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Universidad mayor de san Andrés Facultad de ingeniería

Química inorgánica

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES UMSA FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA QUIMICA

“LA QUIMICA DE LAS CIENCIAS NUCLEARES”

MATERIA

QUIMICA INORGANICA (QUIMICA 104)

DOCENTE

ING. WILLIAM CHOQUE

TEMA

QUIMICA NUCLEAR Y RADIOQUIMICA

INTEGRANTES López Cardoso Helen Misme Ramírez Isamary Zapata Alanoca Monserrat Zabaleta Mamani Pamela SEMESTRE

1/2012

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INDICE

Química inorgánica

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RESUMEN pamela El gran número de aplicaciones que posee el área de las ciencias nucleares, en disciplinas tan diversas como la química, biología, geología, medicina, arqueología, criminología, etc., hacen de esta ciencia, una valiosa herramienta que dadas sus características particulares, no ha sido suficientemente difundida en nuestro país. Así pues, con el objeto de dar un mayor impulso a esta disciplina, este año, por vez primera, ha sido editado el tema de Química Nuclear, gracias a la valiosa colaboración de reconocido Ing. William choque, con una amplia trayectoria nacional e internacional, que gentilmente accedió a participar en la exposición "La Química de las Ciencias Nucleares". Se expone una visión general de los usos de la radioquímica, química nuclear, química de radiaciones etc., en la solución de problemas concretos, en dominios como la arqueología, la farmacia, la medicina, la industria y las ciencias básicas. 1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVOS GENERALES Estudiar los conceptos, propiedades, y características de la química nuclear y radioquímica y dar a conocer su importancia de beneficio, perjuicio para la humanidad. 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS -Identificar los elementos isotópicos (isótopos) que el ser humano emplea en diferentes campos, tales como en la medicina, industria, agricultura, armamento, reactores nucleares y otros. - Comprender las aplicaciones de la radiactividad, así como los riesgos y alcances en el presente, mediano y largo plazo. -Sintetizar la problemática del tema de la radiactividad, usos y precauciones, tomando en cuenta la sostenibilidad humana.

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2. MARCO TEORICO monserrat

2.1 Química Nuclear Las reacciones químicas tradicionales ocurren como resultado de la interacción entre la valencia de electrones alrededor del núcleo del átomo. En 1896, Henri Becquerel, expandió el campo de la química para incluir los cambios nucleares cuando descubrió que el uranio emitía radiación. Poco después del descubrimiento de Becquerel, Marie Curie empezó a estudiar la radioactividad y completó en gran medida el primer trabajo sobre cambios nucleares. Curie descubrió que la radiación era proporcional a la cantidad de elementos radioactivos presentes, y propuso que la radiación era una propiedad de los átomos (al contrario a una propiedad química de un compuesto). Marie Curie fue la primera mujer en ganar el Premio Nobel y la primera persona en ganar dos (el primero, compartido con su esposo Pierre y con Becquerel por descubrir la radioactividad; y el segundo por descubrir los elementos radioactivos radio y polonio). 2.2 Las Reacciones Nucleares Artificiales Mientras que muchos elementos experimentan disminución radioactiva naturalmente, las reacciones nucleares pueden también ser estimuladas artificialmente. Hay dos tipos de reacciones nucleares artificiales:

2.2.1 La Fisión Nuclear: son reacciones en las cuales un núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, soltando una gran cantidad de energía en el proceso. Comúnmente esto ocurre al 'lanzar' un neutrón en el núcleo de un átomo. La energía del neutrón en forma de 'bala' provoca la división del blanco en dos (o más) elementos que son menos pesados que el átomo original. 2.2.2 La Fusión Nuclear: son reacciones en las cuales dos o más elementos se 'fusionan' para formar un elemento más grande, soltando energía en este

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proceso. Un buen ejemplo es la fusión de dos isótopos de hidrógeno 'pesado' (deuterio: H2 y tritio: H3) en el elemento helio. Las reacciones de fusión liberan enormes cantidades de energía y son comúnmente referidas como reacciones termonucleares. A pesar que mucha gente piensa que el sol es una gran bola de fuego, el sol (y todas las estrellas) son en realidad enormes reactores de fusión. Las estrellas son esencialmente gigantes bolas de gas de hidrógeno bajo tremenda presión debido a las fuerzas gravitacionales. Las moléculas de hidrógeno son fusionadas en helio y elementos más pesados dentro de las estrellas, soltando energía que recibimos como luz y calor.

2.3 CARACTERISTICAS -La energía nuclear es la energía obtenida de la modificación de la estructura del núcleo atómico de un elemento, que muta y pasa a hacer otro elemento (reacción nuclear)

- La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear Fusión Nuclear En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso , se transforma directamente en energía LA BOMBA ATOMICA - La bomba atómica es un dispositivo que obtiene una enorme energía de las reacciones nucleares. Su funcionamiento se basa en provocar una reacción nuclear en cadena no controlada. -.Los neutrones son los responsables de las reacciones en cadena. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, el núcleo de éste se rompe o se fisiona, liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones, y si éstos son dos o tres, chocarán con otros átomos, produciéndose una reacción en cadena . - Albert Einstein formuló la teoría de la relatividad, descubrió la ecuación E=mc2 significa que una pequeña cantidad de materia (m) puede convertirse en una gran cantidad de energía (E) al multiplicarse por el cuadrado de la

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velocidad de la luz, que es un número enorme. La bomba atómica y la energía nuclear son una consecuencia directa de esta célebre fórmula.

-La bomba de hidrógeno, es un artefacto explosivo nuclear cuya explosión se logra por la fusión o combinación de dos elementos de pesos atómicos muy pequeños para formar otro de peso atómico superior al de ellos. -os elementos ligeros utilizados son el deuterio y el tritio (isótopos de hidrógeno), bien puros y en estado elemental.

- FECHA DEL BOMBARDEO El 9 de Agosto de 1945, tres días después del bombardeo atómico de Hiroshima, la ciudad japonesa de Nagasaki sufría el segundo NAVE del bombardeo fue el B-29 denominado BOCKSCAR. EXPLOSIVO PLUTONIO POTENCIA EXPLOSIVA de 20 kilotones - Unas 73.000 frente a las 150.000 de Hiroshima. la causa era la orografía del terreno, mienta que Hiroshima es totalmente plana, Nagasaki se encuentra en una zona montañosa y las colinas actuaron como trincheras naturales, protegiendo amplias zonas de la ciudad de la onda expansiva de la explosión VÍCTIMAS MORTALES

- FECHA DEL BOMBARDEO 1945 NAVE ENOLA GAY EXPLOSIVO URANIO POR FISIÓN POTENCIA EXPLOSIVA 13 kilotones VICTIMAS 150 000 personas Más de 140.000 personas murieron calcinadas al instate. Los supervivientes sufrieron grandes quemaduras y la mayoría murieron a causa de la radiación tiempo después. -Futuras generaciones serian dañadas permanentemente con malformaciones genéticas 3. RADIOQUIMICA hellen La Radioquímica es una rama de la Química que estudia las reacciones químicas mediante técnicas basadas en la radioactividad. Mediante la utilización de isótopos radioactivos se puede determinar el mecanismo de reacciones químicas, estudiando el decaimiento radioactivo de reactivos, productos o intermedios de reacción.

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Aunque el tema de la radiactividad, se ha escuchado y leído, sobre la base de algunos acontecimientos ocurridos, desgraciadamente estos son relacionados con accidentes, como el de Chernóbil donde hubo un escape de radiación y la sobredosis que sufrieron decenas de pacientes en el año 1996 en Costa Rica, también se habla mucho de la problemática de los desechos radiactivos y desde luego la historia resalta sobre las bombas atómicas utilizadas en la segunda guerra mundial. Pero realmente es poco lo que se conoce del tema. Hace falta conocer los beneficios que causa, los alcances científicos y las precauciones que se debe tener con el manejo de la radiactividad, además es interesante informarse sobre el por qué ocurren, más sabiendo que todos los seres vivos están involucrados, se quiera o no con ella, no importando el lugar en donde se encuentren, ya sea en la casa, en la oficina, en el campo, en la calle, o en el colegio. Al respecto se habla de las radiaciones cósmicas como los rayos ultravioleta, el calor y las electromagnéticas como la luz; otras radiaciones son las de radio, microondas, rayos alfa, beta y gama, para citar algunos. Son muchas las radiaciones que existen, por lo que se han clasificado en ionizantes y no ionizantes. Entre las primeras están los rayos X, rayos alfa, beta y gama, estas radiaciones son capaces de ionizar la materia por donde pasan, esto significa que provocan desprendimiento de electrones de los átomos, y si éstos están formando moléculas en células, afectará el comportamiento del organismo. Esto se debe a la gran cantidad de energía que poseen. A pesar que todas esas radiaciones se tienen a diario, esta unidad estudia las provenientes del proceso de la radiactividad.

Los tipos de radiación y sus niveles de penetración.

Radiación alfa

Consiste en la emisión de partículas alfa (partículas cargadas positivamente compuestas por dos protones y dos neutrones, siendo por tanto equivalentes a un

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núcleo de helio) por un núcleo atómico. Cuando ocurre esta emisión, la masa del átomo en decaimiento disminuye cuatro unidades y su número atómico disminuye en dos. Son desviadas por campos magnéticos y eléctricos. Son muy ionizantes aunque poco penetrantes, la radiación alfa es bloqueada por apenas unos centímetros de aire o finas láminas de algunos sólidos.

Radiación beta

Consiste en la emisión de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) que provienen de la desintegración de los neutrones o protones de un núcleo en un estado excitado. Cuando ocurre esta emisión el número atómico aumenta o disminuye en una unidad y la masa atómica se mantiene constante. Esta radiación es desviada por campos magnéticos. Su poder de ionización no es tan elevado como el de la anterior, sin embargo es más penetrante, puede ser bloqueada por finas láminas de muchos sólidos.

Radiación gamma

Consiste en la emisión de ondas electromagnéticas de longitud de onda corta. Es la radiación más penetrante, se necesitan capas muy gruesas de plomo o bario, u hormigón para detenerla o reducir su intensidad.

3.1 HISTORIA

La historia de la radiactividad, empieza con los alquimistas, quienes practicaban una química que a menudo era más arte que ciencia, más calentamiento de vasijas, que experimentación productiva y muy poca investigación, entre las tantas inquietudes de la época, estaba la transmutación de los metales en oro, asunto que los aferró por mucho tiempo, al deseo de enriquecerse rápidamente.

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Las investigaciones y los experimentos siguieron en el transcurso de la humanidad y se sigue trabajando para conocer mejor el átomo, ahora en lo más íntimo de su existencia, porque se cree que en su núcleo, está la fuente de energía que se necesita para hacerle frente a la demanda, tanto del presente, como para el futuro. La radiactividad está a nuestro alrededor, en las plantas que se comen, en el aire que se respira, en el hogar, en el suelo, haciendo el tema muy interesante.

La radiactividad no es nada nuevo. Existe desde que se formó la Tierra hace 4500 millones de años. No se puede percibir por el olfato, el gusto, el tacto, el oído ni la vista. Sólo en los últimos años se ha aprendido a detectarla, medirla y controlarla. Al contrario de la creencia popular, la radiación no sólo la produce la industria nuclear o las armas nucleares. En efecto, un 87% de la dosis de radiación que recibimos proviene de fuentes naturales. La radiación está en todas partes: en los hogares, en el aire que se respira, en los alimentos que se ingieren; incluso el cuerpo es radiactivo. La propia Tierra es radiactiva por naturaleza y expone a los habitantes a la radiación proveniente de las rocas superficiales y los suelos. El resto de la radiación proviene de las actividades humanas. La fuente más conocida y más amplia es la aplicación médica. Innumerables son los beneficios que reporta el uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos. Probablemente sea menos conocida la función que desempeña la radiación en la industria, la agricultura y la investigación. La inspección de soldaduras, la detección de grietas en metal forjado o fundido, el alumbrado de emergencia, la datación de antigüedades y la preservación de alimentos son algunas de sus numerosas aplicaciones. En promedio, la industria nuclear representa menos del 0,1% de la radiación total que el hombre recibe.

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La radiactividad puede ser peligrosa en determinadas circunstancias y sus riesgos no deben tomarse a la ligera. Puede dañar las células del organismo y la exposición a altos niveles, puede ser nociva e incluso fatal si se trata de manera inadecuada, por eso lleva un largo proceso de investigación y descubrimientos abriéndose las puertas de la era nuclear.

Tabla 1 Muestra algunos isótopos comunes ISÓTOPOS

CARGA ABUNDANCIA

Hidrógeno -1 1+

99,985

Hidrógeno -2 1+

0,015

3.2 Dónde están los isótopos radiactivos El 87% de la radiactividad que hay en el

Hidrógeno -3 1+

planeta es natural. Al respecto, cómo se -4

Helio -3

2+

1.3 x 10

Helio -4

2+

100

Berilio -9

4+

100

cabezas nucleares que se usan como

Carbono -12 6+

98,89

misiles, se encuentran en el agua, en la

Carbono -13 6+

1,11

Carbono -14 6+

1,2 x 10

Nitrógeno -14 7+

99,64

Nitrógeno -15 7+

explica que la vida exista con esa dosis. Los elementos radiactivos no sólo se encuentran allá en los reactores y en las

leche, en el mar, en el aire, en plantas; podría decirse que en todo el planeta. -10

Cuadro 1

Niveles de radiactividad relativa en líquidos 0,36

Agua corriente del grifo Oxígeno -16 8+ 99,76

1

Descargas de una central nuclear Oxígeno -17 8+ 0,04

0.05 a 0.5

Agua del río Oxígeno -18 8+

0.5 a 5

0,20

Cerveza

6.5

Agua del mar

17.5

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Whisky

60

Leche

70

3.3 Carbono -14 El carbono -14 se produce de manera continua en la atmósfera, cuando neutrones de alta energía del espacio, chocan contra el nitrógeno –14.

Al igual que el carbono -14, se produce continuamente por este proceso, se descompone en forma continua al emitir partículas beta con el transcurso de los años, estos dos procesos opuestos, han alcanzado casi equilibrio, por lo que la cantidad de 146C presente en la atmósfera, permanece aproximadamente constante. Símbolos en notación isotópica, de varias partículas (e isótopos pequeños) relacionados con la química nuclear. Se ha descubierto más de una docena de radioisótopos naturales de vida larga y la lista continúa creciendo a medida que los métodos para detectarlos se hacen más sensibles. Sin embargo, son sólo tres de ellos: uranio 238, torio 232 y potasio 40, los que generan la mayor parte de la radiación natural presente en el medio ambiente. La localización de estos isótopos en la Tierra depende no de sus propiedades nucleares, sino de sus propiedades químicas. Los tres son metales fácilmente oxidables. Sus óxidos poseen una densidad relativamente baja y se presentan, por tanto, en la corteza terrestre en vez del manto y en el núcleo metálico. Quizá la mitad de la radiactividad de la Tierra procede de una región superficial, cuyo espesor es de unos 60 kilómetros. Esta distribución aumenta significativamente la radiación, a la que todos los seres vivientes están expuestos y hace que el hombre pueda disponer del uranio y del torio 3.4 La radiactividad natural y artificial

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Con lo tratado hasta el momento en esta unidad, se siente la radiactividad dentro de la persona y en su alrededor. Cuál es la diferencia entre los elementos que son radiactivos en forma natural y los que son artificiales Los elementos radiactivos sufren una trasmutación, decaimiento o transformación como se les llama, por desintegración nuclear, para formar otros elementos como ya se ha mencionado. Hay que recordar que las propiedades químicas de un elemento están relacionadas con su estructura electrónica, pero la radiactividad es una propiedad del núcleo.

3.5 Isótopos del hidrógeno Se conocen hasta ahora tres isótopos: el núcleo normal consta de un sólo protón, un isótopo del hidrógeno denominado deuterio, que tiene un núcleo compuesto por un protón más un neutrón, otro isótopo denominado tritio, que tiene un núcleo compuesto de un protón más dos neutrones. Otro producto de los rayos cósmicos de gran interés es el hidrógeno -3, (tritio) 31H, que se origina principalmente por transmutación del nitrógeno atmosférico, este hidrógeno pasa a formar parte de moléculas de agua, tanto del mar, como de la lluvia.

. 3.6. La radiactividad artificial. Transmutación o transformación de los elementos. Se mencionó anteriormente la palabra transmutación al respecto si se recuerda, es la conversión de un elemento químico en otro, por medios naturales o artificiales. La transmutación se efectúa espontáneamente en las desintegraciones radiactivas naturales. Por siglos, transmutar los metales en oro fue una de las inquietudes. Pero no se logró sino hasta 1919, cuando Ernest Rutherford bombardeó los núcleos de

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átomos de nitrógeno con partículas alfa y produjo núclidos de oxígeno y protones. La ecuación nuclear de esta transmutación es la siguiente: Se cree que la partícula alfa entra al núcleo del nitrógeno, formando

18

F como

9

intermedio, el cual se descompone en los productos. ¿Qué ventajas y desventajas trae para la humanidad, el hecho de poder transmutar elementos en forma artificial? Antiguamente se dijo que, se buscaba transformar los metales en oro, lógicamente esto tiene su explicación, pero en el presente ¿qué pasaría si se lograra la forma práctica y rentable de hacer esa transmutación que buscaban los alquimistas? ¿Qué hay en el núcleo del átomo, que los científicos tienen tanto interés? Los protones y neutrones en los núcleos atómicos están enlazados entre sí con fuerzas muchos mayores, que las que enlazan a los átomos para formar moléculas. De hecho, las energías asociadas con procesos nucleares son más de un millón de veces mayores que las asociadas con reacciones químicas. Esto hace que el núcleo sea potencialmente una fuente de energía muy atractiva. Hay dos procesos nucleares que producen energía, al respecto, se solicita que anoten. A saber un proceso consiste en unir núcleos livianos, liberando gran cantidad de energía fusión nuclear y el otro proceso consiste en el rompimiento de núcleos pesados, liberando también gran cantidad de energía fisión nuclear. 4. Usos de la radiactividad por la humanidad( isamary)

4.1 En Medicina La Radioterapia utiliza las radiaciones ionizantes con fines terapéuticos. Se basa en administrar dosis altas de radiación a los tumores cancerosos, destruyéndolos o dañándolos de tal manera que no puedan crecer, propagarse o multiplicarse. El Radiodiagnóstico tiene como fin el diagnóstico de las enfermedades, utilizando imágenes y datos obtenidos por medio de radiaciones ionizantes o no ionizantes.

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4.1.1 Radioterapia y quimioterapia Durante muchos años se ha empleado el radio en tratamientos del cáncer. Hoy se usan exclusivamente el Co 60 y el Cs 137 en la radioterapia. La eficacia de esta terapia depende del hecho, que las células malignas, que crecen o se dividen rápidamente, son más susceptibles a los daños por radiación que las células normales. El cobalto 60 emite tanto partículas beta, como rayos gamma. Se enfoca la radiación hacia la zona donde se localiza el tumor, pero es muy difícil limitar la exposición sólo a las células malignas. Muchos pacientes sufren malestares ocasionados por la radiación después de este tipo de tratamiento. En 1963, en Costa Rica, se hizo una campaña para recoger dinero, para comprar la llamada bomba de cobalto, que aún está al servicio para curar el cáncer. Se puede emplear el yodo 131 para el tratamiento del hipertiroidismo. La dosis terapéutica es mayor que la que emplea en el diagnóstico. La glándula tiroides concentra selectivamente al Y 131. La sección de la glándula que es hiperactiva quedará expuesta a una gran dosis del isótopo y será la que se destruya específicamente. A Bárbara Bush, primera dama en Estados Unidos, se le aplicó este tratamiento en 1989. El mal funcionamiento de la glándula tiroides desarrolla el bocio en las personas y causa muchos trastornos en el metabolismo. 4.1.2 Diagnóstico Se emplean los trazadores radiactivos normalmente en el diagnóstico médico. Al respecto de cómo se debe detectar la radiactividad fuera del cuerpo, generalmente se escogen isótopos radiactivos (radionúclidos) emisores de rayos gama. También, el radionúclido debe ser efectivo a bajas concentraciones y debe tener una semivida corta para reducir la posibilidad de daños al paciente. Se emplea el yodo radiactivo (I 131) para determinar la función tiroidea, que es donde el organismo concentra al yodo. En este proceso, se ingiere una pequeña cantidad de yoduro radiactivo de sodio o de potasio. Se enfoca un detector a la glándula tiroides y se mide la cantidad de yodo en la glándula. Este cuadro se puede comparar con el de una tiroides normal para detectar cualquier diferencia. Los médicos pueden examinar la eficiencia cardiaca en el bombeo y verificar la evidencia de una obstrucción en las arterias coronarias mediante el barrido

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nuclear. El radionúclido Tl 201, al inyectarse en el flujo sanguíneo, se aloja en el tejido sano del corazón. El talio 201 emite radiación gamma, que se detecta mediante un dispositivo especial llamado cámara de centelleo. Los datos obtenidos se traducen simultáneamente en cifras mediante una computadora. Con esta técnica se puede observar si el tejido cardiaco ha muerto, después de un ataque al corazón y si la sangre fluye libremente a través de los conductores coronarios. Una de las últimas aplicaciones de la química nuclear es el uso de la tomografía de emisión de positrones en la medida de procesos dinámicos en el organismo, como el uso de oxígeno o el flujo sanguíneo. Para esta aplicación, se fabrica un compuesto que contiene un núclido emisor de positrones, como C 11, O 15 o N 13. Se inyecta el compuesto en el organismo y se coloca al paciente en un instrumento que detecta las emisiones de positrones. Una computadora produce una imagen tridimensional de la zona. Los barridos de emisión de positrones se han empleado para localizar las zonas del cerebro relacionadas con los ataques epilépticos. El cerebro emplea la glucosa a velocidad distinta del tejido normal.

4.1.3 BENEFICIOS 

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 

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Los exámenes de medicina nuclear ofrecen información que es única (incluyendo detalles sobre función y estructura) y a menudo inalcanzable mediante otros procedimientos de diagnóstico por imágenes. Para muchas enfermedades, las exploraciones de medicina nuclear proporcionan la información más útil necesaria para llevar a cabo un diagnóstico o para determinar un tratamiento adecuado, en caso de necesitarse alguno. La medicina nuclear es menos costosa y puede rendir información más precisa que la cirugía exploratoria. La medicina nuclear ofrece la posibilidad de identificar enfermedades en sus estadios tempranos, en general antes de que aparezcan los síntomas o de que las anormalidades puedan ser detectadas con otros métodos de diagnóstico. Debido a que pueden detectar con cierta precisión si una lesión es benigna o maligna, las exploraciones por PET pueden eliminar la necesidad de una biopsia quirúrgica, o pueden identificar el mejor sitio para una biopsia.

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4.1.4 RIESGOS

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Debido a las pequeñas dosis de radiosonda administradas, los procedimientos de diagnóstico de medicina nuclear tienen como resultado una baja exposición a la radiación, pero aceptable para los exámenes diagnósticos. Por ende, el riesgo de radiación es muy bajo en comparación con los posibles beneficios. Los procedimientos diagnósticos por medicina nuclear se han utilizado por más de cinco décadas, y no se conocen efectos adversos a largo plazo provocados por dicha exposición a baja dosis. En el caso de los procedimientos terapéuticos de medicina nuclear, los riesgos del tratamiento siempre son evaluados contra los posibles beneficios. Se le informará sobre todos los riesgos significativos antes del tratamiento y tendrá la oportunidad de hacer preguntas. Pueden presentarse reacciones alérgicas a los radiofármacos pero con muy poca frecuencia y normalmente son suaves. Sin embargo, usted debe informar al personal de medicina nuclear sobre cualquier alergia que pueda tener u otros problemas que pueden haber ocurrido durante un examen anterior de medicina nuclear. La inyección de la radiosonda podría provocar un leve dolor y enrojecimiento que han de resolverse con rapidez.

Las mujeres siempre deben comunicar a su médico o radio tecnólogo si existe alguna posibilidad de que se encuentren embarazadas o lactando.

4.2 En Bioquímica

Mediante el marcaje isotópico (con carbono-14) de metabolitos se han determinado muchas de las reacciones biológicas Agricultura. Los científicos usan la radiación gamma del Co 60 u otras fuentes en la investigación agrícola para desarrollar granos resistentes a las enfermedades, o altamente productivos. Las semillas se exponen a la radiación gama para inducir mutaciones. Las plantas más saludables y vigorosas que crecen de semillas irradiadas, se seleccionan y se propagan para obtener variedad nueva y

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mejorada para uso comercial. La preservación de alimentos mediante radiación es otra aplicación benéfica. El alimento se expone a radiación gamma o un haz de partículas beta suministradas respectivamente por Co 60 o Cs 137. Se destruyen los microorganismos que pudieran causar deterioro del alimento, pero sólo se eleva ligeramente la temperatura de éste. El alimento no se vuelve radiactivo como resultado de este proceso, pero aumenta notablemente su duración en almacén. 4.2.1 Trazadores isotópicos Los compuestos que contienen un radionúclido se dice que son trazadores o señaladores. Estos compuestos participan en sus reacciones químicas normales, pero se pueden detectar su ubicación debido a su radiactividad señaladora. Cuando se suministran otros compuestos a plantas o a animales, se pueden rastrear o trazar el movimiento del isótopo a través del organismo, mediante el uso de un contador Geiger o algún otro detector. Un uso importante de la técnica de rastreo o trazado fue la determinación del mecanismo mediante el cual CO2 se fija en forma de carbohidrato (C6H12O6), durante la fotosíntesis. La ecuación neta de la fotosíntesis es

Se inyectó 14CO2 radioactivo en una colonia de algas verde. Las algas se colocaron en la oscuridad, se extrajeron muestras a determinados intervalos y se separaron los compuestos radiactivos mediante cromatografía en papel para analizarlos. A partir de estos resultados se dilucidaron varias reacciones fotosintéticas independientes de la luz. Se tienen algunos otros ejemplos en los que se emplearon técnicas de trazadores, como son (1) para determinar la velocidad de ingestión de fósforo por las plantas, con radiofósforo. (2) El flujo de nutrimento en el tracto digestivo con compuestos de bario radioactivo. (3) La acumulación de yodo en la glándula tiroides, con el empleo de yodo radioactivo y (4) la absorción de hierro por la hemoglobina de la sangre, con hierro radioactivo. En química, los usos son ilimitados. El estudio de mecanismos de reacción, la medición de las velocidades de reacciones químicas y la determinación de constantes físicas son sólo algunas de las áreas de aplicación.

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4.2.2 Control de plagas Se ha usado radiactividad para controlar y en algunas zonas, eliminar al gusano barrenador. Las larvas de este insecto se introducen en las heridas del ganado. La mosca hembra, como una abeja reina, sólo se aparea una vez. Cuando se sueltan gran número de moscas macho esterilizadas con rayos gama en el momento oportuno y en la zona infestada con el gusano barrenador, la mayor parte de las hembras se aparean con machos estériles. Como consecuencia, las moscas no pueden reproducirse lo suficiente para mantener su número. Esta técnica se ha usado para erradicar en algunas zonas la mosca mediterránea de las frutas. Para un buen cultivo se necesita un suelo con suficientes nutrientes y humedad. Las técnicas nucleares son ideales para medir la eficacia del aprovechamiento de los fertilizantes por los cultivos y para vigilar el contenido de humedad. En la agricultura moderna, el empleo de fertilizantes es esencial para aumentar al máximo los rendimientos de los cultivos; por ejemplo, es corriente alcanzar en muchos suelos un aumento del rendimiento de los cereales, de un 50 % gracias a una fertilización eficiente. Para brindar alimentos a la población mundial que crece sin cesar, se estima que el consumo de fertilizantes dentro de 20 años ha de ser cuatro o cinco veces superior al actual. Para reducir a un mínimo absoluto la necesidad de fertilizantes y de este modo rebajar los costos de producción de los agricultores y aminorar el daño al medio ambiente, se necesitan estudios que permitan conocer las virtudes relativas de los diferentes procedimientos de fertilización en los que respecta, por ejemplo, a los métodos para aplicar el fertilizante, la oportunidad de su aplicación y los tipos de fertilizantes que han de usarse. El método utilizado para resolver estos problemas exige introducir en el suelo cantidades conocidas de fertilizantes marcados con isótopos, en diversos tiempos y diferentes lugares. Como la planta no distingue entre los elementos provenientes del fertilizante marcado y los del suelo natural, es posible medir la cantidad exacta de nutrientes de fertilizante captados por la planta. Los resultados de esta investigación se han incorporado a las prácticas agrícolas relativas a los cereales y han permitido aumentar de manera importante la productividad de los cultivos, reducir la aplicación de fertilizantes por ende los costos y han sido favorables para el medio ambiente al reducir

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considerablemente los fertilizantes residuales en los suelos. Las recomendaciones basadas en los resultados de los experimentos realizados en este campo se han aplicado en los programas de fertilizantes organizados por la FAO en muchos países y han permitido ahorros importantes; un país que utiliza estas técnicas afirma haber ahorrado, contando únicamente los cultivos de maíz, nada menos que 36 millones de dólares de los Estados Unidos al año. Se han adaptado métodos naturales similares para evaluar los depósitos de fosfato de roca, que resulta barato como alternativa frente a los fertilizantes fosfatados caros y a menudo importados y para descubrir el modo más eficiente de utilización de esos depósitos de fertilizantes con miras a un máximo crecimiento de las plantas. Aunque el nitrógeno constituye un 80 % de los gases de la atmósfera, son pocas las plantas que pueden aprovecharlo directamente. Sin embargo, gracias a un proceso denominado fijación biológica del nitrógeno, las plantas son capaces de aprovechar el nitrógeno del aire. El proceso más importante es resultado de la simbiosis entre una planta y una bacteria y ha despertado gran interés en los últimos años. Las legumbres que fijan el nitrógeno pueden suministrar abundantes proteínas para el consumo humano y animal y también aumentar el nitrógeno del suelo. La planta acuática Azolla, por ejemplo, puede obtener de un 80 a un 90 % de su nitrógeno mediante fijación y es muy valiosa para suministrar nitrógeno a los cultivos de arroz con cáscara. Con el fin de obtener los máximos frutos de este proceso biológico único, se utilizan isótopos para descubrir la cantidad de nitrógeno que la planta puede fijar y las formas de aumentar esta fijación. Las técnicas isotópicas constituyen un medio ideal para distinguir el nitrógeno derivado de la atmósfera, el del suelo y del fertilizante aplicado. Uno de los grandes retos en el mundo, es contar con suficientes alimentos sanos para toda la población. Se realizan grandes esfuerzos para fertilizar la tierra, desarrollar mutantes de cultivos básicos adecuados, ofrecer una infraestructura adaptada al país y, en general, crear las circunstancias apropiadas para una buena cosecha. Después de eso, hemos de hacer también esfuerzos para asegurarnos que los alimentos cultivados con esmero han de conservarse y

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protegerse contra contaminaciones y plagas, lo que constituye una importante prioridad para el mundo en desarrollo. Durante miles de años se ha convivido con este problema, de manera que los métodos de conservación han evolucionado a partir del desecado al sol, a la saladura, el ahumado, el envasado, la congelación, el calentamiento y la adición de productos químicos. El último método que se agrega a la lista es la irradiación, vale decir, la exposición de los alimentos a radiaciones ionizantes administradas en cantidades cuidadosamente controladas. A pesar de constituir un proceso comercial relativamente nuevo, la irradiación de alimentos se ha estudiado con más detalle que ninguna otra tecnología de los alimentos. Más de 40 años de investigaciones ha demostrado de forma definitiva que el consumo de alimentos irradiados no tiene consecuencias negativas. En realidad, en lo que respecta a muchos alimentos se ha demostrado que el mejor método de conservación es la irradiación. Las autoridades internacionales competentes han aprobado todas las normas y reglamentaciones necesarias para la irradiación de determinados alimentos, pero existiendo cierta resistencia del público frente a esos alimentos. Se trata seguramente de una situación transitoria, y es innegable que en el futuro, la irradiación de alimentos se convertirá en un factor beneficioso para la humanidad y la conservación de alimentos por irradiación, adquirirá máxima importancia para los productos alimenticios de los países en desarrollo. ¿Qué ventaja tiene la utilización de la irradiación? Puede matar organismos virales y microorganismos patógenos específicos que no generen esporas, como la salmonela, o puede interferir en procesos fisiológicos, siendo posible utilizarla, por ejemplo, para inhibir los brotes de las papas o prolongar el período de conservación de la fruta fresca. En síntesis, la irradiación de alimentos constituye una opción y en algunos casos el único método para lo siguiente:    

eliminar muchos riesgos para la salud provenientes de los alimentos mejorar la calidad de los productos frescos lograr que la producción y la distribución de alimentos sean más económicos reducir las pérdidas durante el almacenamiento o transporte y

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

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desinfectar productos almacenados, como granos, alubias o frijoles, frutas desecadas y pescado desecado.

Desde el punto de vista económico, una de las aplicaciones más importantes se traduce en la prolongación del período de conservación, lo que tiene sumo valor para los países de clima cálido como muchos de los países en desarrollo. Lo mismo es cierto para la reducción de las pérdidas durante el almacenamiento, que son muy importantes en algunas zonas. Aunque resulte difícil de creer, algunos países registran pérdidas posteriores a la cosecha de un 40 a un 50%, debidas a la infestación de los alimentos básicos, como granos y el ñame o batata. Por eso, cuando no se les irradia, en su mayoría, los alimentos básicos almacenados se fumigan con productos químicos. En una conferencia internacional celebrada en Ginebra en diciembre de 1988 sobre “Aceptación, control y comercio de alimentos irradiados” se aprobó un documento que describe las ventajas de la irradiación de alimentos y recomienda armonizar los procedimientos nacionales, para facilitar el comercio internacional de esos productos. En consecuencia, parecería que finalmente se han removido todos los obstáculos prácticos que podían entorpecer el rápido desarrollo de esta aplicación de las radiaciones que ha de resultar sumamente provechosa para la humanidad en un futuro muy cercano. reacciones de las rutas metabólicas.

4.3 En Arqueología y Geología

Debido a la existencia de isótopos radioactivos naturales en objetos de hallazgos arqueológicos, mediante mediciones de radioactividad, estos se pueden datar (método del carbono-14).

En Geología se puede averiguar la edad de las rocas a través del estudio de algunos radioisótopos (potasio-40 0 uranio-235, por ejemplo).

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4.4 En Química ambiental

Es de gran importancia el estudio de los radioisótopos presentes en el medio ambiente (contaminación radioactiva), tanto de los naturales como de los producidos artificialmente, ya que los niveles elevados de estos afectan tanto a la salud humana como al medio ambiente.

Desarrollar variedades de cultivos agrícolas y hortalizas de alto rendimiento, bien adaptadas y resistentes a enfermedades; induciendo mutaciones al alterar los genes con el empleo de radiación: a-) para erradicar o controlar las plagas de insectos esterilizando grandes cantidades de hembras, método que se ha aplicado con éxito para erradicar el gusano barrenador (tórsalo) del ganado, b-) mejorar el rendimiento reproductivo, c-) mejorar la nutrición y la salud de los animales empleando isótopos radiactivos en los alimentos y d-) reducir las pérdidas posteriores a la cosecha mediante la eliminación de los brotes y la contaminación, todo esto con tratamiento radiactivo, son algunos de los usos que se le están dando actualmente a la radiactividad. Cada uno ocuparía un libro entero o por lo menos un capítulo especial, dada la importancia que tiene. Sin embargo no se va estudiar en detalle, pero sí comprendiendo que la idea popular de que la radiactividad está allá lejos de cada ser humano y que está en manos de muy pocos países, no es cierta. Las aplicaciones de la química nuclear son importantes en la medicina, la industria, las artes y la investigación. Su impacto amenaza y ensancha al mismo tiempo la vida del hombre y su futuro. Actualmente se desarrollan las nuevas aplicaciones y nuevos radiofármacos, con el fin de ampliar la gama de procedimientos, reducir las enfermedades contagiadas por los alimentos y prolongar el período de conservación mediante

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la utilización de radiaciones y estudiar los medios para reducir la contaminación originada por los plaguicidas y productos agroquímicos.

4.5 Energía Nuclear Casi toda la electricidad para uso comercial es producida por máquinas que consisten en una turbina que mueve un generador eléctrico mediante un eje. La energía necesaria para hacer girar a la turbina puede suministrarla una caída de agua, como en las plantas hidráulicas, o el vapor de agua generado en una caldera mediante el calor de un combustible, como en las plantas térmicas. Estas centrales generadoras queman combustibles fósiles, como son el carbón, el petróleo o el gas natural. La demanda mundial de energía, principalmente a partir de combustibles fósiles, ha continuado creciendo a una velocidad acelerada durante unos 250 años. Aún a las tasas actuales de consumo, la reserva mundial estimada de combustibles fósiles, es suficiente sólo para unos pocos siglos. Aunque Estados Unidos posee grandes depósitos de carbón y de esquistos petrolíferos, importa hoy aproximadamente 40 % de sus necesidades de petróleo. Es obvio que necesitan desarrollarse fuentes alternas de energía. Hoy el uranio constituye la alternativa más productiva y aproximadamente 12 % de la energía eléctrica que se consume en Estados Unidos es generada en plantas térmicas que operan con una reacción nuclear a base de uranio, como “combustible”. Una central nuclear es una planta térmica en la que el calor lo produce el reactor de fisión en vez de una cámara de combustión. Los principales componentes de un reactor nuclear son (1) una disposición de material reactivo fisionable, que constituye el núcleo del reactor, (2) un sistema de control, que regula la velocidad de fisión y por lo mismo la tasa de generación de calor y (3) un sistema de enfriamiento, que elimina el calor del reactor y también mantiene el núcleo a la temperatura adecuada. Un cierto tipo de reactor emplea pastillas metálicas que contienen uranio enriquecido con U 235, desde un nivel normal de 0.7 %, hasta aproximadamente 3 %. Se modera, o controla, la reacción autosostenida de fisión, mediante las barras o varillas de control de posición regulable. Estos elementos contienen sustancias que refrenan y capturan algo de los neutrones que se producen. Para enfriar se usan agua ordinaria, agua pesada, sodio

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fundido y otros. La energía obtenida de la reacción nuclear es en forma de calor, y se usa en la producción de vapor para impulsar las turbinas que impulsan a los generadores de electricidad. Dos eventos que demostraron los peligros potenciales de la energía nuclear fueron los accidentes en la isla Three Mile, en Pennsylvania, EUA (1979) y Chernobyl, URSS (1986). Ambos accidentes fueron originados por la pérdida de refrigerante en el núcleo del reactor. Los reactores en la isla Three Mile están envueltos por cascarones de concreto y por lo tanto dejaron escapar una cantidad relativamente pequeña de material radiactivo a la atmósfera. Como en la Unión Soviética no se usan estructuras de contención para las plantas nucleares, el accidente de Chernobyl ocasionó 31 muertes y la renunciación de 135000 pobladores. La descarga de grandes cantidades de Y 131, Cs 134 y Cs 137, podrían originar problemas de salud a largo plazo en esa población, que ya estuvo expuesta. Otra desventaja principal de las plantas nucleares es que producen desechos altamente radiactivos, algunos de los cuales tienen semividas de miles de años. Hasta ahora, no se ha logrado un acuerdo acerca de cómo disponer con seguridad de tales productos radiactivos. En Estados Unidos los reactores diseñados para la producción comercial de electricidad usan óxido de uranio, U3O8 , enriquecido con el isótopo fisionable U235, relativamente escaso. Como es limitado el suministro de U 235, se ha desarrollado un tipo nuevo de reactor, llamado reactor de cría. Estos reactores están diseñados para producir más material fisionable a la vez que se lleva a cabo la reacción. En un reactor de cría, los neutrones convierten a isótopos no fisionables, como el U 238 o el Th 232, en isótopos fisionables Pu 239 o U 233. Estas transmutaciones hacen posible aumentar en gran medida el suministro de reactivo fisionable, para los reactores nucleares. 5. Precauciones en el manejo de material radiactivo pamela

La vasta experiencia que ha adquirido la industria nuclear en el uso de sustancias radioactivas, ha permitido a ésta conocer plenamente los peligros que

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entraña. Un blindaje y una contención apropiados evitarán la fuga de radiaciones. La clara comprensión de los principios de protección radiológica y el conocimiento exhaustivo de las propiedades de la radiación que posee la industria nuclear le permiten diseñar, construir y explotar sus plantas manteniendo en un mínimo la exposición a las radiaciones que afecta a los trabajadores y el público, de conformidad con las directrices internacionales. La vigilancia periódica de los trabajadores de la industria nuclear y de su ambiente de trabajo garantiza, que no se rebasen estos niveles.

Cuando se habla de una central nuclear, se cree que puede explotar como una bomba atómica, pero esto no es así. Las bombas atómicas y las centrales nucleares son esencialmente diferentes. Las bombas para explotar requieren la unión rápida de dos piezas de uranio-235 metálico casi puro, formando una masa compacta de geometría definida. Un reactor nuclear típico, que produzca vapor para una central eléctrica, utiliza uranio cerámico (normalmente en forma de óxido), no metal, con un contenido de uranio-235 sólo del orden del 3 %; el resto del uranio se compone de uranio –238 que no se fisiona en el reactor. La característica de una central nuclear es que produce radiaciones. Como consecuencia de la fisión nuclear se producen núcleos radiactivos inestables, que se transforman en estables emitiendo radiaciones; una vez que son estables, ya no emiten radiaciones. La seguridad nuclear estriba en evitar que se produzcan escapes incontrolados de sustancias radiactivas, lo cual es necesario para proteger a los operadores de la central y para proteger al público en general. Por esta razón las pastillas de uranio, son protegidas por barreras de seguridad. 1- El combustible de uranio está protegido por unas vainas. 2- Las vainas con el combustible está encerrado en una vasija. 3- La vasija está encerrada en un recinto de blindaje biológico, un envolvente de acero. Estas medidas de precaución hace que las personas puedan trabajar en el entorno sin radiación. También se colocan unas barras de control que son de un material especial que tiene la propiedad de atraer y capturar neutrones con mucha facilidad. El Boro por ejemplo, es uno de esos materiales.

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Para asegurarse que el público no sufra ningún daño, el explotador de la central está obligado a medir la radiactividad en el ambiente y comprobar mediante medidas en el aire, agua y suelos y alimentos, que las personas que viven alrededor de la central, pueden respirar, beber y comer los alimentos de la zona sin peligro. Las medidas de seguridad y de precaución, como toda actividad humana, ha ido evolucionando con el tiempo, tanto es así que actualmente se exige un área sin poblar alrededor de las centrales nucleares, aunque varía de acuerdo con cada país. A finalizar 1989, existían 426 centrales nucleares conectadas a la red eléctrica en 25 países. Actualmente la cantidad de energía eléctrica representa más del 20% de la demanda. El tema de la energía nuclear es un tema polémico. Son muchas las personas que se pronuncian en contra y otras a favor.

5.1 Desechos radiactivos Luego de muchos años de investigación, desarrollo y aplicaciones industriales, hoy se puede afirmar que existen soluciones tecnológicas bastante seguras para manejar adecuadamente los desechos radiactivos. Estos no solo provienen de los reactores que generan electricidad, sino también de los hospitales, la industria, la agricultura y la investigación, como ya se estudió en los apartados anteriores donde se conocieron las aplicaciones de la radiactividad en esos campos. ¿Interesa conocer cómo se tratan los desechos radiactivos en una central nuclear? También se cuentan, con desechos radiactivos sólidos líquidos y gaseosos. Entre los sólidos se cuentan toallas, papel, vidrio metales y otros materiales usados en la central. Cada uno tiene su manera de ser tratados para evitar problemas. Los sólidos altamente radiactivos se sellan en recipientes de metal o cerámica resistentes a la corrosión, para evitar que la humedad los afecte. Actualmente

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algunos países que se dedican a la reelaboración del combustible gastado lo vitrifican. Hay acuerdos que la manera idónea para aislar esos desechos es colocarlos en cavidades profundas de la tierra, con barreras tecnológicas y naturales como por ejemplo minas de sal, granito, arcilla, basalto (roca volcánica) y otras más. Los desechos sólidos vitrificados se sellan en recipientes de metal o cerámica resistentes a la corrosión para evitar que la humedad los afecte.

6. CONCLUSIONES