Atom that has excess nuclear energy, making it unstable
Un radionucleido ( nucleido radioactivo , radioisótopo o isótopo radiactivo ) es un nucleido que tiene un exceso de neutrones o protones , lo que le confiere un exceso de energía nuclear y lo vuelve inestable. Este exceso de energía se puede utilizar de tres maneras: emitida desde el núcleo como radiación gamma ; transferido a uno de sus electrones para liberarlo como electrón de conversión ; o se utiliza 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 radiaciones ionizantes porque son lo suficientemente energéticas como para liberar un electrón de otro átomo. La desintegración radiactiva puede producir un nucleido estable o, en ocasiones, producirá un nuevo radionucleido inestable que puede sufrir una mayor desintegración. 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 solo nucleido, la tasa de desintegración y, por tanto, la vida media ( t 1/2 ) de ese conjunto, se puede calcular a partir de su desintegración medida. constantes . El intervalo de semividas de los átomos radiactivos no tiene límites conocidos y abarca un intervalo de tiempo de más de 55 órdenes de magnitud.
Los radionucleidos se producen de forma natural o se producen artificialmente en reactores nucleares , ciclotrones , aceleradores de partículas o generadores de radionucleidos . Hay alrededor de 730 radionucleidos con vidas medias superiores a 60 minutos (ver 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 mediante producción natural en la Tierra por radiación cósmica. Más de 2.400 radionucleidos tienen vidas medias inferiores a 60 minutos. La mayoría de ellos sólo se producen artificialmente y tienen vidas medias muy cortas. A modo de comparación, existen alrededor de 251 nucleidos estables . (En teoría, sólo 146 de ellos son estables, y se cree que los otros 105 se desintegran mediante desintegración alfa , desintegración beta , desintegración beta doble , captura de electrones o captura de electrones doble ).
Todos los elementos químicos pueden existir como radionucleidos. Incluso el elemento más ligero, el hidrógeno , tiene un radionucleido muy conocido, el tritio . Los elementos más pesados que el plomo , y los elementos tecnecio y prometio , existen sólo como radionucleidos. (En teoría, los elementos más pesados que el disprosio existen sólo como radionucleidos, pero algunos de estos elementos, como el oro y el platino , son observacionalmente estables y no se han determinado sus vidas medias).
La exposición no planificada a radionucleidos generalmente tiene un efecto nocivo en los organismos vivos, incluidos los humanos, aunque los niveles bajos de exposición ocurren naturalmente sin causar daño. El grado de daño dependerá de la naturaleza y extensión de la radiación producida, la cantidad y naturaleza de la exposición (contacto cercano, inhalación o ingestión) y las propiedades bioquímicas del elemento; siendo la consecuencia más habitual un mayor riesgo de cáncer. Sin embargo, en medicina nuclear se utilizan radionucleidos con propiedades adecuadas tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. Un trazador de imágenes elaborado con radionúclidos se denomina trazador radiactivo . Un fármaco elaborado con radionúclidos se llama 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 explosiones de supernovas junto con nucleidos estables. La mayoría se desintegra rápidamente, pero aún se pueden observar astronómicamente y pueden contribuir a 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 sólo recientemente se ha detectado su desintegración y, para la mayoría de los fines prácticos, pueden considerarse estables, en particular el bismuto-209 : la detección de esta desintegración significó que el bismuto se ya no se considera estable. Es posible que se observe desintegración en otros nucleidos, sumándose a esta lista de radionucleidos primordiales.
Secondary radionuclides are radiogenic isotopes derived from the decay of primordial radionuclides. They have shorter half-lives than primordial radionuclides. They arise in the decay chain of the primordial isotopes thorium-232, uranium-238, and uranium-235. Examples include the natural isotopes of polonium and radium.
Many of these radionuclides exist only in trace amounts in nature, including all cosmogenic nuclides. Secondary radionuclides will occur in proportion to their half-lives, so short-lived ones will be very rare. For example, polonium can be found in uranium ores at about 0.1 mg per metric ton (1 part in 1010).[7][8] Further radionuclides may occur in nature in virtually undetectable amounts as a result of rare events such as spontaneous fission or uncommon cosmic ray interactions.
Nuclear fission
Radionuclides are produced as an unavoidable result of nuclear fission and thermonuclear explosions. The process of nuclear fission creates a wide range of fission products, most of which are radionuclides. Further radionuclides can be created from irradiation of the nuclear fuel (creating a range of actinides) and of the surrounding structures, yielding activation products. This complex mixture of radionuclides with different chemistries and radioactivity makes handling nuclear waste and dealing with nuclear fallout particularly problematic.[citation needed]
Synthetic radionuclides are deliberately synthesised using nuclear reactors, particle accelerators or radionuclide generators:[citation needed]
As well as being extracted from nuclear waste, radioisotopes can be produced deliberately with nuclear reactors, exploiting the high flux of neutrons present. These neutrons activate elements placed within the reactor. A typical product from a nuclear reactor is iridium-192. The elements that have a large propensity to take up the neutrons in the reactor are said to have a high neutron cross-section.
Los aceleradores de partículas, como los ciclotrones, aceleran las 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 original que se desintegra para producir un hijo radiactivo. El padre normalmente se produce en un reactor nuclear. Un ejemplo típico es el generador de tecnecio-99m utilizado en medicina nuclear . El padre producido en el reactor es molibdeno-99 .
Usos
Los radionucleidos se utilizan de dos maneras principales: ya sea por su radiación sola ( 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 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 podrían cultivar plantas en un entorno en el que el dióxido de carbono contuviera carbono radiactivo; entonces las partes de la planta que incorporan 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 golpea la muestra y excita los rayos X característicos de la muestra. Esta radiación se registra y la composición química de la muestra se puede determinar a partir del análisis del espectro medido. Midiendo la energía de las líneas de radiación características, es posible determinar el número de protones del elemento químico que emite la radiación, y midiendo 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 de diagnóstico sobre la anatomía interna y el funcionamiento de órganos específicos, incluido el cerebro humano . [9] [10] [11] 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. Fuentes gamma más potentes esterilizan jeringas y otros equipos médicos.
En la conservación de alimentos , la radiación se utiliza para detener el brote de raíces después de la cosecha, matar parásitos y plagas y controlar la maduración de frutas y verduras almacenadas. La irradiación de alimentos suele utilizar nucleidos en descomposición 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 metales y para análisis en funcionamiento de una amplia gama de minerales y combustibles.
En ecología , los radionucleidos se utilizan para rastrear y analizar contaminantes, estudiar el movimiento del agua superficial 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 edades de rocas, minerales y materiales fósiles.
Ejemplos
La siguiente tabla enumera las propiedades de radionucleidos seleccionados que ilustran la gama de propiedades y usos.
Contenedor de americio-241 en un detector de humo.Cápsula de americio-241 encontrada en el detector de humo. El círculo de metal más oscuro en el centro es americio-241; la carcasa circundante es de aluminio.
Los radionucleidos están presentes en muchos hogares, ya que se utilizan dentro de los detectores de humo domésticos más comunes . El radionúclido 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 . Se utiliza 241 Am 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. [13] [14]
Impactos en los organismos
Los radionucleidos que llegan al medio ambiente pueden causar efectos nocivos como contaminación radiactiva . También pueden causar daños si se usan excesivamente durante el tratamiento o de otras formas se exponen a los seres vivos, por envenenamiento por radiación . Los posibles daños a la salud derivados de la exposición a radionúclidos dependen de varios factores y "pueden dañar las funciones de tejidos/órganos sanos". La exposición a la radiación puede producir efectos que van desde enrojecimiento de la piel y caída del cabello hasta quemaduras por radiación y síndrome de radiación aguda . La exposición prolongada puede "Esto 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". [15]
Cuadro resumen de clases de nucleidos, estables y radiactivos
A continuación se muestra un cuadro resumen de la lista de 989 nucleidos con vidas medias superiores a una hora. Nunca se ha observado que un total de 251 nucleidos se desintegren y clásicamente se consideran estables. De estos, se cree que 90 son absolutamente estables excepto ante la desintegración de protones (que nunca se ha observado), mientras que el resto son " observativamente estables " y teóricamente pueden sufrir desintegración radiactiva con vidas medias extremadamente largas.
Los radionucleidos tabulados restantes tienen vidas medias superiores a 1 hora y están bien caracterizados (consulte la lista de nucleidos para obtener una tabulación completa). Incluyen 30 nucleidos con vidas medias medidas más largas que la edad estimada del universo (13,8 mil millones de años [16] ), 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 4.600 millones de años. Otros más de 60 nucleidos de vida corta se pueden detectar de forma natural como descendientes de nucleidos de vida más larga o productos de rayos cósmicos. Los nucleidos restantes conocidos 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 [17] para los 989 nucleidos con vidas medias superiores a una hora (incluidos los que son estables), que figuran en la lista de nucleidos .
Lista de radionucleidos disponibles comercialmente
Esta lista cubre 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 regulaciones gubernamentales.
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^ Los datos de la tabla se obtienen contando los miembros de la lista; consulte WP:CALC . Las referencias a los datos de la lista en sí se proporcionan a continuación en la sección de referencias de la lista de nucleidos.
Referencias
Carlsson, J.; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Stigbrand, T; Tennvall, J; et al. (2003). "Terapia tumoral con radionúclidos: valoración de avances y problemas". Radioterapia y Oncología . 66 (2): 107–117. doi :10.1016/S0167-8140(02)00374-2. PMID 12648782.
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Otras lecturas
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 tiene medios relacionados con los radionucleidos .
EPA – Radionúclidos – 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
