Universidad del Valle de México Coyoacán

Métodos Radioquímicos

La disponibilidad tanto de isótopos radiactivos naturales como artificiales ha hecho posible el desarrollo de métodos analíticos (métodos radioquímicos) que son a la vez sensibles y específicos'. Estos procedimientos se caracterizan normalmente por una buena exactitud y una amplia aplicabilidad; además, algunos reducen o eliminan separaciones químicas que son necesarias en otros métodos anal Áticos.
Los métodos radioquímicos son de tres tipos según sea el origen de la radiactividad. En análisis por activación, la actividad es inducida en uno o más elementos de la muestra por irradiación con radiación o partículas adecuadas (normalmente neutrones térmicos de un reactor nuclear); se mide a continuación la radiactividad resultante. En la segunda categoría se encuentran los métodos en los que la radiactividad se introduce físicamente
en la muestra por adición de una cantidad medida de una especie radiactiva denominada marcador radioquímicos. La clase más importante de métodos cuantitativos basada en este procedimiento es el método de dilución isotópica, en el que una cantidad pesada de analito marcado radiactivamente y que tiene una actividad conocida se añade a una cantidad medida de la muestra. Después de mezclar completamente para asegurar la homogeneidad, se aísla y purifica una fracción del analito; el análisis determina la actividad de esta fracción aislada. Además, los químicos orgánicos a menudo utilizan reactivos que han sido marcados con marcadores radiactivos con objeto de elucidar los mecanismos de reacción. La tercera clase de métodos implica medidas de radiactividad que tiene lugar de manera natural en una muestra. Ejemplos de este tipo de métodos son la medida de radián en el aire de una casa o de uranio en materiales de loza y cerámica.

DECAIMIENTO RADIACTIVO

LAS FUENTES RADIACTIVAS

Los núcleos pueden transformarse unos en otros, o pasar de un estado energético a otro, mediante la emisión de radiaciones. Se dice entonces que los núcleos son radiactivos; el proceso que sufren se denomina decaimiento radiactivo o desintegración radiactiva. Esta transformación o decaimiento sucede de manera espontánea en cada núcleo, sin que pueda impedirse mediante ningún factor externo. Nótese, además, que cada decaimiento va acompañado por la emisión de al menos una radiación. La energía que se lleva cada radiación es perdida por el núcleo, siendo la fuerza nuclear el origen de esta energía y lo que da a las radiaciones sus dos características más útiles: poder penetrar materia y poder depositar su energía en ella.

No todos los núcleos de la naturaleza son radiactivos. El decaimiento nuclear sólo sucede cuando hay un exceso de masa-energía en el núcleo, la emisión le ayuda entonces a lograr una mayor estabilidad. Los decaimientos radiactivos de los diferentes núcleos se caracterizan por: el tipo de emisión, su energía y la rapidez de decaimiento.

TIPOS DE DECAIMIENTO RADIACTIVO

Solo hay unas cuantas maneras en que los núcleos pueden decaer, si bien cada tipo de núcleo tiene su propio modo de decaimiento. A continuación describimos los más importantes.

a) Decaimiento alfa (α). Un grupo importante de elementos pesados puede decaer emitiendo partículas alfa, que consisten de un agregado de dos protones y dos neutrones. Estas partículas alfa son idénticas a núcleos de helio (4He), por lo que su carga es +2e y su número de masa es 4. Cuando un núcleo emite una partícula alfa, pierde 2 unidades de carga y 4 de masa, transformándose en otro núcleo, como lo indica el siguiente ejemplo:

Nótese que los números atómicos y de masa deben sumar lo mismo antes y después de la emisión. Nótese también que hay una verdadera transmutación de elementos.

b) Decaimiento beta (β). Hay dos tipos de decaimiento beta, el de la partícula negativa y el de la positiva. La partícula beta negativa que se emite es un electrón, con su correspondiente carga y masa, indistinguible de los electrones de las capas atómicas. En vista de que los núcleos no contienen electrones, la explicación de esta emisión es que un neutrón del núcleo se convierte en un protón y un electrón; el protón resultante permanece dentro del núcleo en virtud de la fuerza nuclear, y el electrón escapa como partícula beta. El número de masa del núcleo resultante es el mismo que el del núcleo original, pero su número atómico se ve aumentado en uno, conservándose así la carga. El siguiente caso es un ejemplo de decaimiento beta negativa.

Debe mencionarse que en todo decaimiento beta se emite también una nueva partícula, el neutrino. Esta partícula no tiene carga ni masa y, por lo tanto, no afecta el balance de la ecuación anterior. Por esa razón, y porque los neutrinos son muy inocuos, no se incluye en la ecuación. Sin embargo, se lleva parte de la energía total disponible en el proceso, quedando la partícula beta con sólo una parte de ésta.

Algunos núcleos emiten partículas beta positivas (positrones), que tienen la misma masa que los electrones, y carga +e, o sea una carga electrónica pero positiva. Estas partículas son las antipartículas de los electrones. Se crean en el núcleo cuando un protón se convierte en un neutrón. El nuevo neutrón permanece en el núcleo y el positrón (junto con otro neutrino) es emitido. En consecuencia, el núcleo pierde una carga positiva, como lo indica el siguiente ejemplo:

C) Decaimiento gamma (γ). Los rayos gamma son fotones, o sea paquetes de radiación electromagnética, como la luz visible, la ultravioleta, la infrarroja, los rayos X, las microondas y las ondas de radio. No tienen masa ni carga, y solamente constituyen energía emitida en forma de onda. En consecuencia, cuando un núcleo emite un rayo gamma, se mantiene como el mismo núcleo, pero en un estado de menor energía.

d) Captura electrónica. En ciertos núclidos es posible otro tipo de decaimiento, la captura electrónica. En este caso el núcleo atrapa un electrón orbital, de carga negativa. En consecuencia uno de sus protones se transforma en un neutrón, disminuyendo así su número atómico. El electrón atrapado por el núcleo generalmente proviene de la capa K, dejando una vacancia. Para llenar esta vacancia, cae un electrón de una capa exterior (L, M, etc.), emitiendo de manera simultánea un fotón de rayos X. El proceso total se identifica por los rayos X emitidos al final, que son característicos del nuevo átomo, como lo muestra el siguiente ejemplo:

Hay otros procesos de menor importancia que también implican decaimiento radiactivo, transmutación de elementos y emisión de alguna radiación característica. Por otro lado, si se cuenta con un acelerador de partículas o un reactor nuclear, se puede inducir un gran número de reacciones nucleares acompañadas por sus correspondientes emisiones. De hecho, en la gran mayoría de las fuentes radiactivas que se usan en la actualidad, la radiactividad ha sido inducida por bombardeo con neutrones provenientes de un reactor nuclear.

Hay fuentes radiactivas que emiten neutrones, pero éstos provienen de reacciones nucleares secundarias, porque ningún núcleo emite neutrones espontáneamente, salvo en el caso poco común de la fisión nuclear, la cual va acompañada por la emisión de varios neutrones.

ENERGÍAS DE DECAIMIENTO

La segunda propiedad que caracteriza al decaimiento radiactivo de cada núclido es la energía de la radiación emitida. Esta energía está dada por la diferencia entre los niveles involucrados en el decaimiento. Como los núcleos sólo pueden existir en niveles de energía fijos (se dice que su energía está cuantizada), se deduce que la energía de decaimiento entre dos estados dados es siempre la misma. Esta energía puede incluso servir para identificar el núclido.

Las radiaciones α y γ cumplen con esta regla de ser monoenergéticas si provienen de un solo tipo de decaimiento. Las β, sin embargo, deben compartir la energía disponible con el neutrino, por lo que tienen un espectro continuo de energías. Las radiaciones nucleares tienen normalmente energías del orden de los MeV

LEY DE DECAIMIENTO RADIACTIVO

La tercera propiedad característica de la desintegración radiactiva es su rapidez. Un núclido al desintegrarse se transforma en otro núclido y por lo tanto desaparece. Si el proceso es rápido, el núclido original dura poco, pronto se agota. Si el proceso es lento, puede durar mucho tiempo, hasta miles de millones de años.

Supóngase que se tiene una muestra con un número dado N de núcleos radiactivos. La actividad A, o sea la emisión de radiación por unidad de tiempo, es proporcional al número N presente en cada instante:

La cantidad λ se llama constante de decaimiento, y es característica de cada elemento y cada tipo de decaimiento. Representa la probabilidad de que haya una emisión en un lapso dado. De acuerdo con la fórmula, para un valor dado de N, la actividad es mayor o menor en magnitud según si λ es grande o pequeña.

La actividad A se mide en desintegraciones/ unidad de tiempo. La unidad de actividad aceptada internacionalmente es el Becquerel (Bq), que equivale a 1 desintegración/ segundo. Sus múltiplos son:

También se ha usado tradicionalmente la unidad Curie (Ci), igual a 3.7 X 1010 desintegraciones/ segundo (ésta es la actividad de un gramo de radio). Es claro que 1 Ci = 3.7 X 1010 Bq. Cuando uno adquiere una fuente radiactiva, debe especificarse su actividad. Por ejemplo, una fuente de 1 Ci de 60Co. Los submúltiplos del Curie son:

La ley de deacimiento radiactivo se expresa con la siguiente fórmula:


En esta ecuación Ao es la actividad inicial de la muestra, e es la función exponencial, y t es el tiempo. La figura 6 es una gráfica de actividad contra tiempo. Al principio del proceso, cuando t=0, la actividad tiene un valor Ao. Al transcurrir el tiempo, el valor de A va disminuyendo hasta que, para tiempos muy grandes, casi desaparece. El valor de la constante de decaimiento λ determina qué tan rápidamente cae la curva. Si la misma ecuación se grafica en papel semilogarítmico, el resultado es una línea recta, como lo muestra la siguiente figura:

LA VIDA MEDIA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS

Para representar la duración de las fuentes radiactivas se ha definido el concepto de vida media, y se representa como t1/2. La vida media de un isótopo es el tiempo que tarda en reducirse su actividad a la mitad. Dada la naturaleza de la función exponencial, esta vida media es la misma sin importar el instante en que se empieza a contar.

Como se puede ver en la siguiente figura, al transcurrir una vida media, la actividad se reduce a la mitad, al transcurrir dos vidas medias, se reduce a la cuarta parte, al transcurrir tres vidas medias, se reduce a una octava parte, etc. En general, si transcurren n vidas medias, la actividad se reduce a una fracción l/2n del valor original.

Sabemos que la constante de decaimiento λ representa la probabilidad de desintegración. Por lo tanto, es de esperarse que si λ es grande, la vida media es corta, y viceversa, o sea que hay una relación inversa entre la constante de decaimiento y la vida media. Esta relación es la siguiente:

Cada núclido tiene su vida media propia, y ésta es otra cantidad que no puede ser alterada por ningún factor externo. Las vidas medias de los isótopos pueden ser desde fracciones de segundo hasta miles de millones de años. El cuadro 3 muestra las vidas medias de algunos radioisótopos importantes.

Isótopos más cómunes

LOS ESQUEMAS DE DECAIMIENTO

Todas las características hasta aquí descritas sobre la desintegración radiactiva de cada núclido se pueden representar de forma gráfica en un llamado esquema de decaimiento, como los mostrados en la siguiente figura para varios isótopos: En estos esquemas, las líneas horizontales representan los estados energéticos en que pueden estar los núcleos, y distintos núcleos se encuentran desplazados horizontalmente, creciendo Z hacia la derecha. Las flechas indican transiciones por emisión radiactiva. La escala vertical es una escala de energías; la energía disponible para cada decaimiento está indicada por la separación entre los estados correspondientes. De esta manera un decaimiento por partícula cargada implica una flecha diagonal, y una emisión de rayo gamma una flecha vertical.

Para la siguiente figura se han seleccionado unos de los radioisótopos más empleados en la industria, el 32P, el 60Co y el 137Cs (el 192Ir no se presenta por su complejidad). Al observar detalladamente estos esquemas, se ve que un núclido puede decaer de varios modos distintos, que tienen indicado el porcentaje en que se presenta cada uno. Además, puede haber decaimientos secuenciales en varios pasos hasta llegar al estado de menor energía (estado base). La emisión de rayos gamma siempre es resultado de la creación previa de un estado excitado del núcleo final. Éste decae (posiblemente en varios pasos) hasta el estado base mediante transiciones llamadas isoméricas.

Algunos de estos esquemas pueden ser muy complejos. A fin de simplificar la figura sólo se muestran las transiciones más importantes. Habrá que recalcar que no hay dos esquemas de decaimiento iguales, y el conocimiento que se tiene sobre decaimientos nucleares conforma ya un gran acervo.

Obsérvese, por ejemplo, el caso del 32P. Cada desintegración corresponde a la emisión de una beta negativa y un neutrino, cuya suma de energías es 1.71 MeV, quedando como resultado un núcleo de 32S en su estado base. En el caso del 60Co, se emite beta con neutrino y luego dos rayos gamma secuenciales de 1.17 y 1.33 MeV. En el 137Cs, la mayoría de las veces (92%) se emite beta negativa con neutrino y luego un rayo gamma de .662 MeV; en 8% de los casos se emite sólo una beta con neutrino, de un total de energía de 1.17 MeV. El decaimiento del 192Ir es más complicado, emitiéndose betas positivas y negativas, neutrinos y varios rayos gamma de distintas energías.

FORMA FÍSICA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS

Como los radioisótopos tienen las mismas propiedades químicas que los elementos estables, las substancias radiactivas pueden presentarse de muy distintas formas. Para empezar, pueden ser sólidos, líquidos o gases, de acuerdo con el material primario empleado en su producción. La producción de radioisótopos consiste en colocar la substancia en un reactor nuclear y someterla a un bombardeo intenso con neutrones. Se puede tener, además, el material radiactivo en diferentes compuestos químicos.

Las fuentes radiactivas más empleadas (fuera de los laboratorios de investigación) se encuentran encapsuladas, de manera que es poco probable que el material se esparza a menos que se le someta a un intenso maltrato. Generalmente están soldadas dentro de una cápsula de acero inoxidable que permite la salida de los rayos gamma pero no de las alfas y sólo parte de las betas. Nunca debe interferirse con el encapsulamiento de una fuente radiactiva.

Cuando se adquiere una fuente radiactiva, el proveedor deberá especificar de qué isótopo se trata y cuál es la actividad de la fuente en Becquerels o Curies.

LAS FUENTES DE RAYOS X

Además de las fuentes radiactivas, en la industria o en la medicina suelen usarse aparatos de rayos X. A diferencia de las fuentes radiactivas, pueden encenderse o apagarse cuando se necesite. Esta característica, a primera vista trivial, hace que el manejo de cada tipo de fuente sea muy distinto, y que las precauciones para protegerse de la radiación también lo sean.

Los generadores de rayos X funcionan con base en el hecho de que, cuando un haz de electrones es frenado en un material, emite radiación electromagnética (fotones) principalmente de longitudes de onda correspondientes a los llamados rayos X. Sus componentes principales se indican en la siguiente figura. Un generador de rayos X consta de un bulbo de vidrio a alto vacío, con dos electrodos a los que se conecta un alto voltaje. El electrodo negativo, o cátodo, contiene un filamento emisor de electrones y es de forma tal que los electrones emitidos se enfocan en una pequeña región del ánodo, o electrodo positivo.

Este ánodo generalmente es de wolframio (tungsteno), cuyo elemento puede soportar las altas temperaturas que resultan del bombardeo electrónico. Si se conecta un alto voltaje entre los dos electrodos, los electrones catódicos se aceleran a altas velocidades y adquieren la energía correspondiente al voltaje aplicado. Cuando llegan al ánodo, se frenan bruscamente, produciendo rayos X y calor. Los rayos X salen del tubo lateralmente a través del vidrio.

Para activar el tubo de rayos X, es necesaria una fuente de alimentación de alto voltaje. Por lo general se emplean decenas o hasta centenas de kilovolts. El valor del alto voltaje determina la penetración de los rayos X, como veremos más adelante. El haz de electrones constituye una corriente eléctrica entre los dos electrodos, medida en miliamperes. La cantidad de rayos X producida, que define la dosis de radiación, es proporcional a la corriente de electrones, que puede ser hasta de unos 200 mamps. Esta se controla mediante una fuente de alimentación del filamento.

La energía de los rayos X producidos tiene un espectro continuo, como el que se fija en la figura de arriba. La energía máxima está dada por el kilovoltaje aplicado, la mínima por el grueso del vidrio que tienen que atravesar al salir del tubo. Sobre este espectro se encuentran dos picos de energías fijas, correspondientes a los rayos X característicos del tungsteno, producto de la ionización de este elemento.

FUENTES DE NEUTRONES

En ocasiones se emplean fuentes de neutrones para la exploración geofísica por las características especiales de la dispersión de estas partículas en la materia. Como ya sabemos, no existen substancias radiactivas que emitan neutrones, con excepción de algunos elementos pesados que sufren fisión espontánea, rompiéndose en dos fragmentos masivos y emitiendo varios neutrones a la vez. Un ejemplo es el californio 252Cf, que emite 3 o 4 neutrones por cada fisión. Además, sufre decaimiento alfa con una vida media de 2.7 años. Acompaña a estas emisiones una importante cantidad de rayos gamma.

Las fuentes más comunes de neutrones se basan en inducir una reacción nuclear cuyo producto sea un neutrón. Las reacciones más empleadas para esto son las siguientes:

Estas reacciones pueden ser provocadas de distintas maneras, pero siempre basadas en hacer llegar un proyectil al blanco correspondiente. El valor indicado en el paréntesis es la energía disponible en cada tipo de reacción y corresponde aproximadamente a la energía del neutrón emitido. Cuando es negativo, se requiere que el proyectil tenga por lo menos esta energía adicional para provocar la reacción. Aunque los neutrones pueden ser producidos en reactores o aceleradores nucleares de varios diseños, las fuentes más comúnmente usadas en la industria son portátiles, y de dos tipos, las de berilio y los generadores de tubo sellado.

Las fuentes de berilio aprovechan cualquiera de las dos primeras reacciones mencionadas en que se hacen llegar partículas alfa o rayos gamma de una substancia radiactiva primaria al elemento berilio. Los emisores de alfas más empleados en estas fuentes sin el 241Am, el 239Pu y el Po; el emisor de gammas más común es el Sb. Con objeto de que las alfas o las gammas lleguen con gran eficiencia al berilio, ambas substancias están en forma de polvo, y se mezclan a fondo. Si por accidente se rompiera el sello de una de estas fuentes y se esparcieran los polvos, cada uno de ellos sería tóxico por su lado, pero ya no se emitirían neutrones.

La vida media de estas fuentes claramente es la vida media del emisor primario de radiación, porque al irse agotando éste habrá menos radiaciones para inducir la reacción secundaria. Las energías de los neutrones emitidos muestran un espectro continuo, pero siendo del orden de los MeV, se denominan neutrones rápidos.

Los generadores de neutrones de tubo sellado consisten en un pequeño acelerador de alto voltaje (alrededor de 120 kv) en el que se aceleran deuterones (2H+) para chocar contra un blanco de 3H o de 2H. Se producen neutrones en virtud de las últimas dos reacciones mencionadas. Éstos son rápidos y casi monoenergéticos (de una sola energía). Los generadores de neutrones tienen la ventaja de que se pueden encender y apagar, reduciéndose prácticamente a cero los riesgos de la radiación cuando están apagados.

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