Átomo que tiene exceso de energía nuclear, lo que lo hace inestable.
Un radionúclido ( nucleido radiactivo , radioisótopo o isótopo radiactivo ) es un nucleido que tiene un exceso de neutrones o protones , lo que le da un exceso de energía nuclear y lo vuelve inestable. Este exceso de energía se puede utilizar de una de tres maneras: emitido desde el núcleo como radiación gamma ; transferido a uno de sus electrones para liberarlo como un electrón de conversión ; o utilizado para crear y emitir una nueva partícula ( partícula alfa o partícula beta ) desde el núcleo. Durante esos procesos, se dice que el radionúclido sufre desintegración radiactiva . [1] Estas emisiones se consideran radiación ionizante porque son lo suficientemente energéticas como para liberar un electrón de otro átomo. La desintegración radiactiva puede producir un nucleido estable o, a veces, producirá un nuevo radionúclido inestable que puede sufrir una desintegración adicional. La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales: es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. [2] [3] [4] [5] Sin embargo, para un conjunto de átomos de un único nucleido, la tasa de desintegración y, por tanto, la vida media ( t 1/2 ) para ese conjunto, se pueden calcular a partir de sus constantes de desintegración medidas . El rango de las vidas medias de los átomos radiactivos no tiene límites conocidos y abarca un rango de tiempo de más de 55 órdenes de magnitud.
Los radionucleidos se producen de forma natural o artificial en reactores nucleares , ciclotrones , aceleradores de partículas o generadores de radionucleidos . Hay unos 730 radionucleidos con vidas medias superiores a 60 minutos (véase la lista de nucleidos ). Treinta y dos de ellos son radionucleidos primordiales que se crearon antes de que se formara la Tierra. Al menos otros 60 radionucleidos son detectables en la naturaleza, ya sea como descendientes de radionucleidos primordiales o como radionucleidos producidos a través de la producción natural en la Tierra por la radiación cósmica. Más de 2400 radionucleidos tienen vidas medias inferiores a 60 minutos. La mayoría de ellos solo se producen artificialmente y tienen vidas medias muy cortas. A modo de comparación, hay unos 251 nucleidos estables .
Todos los elementos químicos pueden existir como radionucleidos. Incluso el elemento más ligero, el hidrógeno , tiene un radionucleido bien conocido, el tritio . Los elementos más pesados que el plomo , y los elementos tecnecio y prometio , existen únicamente como radionucleidos.
La exposición no planificada a los radionucleidos generalmente tiene un efecto nocivo sobre los organismos vivos, incluidos los humanos, aunque se producen niveles bajos de exposición de forma natural sin causar daño. El grado de daño dependerá de la naturaleza y la extensión de la radiación producida, la cantidad y la naturaleza de la exposición (contacto cercano, inhalación o ingestión) y las propiedades bioquímicas del elemento; siendo el aumento del riesgo de cáncer la consecuencia más habitual. Sin embargo, los radionucleidos con propiedades adecuadas se utilizan en medicina nuclear tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. Un trazador de imágenes elaborado con radionucleidos se denomina trazador radiactivo . Un fármaco farmacéutico elaborado con radionucleidos se denomina radiofármaco .
Origen
Natural
En la Tierra, los radionucleidos naturales se dividen en tres categorías: radionucleidos primordiales, radionucleidos secundarios y radionucleidos cosmogénicos .
Los radionucleidos se producen en la nucleosíntesis estelar y en las explosiones de supernovas junto con los nucleidos estables. La mayoría se desintegran rápidamente, pero aún se pueden observar astronómicamente y pueden desempeñar un papel en la comprensión de los procesos astronómicos. Los radionucleidos primordiales, como el uranio y el torio , existen en la actualidad porque sus vidas medias son tan largas (>100 millones de años) que aún no se han desintegrado por completo. Algunos radionucleidos tienen vidas medias tan largas (muchas veces la edad del universo) que la desintegración solo se ha detectado recientemente y, para la mayoría de los fines prácticos, se pueden considerar estables, en particular el bismuto-209 : la detección de esta desintegración significó que el bismuto ya no se consideraba estable. Es posible que se observe la desintegración en otros nucleidos, lo que se suma a esta lista de radionucleidos primordiales.
Los radionucleidos secundarios son isótopos radiogénicos derivados de la desintegración de los radionucleidos primordiales. Tienen vidas medias más cortas que los radionucleidos primordiales. Surgen en la cadena de desintegración de los isótopos primordiales torio-232 , uranio-238 y uranio-235 . Algunos ejemplos incluyen los isótopos naturales de polonio y radio .
Muchos de estos radionucleidos existen sólo en cantidades traza en la naturaleza, incluidos todos los nucleidos cosmogénicos. Los radionucleidos secundarios se producen en proporción a sus vidas medias, por lo que los de vida corta serán muy raros. Por ejemplo, el polonio se puede encontrar en minerales de uranio en alrededor de 0,1 mg por tonelada métrica (1 parte en 10 10 ). [7] [8] Otros radionucleidos pueden aparecer en la naturaleza en cantidades prácticamente indetectables como resultado de eventos raros como la fisión espontánea o interacciones poco comunes con rayos cósmicos.
Fisión nuclear
Los radionucleidos se producen como resultado inevitable de la fisión nuclear y las explosiones termonucleares . El proceso de fisión nuclear crea una amplia gama de productos de fisión , la mayoría de los cuales son radionucleidos. Se pueden crear más radionucleidos a partir de la irradiación del combustible nuclear (creando una gama de actínidos ) y de las estructuras circundantes, lo que produce productos de activación . Esta compleja mezcla de radionucleidos con diferentes químicas y radiactividad hace que la manipulación de los residuos nucleares y el tratamiento de la lluvia radiactiva sean particularmente problemáticos. [ cita requerida ]
Además de extraerse de los residuos nucleares, los radioisótopos pueden producirse deliberadamente con reactores nucleares, aprovechando el alto flujo de neutrones presente. Estos neutrones activan elementos colocados dentro del reactor. Un producto típico de un reactor nuclear es el iridio-192 . Se dice que los elementos que tienen una gran propensión a absorber neutrones en el reactor tienen una sección transversal neutrónica alta .
Los aceleradores de partículas, como los ciclotrones, aceleran partículas para bombardear un objetivo y producir radionucleidos. Los ciclotrones aceleran protones en un objetivo para producir radionucleidos emisores de positrones, por ejemplo, flúor-18 .
Los generadores de radionúclidos contienen un radionúclido padre que se desintegra para producir un hijo radiactivo. El padre se produce generalmente en un reactor nuclear. Un ejemplo típico es el generador de tecnecio-99m utilizado en medicina nuclear . El padre producido en el reactor es el molibdeno-99 .
Usos
Los radionucleidos se utilizan de dos maneras principales: ya sea por su radiación únicamente ( irradiación , baterías nucleares ) o por la combinación de propiedades químicas y su radiación (trazadores, productos biofarmacéuticos).
En biología , los radionucleidos de carbono pueden servir como trazadores radiactivos porque son químicamente muy similares a los nucleidos no radiactivos, por lo que la mayoría de los procesos químicos, biológicos y ecológicos los tratan de una manera casi idéntica. Luego se puede examinar el resultado con un detector de radiación, como un contador Geiger , para determinar dónde se incorporaron los átomos proporcionados. Por ejemplo, se pueden cultivar plantas en un entorno en el que el dióxido de carbono contenga carbono radiactivo; entonces, las partes de la planta que incorporen carbono atmosférico serían radiactivas. Los radionucleidos se pueden utilizar para monitorear procesos como la replicación del ADN o el transporte de aminoácidos .
En física y biología, la espectrometría de fluorescencia de rayos X de radionúclidos se utiliza para determinar la composición química del compuesto . La radiación de una fuente de radionúclidos incide en la muestra y excita los rayos X característicos en la muestra. Esta radiación se registra y la composición química de la muestra se puede determinar a partir del análisis del espectro medido. Al medir la energía de las líneas de radiación características, es posible determinar el número de protones del elemento químico que emite la radiación, y al medir el número de fotones emitidos , es posible determinar la concentración de elementos químicos individuales.
En medicina nuclear , los radioisótopos se utilizan para diagnóstico, tratamiento e investigación. Los trazadores químicos radiactivos que emiten rayos gamma o positrones pueden proporcionar información diagnóstica sobre la anatomía interna y el funcionamiento de órganos específicos, incluido el cerebro humano . [10] [11] [12] Esto se utiliza en algunas formas de tomografía: tomografía computarizada por emisión de fotón único y tomografía por emisión de positrones (PET) e imágenes de luminiscencia de Cherenkov . Los radioisótopos también son un método de tratamiento en formas hematopoyéticas de tumores; el éxito para el tratamiento de tumores sólidos ha sido limitado. Las fuentes gamma más potentes esterilizan jeringas y otros equipos médicos.
En la conservación de alimentos , la radiación se utiliza para detener la germinación de los cultivos de raíces después de la cosecha, para matar parásitos y plagas y para controlar la maduración de frutas y verduras almacenadas. La irradiación de alimentos suele utilizar nucleidos de desintegración beta con fuertes emisiones gamma, como el cobalto-60 o el cesio-137 .
En la industria y en la minería , los radionucleidos se utilizan para examinar soldaduras, detectar fugas, estudiar la tasa de desgaste, erosión y corrosión de los metales y para el análisis en línea de una amplia gama de minerales y combustibles.
En ecología , los radionucleidos se utilizan para rastrear y analizar contaminantes, estudiar el movimiento de las aguas superficiales y medir las escorrentías de agua de lluvia y nieve, así como los caudales de arroyos y ríos.
En geología , arqueología y paleontología , los radionucleidos naturales se utilizan para medir la edad de rocas, minerales y materiales fósiles.
Ejemplos
En la siguiente tabla se enumeran las propiedades de radionucleidos seleccionados, ilustrando la variedad de propiedades y usos.
Contenedor de americio-241 en un detector de humo.Cápsula de americio-241 que se encuentra en un detector de humo. El círculo de metal más oscuro en el centro es americio-241; la carcasa que lo rodea es de aluminio.
Los radionucleidos están presentes en muchos hogares, ya que se utilizan dentro de los detectores de humo domésticos más comunes . El radionucleido utilizado es el americio-241 , que se crea bombardeando plutonio con neutrones en un reactor nuclear. Se desintegra emitiendo partículas alfa y radiación gamma para convertirse en neptunio-237 . Los detectores de humo utilizan una cantidad muy pequeña de 241 Am (aproximadamente 0,29 microgramos por detector de humo) en forma de dióxido de americio . El 241 Am se utiliza porque emite partículas alfa que ionizan el aire en la cámara de ionización del detector . Se aplica un pequeño voltaje eléctrico al aire ionizado que da lugar a una pequeña corriente eléctrica. En presencia de humo, algunos de los iones se neutralizan, disminuyendo así la corriente, lo que activa la alarma del detector. [14] [15]
Impactos sobre los organismos
Los radionucleidos que llegan al medio ambiente pueden causar efectos nocivos como la contaminación radiactiva . También pueden causar daños si se utilizan en exceso durante el tratamiento o si se exponen de otras formas a los seres vivos, por envenenamiento por radiación . El daño potencial a la salud por la exposición a los radionucleidos depende de varios factores y "puede dañar las funciones de los tejidos y órganos sanos. La exposición a la radiación puede producir efectos que van desde enrojecimiento de la piel y pérdida de cabello hasta quemaduras por radiación y síndrome de radiación aguda . La exposición prolongada puede provocar daños en las células y, a su vez, provocar cáncer. Los signos de células cancerosas pueden no aparecer hasta años, o incluso décadas, después de la exposición". [16]
Tabla resumen de clases de nucleidos, estables y radiactivos
A continuación se presenta una tabla resumen de la lista de 989 nucleidos con vidas medias superiores a una hora. En total, 251 nucleidos nunca se han desintegrado y se consideran clásicamente estables. De ellos, se cree que 90 son absolutamente estables, salvo en lo que respecta a la desintegración de protones (que nunca se ha observado), mientras que el resto son " estables desde el punto de vista de la observación " y, en teoría, pueden sufrir desintegración radiactiva con vidas medias extremadamente largas.
Los radionucleidos tabulados restantes tienen vidas medias mayores de 1 hora y están bien caracterizados (ver la lista de nucleidos para una tabulación completa). Incluyen 30 nucleidos con vidas medias medidas mayores que la edad estimada del universo (13.8 mil millones de años [17] ), y otros cuatro nucleidos con vidas medias lo suficientemente largas (> 100 millones de años) como para ser nucleidos primordiales radiactivos , y pueden detectarse en la Tierra, habiendo sobrevivido de su presencia en el polvo interestelar desde antes de la formación del Sistema Solar , hace unos 4.6 mil millones de años. Otros 60+ nucleidos de vida corta pueden detectarse de forma natural como hijos de nucleidos de vida más larga o productos de rayos cósmicos. Los nucleidos conocidos restantes se conocen únicamente por transmutación nuclear artificial .
Las cifras no son exactas y pueden cambiar ligeramente en el futuro, ya que se observa que los "nucleidos estables" son radiactivos con vidas medias muy largas.
Esta es una tabla resumen [18] para los 989 nucleidos con vidas medias mayores a una hora (incluidos aquellos que son estables), que figuran en la lista de nucleidos .
Lista de radionucleidos disponibles comercialmente
Esta lista incluye isótopos comunes, la mayoría de los cuales están disponibles en cantidades muy pequeñas para el público en general en la mayoría de los países. Otros que no son de acceso público se comercializan en los campos industrial, médico y científico y están sujetos a regulación gubernamental.
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Referencias
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Lectura adicional
Luig, H.; Kellerer, AM; Griebel, JR (2011). "Radionucleidos, 1. Introducción". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi :10.1002/14356007.a22_499.pub2. ISBN 978-3527306732.
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Radionucleidos .
EPA – Radionucleidos – Programa de protección radiológica de la EPA: información.
FDA – Radionúclidos – Programa de protección radiológica de la FDA: información.
Gráfico interactivo de nucleidos: un gráfico de todos los nucleidos
Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos: fuente de radionucleidos del gobierno de EE. UU.: producción, investigación, desarrollo, distribución e información
