiofónicas, las de televisión, la luz visible, las ondas infrarrojas. Las radiaciones ionizantes, en cambio, tienen niveles de energía suficientes para ionizar los átomos de la materia sobre la que inciden y pueden excitar y romper enlaces químicos en moléculas orgánicas. Estas radiaciones ionizantes pueden ser electromagnéticas o corpuscular. Al interaccionar la radiación con la materia puede llegar a producir en ella algún efecto. Y el tipo de efecto que produce va a depender de las características propias de la radiación, de la carga eléctrica, de la masa, de la energía y del tipo de material sobre el que incide. Las radiaciones electromagnéticas son ionizantes que interactúan con la materia, pues son rayos X, rayos gamma y las radiaciones ultravioletas, que en parte son ionizantes y en parte no. Dentro de las interacciones de la radiación con la materia vamos a estudiar tres efectos. El efecto fotoeléctrico, que se da en radiaciones que tienen una energía de hasta 100 kF, o sea, kiloelectrón volt. El efecto quantum, que son radiaciones que tienen una energía hasta 1000 kiloelectrón volt. Y formación de pares que la producen radiaciones que tienen una energía mayor hasta 1032 K. El efecto fotoeléctrico. En el efecto fotoeléctrico se da la emisión de electrones desde una superficie de la materia como resultado de la acción de la onda electromagnética, como ser los rayos gamma, los rayos X. Estos inciden sobre la materia. Sabemos que la luz está compuesta por fotones, que son partículas muy pequeñas con una determinada energía. Los fotones viajan a través de la luz, impactan sobre un electrón de la materia, y cuando se produce este contacto, si el fotón tiene una cantidad suficiente de energía, le cede al electrón. En este momento se realiza la liberación del electrón que escapa del átomo. La energía de la onda electromagnética que incide sobre la materia tiene que ser hasta 100 kV para que se produzca este efecto. La energía del fotón es absorbida totalmente por el átomo. Acá podemos ver que la energía incidente va a ser igual a la energía del electrón más la energía cinética para que éste escape del átomo. El efecto Compton. Con el efecto Compton podemos ver que la radiación electromagnética no puede explicarse solamente como un fenómeno puramente ondulatorio, sino que la radiación electromagnética se puede comportar como una corriente de fotones, o sea que tiene un comportamiento dual como onda y como partícula. El efecto Compton es un fenómeno por el cual la radiación electromagnética incide sobre el átomo. El efecto Compton es un fenómeno por el cual la radiación electromagnética incide sobre las superficies de la materia y sale con una longitud de onda mayor a la que entró. Este cambio en el valor de la longitud de onda de la radiación depende solamente del ángulo de dispersión. Este fenómeno se produce cuando la radiación electromagnética incide sobre un electrón de las capas superficiales. Esta interacción va a dispersar el fotón, reduce su energía y va a ionizar al átomo. Acá podemos observar hacia la derecha la ecuación de Planck. En la ecuación de Planck es una ecuación que a mí me mide la energía de una radiación electromagnética y me dice que es igual a H por Ni. H es la constante de Planck y Ni es la frecuencia de la onda. Si analizamos lo que es frecuencia y reemplazamos, vemos que la frecuencia es igual a la velocidad de la luz sobre la longitud de onda. Entonces podemos decir que a mayor longitud de onda, menor energía porque vemos que es inversamente proporcional. Energía de la radiación con la longitud de onda de la radiación. En este gráfico podemos observar que tenemos una radiación que tiene una longitud de onda lambda incidente, que incide sobre un electrón y este electrón va a salir con un determinado ángulo. Pero a su vez, esta radiación que tenía una longitud de onda determinada va a dispersarse formando otro ángulo y que va a tener una longitud de onda mayor. Quiere decir que si la longitud de onda del fotón dispersado es mayor, implica que la energía va a ser menor. Significa que la radiación electromagnética que incide con una energía alta, se va a dispersar y va a producir un electrón y una onda electromagnética con menor energía. En la fórmula de abajo podemos observar que la longitud de onda final, o sea, de la radiación dispersada, menos la longitud de onda inicial, podemos llamar delta de longitud de onda. Va a ser igual a la constante de Planck sobre la masa del electrón por la velocidad de la luz. Por uno menos el coseno del ángulo dispersado. La otra forma que tiene la materia de interactuar con las radiaciones es a través de la formación de pares. Acá, para que se vea el efecto de la formación de pares, los fotones o las radiaciones tienen que tener una energía mayor a 1022 K. Fíjense que son energías mayores que las que producían el efecto quantum y el efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico nos acordamos que eran radiaciones hasta 100 K. El efecto quantum lo producían radiaciones hasta 1000 K. Ahora, fotones que tengan mayor energía de 1022 K son los que van a provocar la formación de pares. ¿Qué son estas formaciones de pares? Son un par electrón-positrón. O sea, que esta radiación va a interactuar con el núcleo del átomo y se van a desprender un electrón y un positrón. Este exceso de energía de la radiación se transfiere en forma equivalente a ambas partículas, tanto al electrón como al positrón. Y estos elementos pueden producir la ionización adicional al material. En cuanto al electrón que se forma, no tienen mayor relevancia, pero el positrón que sale despedido del núcleo puede interactuar con otro electrón de otro átomo, provocando un fenómeno de aniquilación. Esta aniquilación va a generar como consecuencia dos fotones resultantes, que van a tener direcciones opuestas y van a tener un valor de energía de 0,51 MeV cada uno. Estos fotones que resultan de la aniquilación del positrón y el electrón pueden dar nuevamente un efecto quantum o un efecto fotoeléctrico. La acción de la radiación ionizante sobre las células, tejidos y órganos viene determinado por procesos de excitación, ionización y radiólisis, ya sea en el material genético como el ADN o en el medio donde se encuentran los órganos celulares, principalmente el agua. Los mecanismos de acción de la radiación para provocar sus efectos o lesiones sobre las células se pueden clasificar en dos tipos. Uno, efecto directo, también llamado teoría del blanco, y otro efecto indirecto o de los radicales libres. La acción directa produce daños por la ionización directa de una molécula clave o moléculas que se precisan constantemente para que la célula funcione y viva en forma adecuada. En cambio, la teoría indirecta o de los radicales libres, justamente se producen radicales libres que estos van a provocar en la célula variadas reacciones químicas que al propagarse pueden causar cambios y lesiones en zonas relativamente distintas del lugar de la interacción primaria. Bueno, acá está representado en un esquema que se llama esquema de Bach y Alexander. Los fenómenos de la acción directa y la acción indirecta son en la célula. Entonces vemos que esas radiaciones ionizantes producen una ionización y una excitación y pueden actuar de dos formas. Por un lado, directamente, o sea, relaciona causa-efecto, es decir, establece la probabilidad de inducir el daño, y esto está en función de la dosis absorbida. O sea, un fotón hace blanco en determinados sitios y causará mayor o menor daño acorde con la ubicación de su incidencia. Por ejemplo, si incide a nivel de los puentes hidrógenos de las cadenas del ADN, puede producir un daño permanente. Mientras que se incide en otros sitios de las moléculas, esta podrá recuperarse con vicios morfológicos o funcionales. Mirando el esquema hacia la derecha, vemos la acción indirecta o teoría de los radicales libres. Esta teoría se basa en las modificaciones físicas y químicas del agua que está presente en los tejidos. Es decir, pueden tener poca relación el impacto y su probable efecto, porque la incidencia es puramente al azar. Podemos diferenciar tres fases. Una primera fase física en donde los rayos ionizantes afectan al átomo que va a desprender un electrón, el cual puede ir a ionizar a otros átomos más, y así sucesivamente hasta que se neutraliza la energía. Segunda fase sería la fase físico-química, en donde se forman los radicales libres que interactúan con otras moléculas y forman peróxidos. Estos peróxidos son muy tóxicos. Y por último tenemos la fase biológica, que es la más larga, que puede durar entre algunos segundos y hasta años. En ella, el daño biológico está sujeto al azar y a la probabilidad. Acá podemos observar los rayos de ólesis del agua, en donde el agua es excitada, desprende un electrón, ese electrón va a ir a ionizar otros átomos, después se forman los radicales libres como los peróxidos, que son altamente nocivos. Estos radicales libres son sustancias químicas altamente reactivas que pueden causar efectos biológicos nocivos e interactuar entre sí, iniciando una reacción en cadena que va a destruir la Tierra. El efecto de la radiación sobre células, tejidos y órganos viene determinado por procesos de excitación, ionización y radiovisión, ya sea en el material genético, como el ADN, o en el medio donde se encuentran los órganos celulares, principalmente el agua. Los mecanismos de acción de la radiación para provocar sus efectos o lesiones sobre las células se pueden clasificar en dos tipos. Uno, efecto directo, también llamado teoría del blanco, y otro efecto indirecto o de los radicales libres. La acción directa produce daños por la ionización directa de una molécula clave o moléculas que se precisan constantemente para que la célula funcione y viva en forma adecuada. En cambio, la teoría indirecta o de los radicales libres, justamente se producen radicales libres que estos van a provocar en la célula variadas reacciones químicas que al propagarse pueden causar cambios y lesiones en zonas relativamente distintas del lugar de la interacción primaria. Bueno, acá está representado en un esquema, que se llama esquema DIVAC y Alexander, los fenómenos de la acción directa y la acción indirecta sobre la célula. Entonces vemos que estas radiaciones ionizantes producen una ionización y una excitación y pueden actuar de dos formas. Por un lado, directamente, o sea, relaciona causa-efecto, es decir, establece la probabilidad de inducir el daño y esto está en función de la dosis absorbida. Un fotón hace blanco en determinados sitios y causará mayor o menor daño acorde con la ubicación de su incidencia. Por ejemplo, si incide a nivel de los puentes hidrógenos de las cadenas del ADN, puede producir un daño permanente. Mientras que se incide en otros sitios de las moléculas, ésta podrá recuperarse con vicios morfológicos o funcionales En la esquema hacia la derecha vemos la acción indirecta o teoría de los radicales libres. Esta teoría se basa en las modificaciones físicas y químicas del agua que está presente en los tejidos. Es decir, pueden tener poca relación el impacto y su probable efecto, porque la incidencia es puramente al azar. Podemos diferenciar tres fases. Una primera fase física, en donde los rayos ionizantes afectan al átomo que va a desprender un electrón, el cual puede ir a ionizar a otros átomos más, y así sucesivamente, hasta que se neutraliza la energía. Segunda fase sería la fase físico-química, en donde se forman los radicales libres que interactúan con otras moléculas y forman peróxidos. Estos peróxidos son muy tóxicos. Y por último tenemos la fase biológica, que es la más larga, que puede durar entre algunos segundos y hasta años. En ella, el daño biológico está sujeto al azar y a la probabilidad. Acá podemos observar la radiolisis del agua, en donde el agua es excitada, desprende un electrón. Este electrón va a ir a ionizar otros átomos. Después se forman los radicales libres, como los peróxidos, que son altamente nocivos. Estos radicales libres son sustancias químicas altamente reactivas que pueden causar efectos biológicos nocivos y interactuar entre sí, iniciando una reacción en cadena que van a destruir las células. Bien, los efectos biológicos de las radiaciones van a depender del tipo celular que esté afectado. Van a ser efectos hereditarios o efectos somáticos, dependiendo de las células que afecten. Si afectan a las gónadas, los efectos no los va a sufrir el individuo, sino que se manifiestan en la descendencia. Mutaciones genéticas, alteraciones cromosómicas, estos son los efectos, a largo plazo, los efectos hereditarios. En cambio, si los efectos somáticos son cuando actúan en las células somáticas, el daño biológico se manifiesta en el organismo del individuo expuesto, o sea, en el propio individuo irradiado. Por ejemplo, radiodermitis, cataratas, esterilidad, carcinogénesis. Y según el tipo de efecto, vamos a poder diferenciar los efectos determinísticos y los efectos estocáticos. Los determinísticos se caracterizan por tener un umbral, la severidad es función de la dosis, con la dosis va a aumentar el daño, o sea, mayor dosis, mayor daño. En cambio, los efectos estocásticos no tienen un umbral determinado, la severidad no es función de la dosis, pero con la dosis aumenta la probabilidad de ocurrencia. Los efectos de la radiación sobre las células difieren en función del tipo de moléculas que se vean afectadas. Moléculas, por ejemplo, como los hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas, se pueden producir efectos transitorios y de menor gravedad, ya que estas moléculas se pueden sintetizar de nuevo. Pero cuando las radiaciones ionizantes actúan sobre las moléculas del ADN, pueden ocurrir dos cosas. Daños leves que se pueden reparar sin consecuencia, o daños más graves que pueden producir mutación Si las células afectadas son somáticas, tras sucesivas divisiones se puede producir un tumor cancerígeno o benigno. Si las células afectadas son germinales, como los óvulos o espermatozoides, y éstas diecen origen a un feto, el niño resultante y su descendencia pueden ser portadores de enfermedad genética. Por otro lado, la dosis de la radiación recibida por el tejido también me va a dar la probabilidad de que aparezcan efectos sobre la salud. Cuanto más baja sea la radiación recibida, menos probabilidad de que haya efectos en los niños. Si el genoma celular se ve afectado, se puede producir la muerte celular. Y la muerte de un número pequeño de células no afecta al organismo. Solo cuando se produce una muerte masiva de células provoca... Los efectos determinísticos son no probabilísticos. Efectos donde la severidad aumenta con la dosis y se produce a partir de una dosis umbral. Debajo de esa dosis no hay efectos. Los efectos determinísticos son aquellas patologías producidas en el individuo que reconocen que las radiaciones yolizantes son la causa directa. Por ejemplo, las radiodermitis, cataratas, la esterilidad. En cambio, los efectos estocásticos son probabilísticos. Quiere decir que los efectos están probablemente de que ocurran o se incrementen con la dosis recibida. Así con el tiempo de exposición. No tienen una dosis umbral para manifestarse. Cualquier dosis, no importa lo pequeña que sea, siempre producirá una respuesta. Los efectos estocásticos pueden ocurrir o no ocurrir. No hay un estado intermedio. Son efectos aleatorios. Ocurren al azar. Por ejemplo, las mutaciones genéticas, el cáncer, la inducción de un cáncer en particular es un efecto estocástico. Su probabilidad de ocurrir depende de la dosis recibida. También tenemos que hacer una diferencia entre el tipo de exposición hacia las ondas radiactivas. ¿Por qué? Porque existe una exposición ocupacional. O sea, por ejemplo, podemos ver esta persona que está muchas horas debajo de los rayos del sol, va a tener por su ocupación, va a recibir una exposición a las radiaciones determinadas. ¿Por qué? Porque no va a ser lo mismo, a lo mejor, que la persona que está adentro de su casa y que no tiene mucha exposición al aire libre. Lo mismo que la exposición médica. O sea, que existen determinadas actividades médicas que estamos sometidos a radiaciones. Y la exposición del público es la del público en general, que está dentro de su casa, que sale, que se recibe estudios médicos, pero no en exceso, sino en una forma habitual. La dosimetría es la ciencia que estudia la relación que hay entre las medidas cuantitativas de la radiación y sus efectos en un sistema vivo, o sea, un ecosistema, un sistema biológico. La dosimetría es, por lo tanto, esencial para cuantificar la incidencia de los cambios biológicos en función de la cantidad de radiación recibida. Así como también para controlar la exposición de la radiación en los seres vivos y sus efectos en el medio ambiente. Por todo esto, se necesita hablar de un sistema de unidades para poder cuantificar esa radiación. Y se han constituido dos sistemas de unidades. Uno que es el sistema convencional, que es el que se conoce desde hace mucho tiempo. Y el otro sería el sistema internacional, que es un sistema de unidades consistente con el sistema métrico decimal, y que está de mucho uso sobre todo en Europa. También es importante que definamos dosis.