Radionucleido
Un radionúclido (núclido radiactivo, radioisótopo o isótopo radiactivo) es un núclido que tiene exceso de energía nuclear, haciéndolo inestable. Este exceso de energía se puede utilizar en una de tres formas: emitida 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 una desintegración radiactiva. Estas emisiones se consideran radiación ionizante porque tienen la energía suficiente 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 mayor descomposición. La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales: es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. Sin embargo, para una colección de átomos de un solo nucleido, la tasa de descomposición y, por lo tanto, la vida media (t1/2) para esa colección, se puede calcular a partir de su constantes de decaimiento 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 alrededor de 730 radionucleidos con vidas medias superiores a 60 minutos (consulte la lista de nucleidos). Treinta y dos de ellos son radionúclidos 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 radiación cósmica. Más de 2400 radionúclidos tienen vidas medias inferiores a 60 minutos. La mayoría de ellos solo se producen artificialmente y tienen una vida media muy corta. A modo de comparación, hay alrededor de 251 nucleidos estables. (En teoría, solo 146 de ellos son estables, y se cree que los otros 105 se desintegran mediante desintegración alfa, desintegración beta, desintegración doble beta, captura de electrones o captura de doble electrón).
Todos los elementos químicos pueden existir como radionúclidos. Incluso el elemento más ligero, el hidrógeno, tiene un radionúclido bien conocido, el tritio. Los elementos más pesados que el plomo y los elementos tecnecio y prometio existen solo como radionúclidos. (En teoría, los elementos más pesados que el disprosio existen solo como radionúclidos, pero algunos de esos elementos, como el oro y el platino, son observablemente estables y no se ha determinado su vida media).
La exposición no planificada a los radionúclidos generalmente tiene un efecto nocivo en los organismos vivos, incluidos los humanos, aunque los niveles bajos de exposición ocurren naturalmente sin 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; con mayor riesgo de cáncer la consecuencia más habitual. Sin embargo, los radionúclidos con propiedades adecuadas se utilizan en medicina nuclear tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. Un trazador de imágenes fabricado con radionúclidos se denomina trazador radiactivo. Un fármaco elaborado con radionúclidos se denomina radiofármaco.
Origen
Naturales
En la Tierra, los radionucleidos naturales se dividen en tres categorías: radionucleidos primordiales, radionucleidos secundarios y radionucleidos cosmogénicos.
- Los radionúclidos se producen en nucleosíntesis estelares y explosiones de supernova junto con nuclidos estables. La mayoría de la desintegración rápidamente pero todavía se puede observar astronómicamente y puede desempeñar una parte en la comprensión de los procesos astronómicos. En la actualidad existen radionúclidos primordiales, como el uranio y el torio, porque sus vidas medias son tan largas (con 100 millones de años) que aún no han decaído completamente. Algunos radionúclidos tienen media vida tanto tiempo (muchas veces la edad del universo) que la decadencia sólo se ha detectado recientemente, y para fines más prácticos pueden considerarse estables, sobre todo el bismut-209: la detección de esta decadencia significaba que el bismut ya no se consideraba estable. Es posible decaimiento se puede observar en otros nuclidos, añadiendo a esta lista de radionúclidos primordiales.
- Los radionúclidos secundarios son isótopos radiógenes derivados de la decadencia de los radionúclidos primordiales. Tienen media vida más corta que los radionúclidos primordiales. Se presentan en la cadena de decaimiento de los isótopos primordiales torio-232, uranio-238, y uranio-235. Ejemplos incluyen los isótopos naturales de polonio y radio.
- Los isótopos cosmogénicos, como el carbono-14, están presentes porque se están formando continuamente en la atmósfera debido a los rayos cósmicos.
Muchos de estos radionucleidos existen solo en cantidades mínimas en la naturaleza, incluidos todos los nucleidos cosmogénicos. Los radionucleidos secundarios se producirán 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 aproximadamente 0,1 mg por tonelada métrica (1 parte en 1010). Otros radionucleidos pueden ocurrir en la naturaleza en cantidades virtualmente indetectables como resultado de eventos raros como fisión espontánea o interacciones de rayos cósmicos poco comunes.
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 radionúclidos a partir de la irradiación del combustible nuclear (creando una gama de actínidos) y de las estructuras circundantes, produciendo productos de activación. Esta mezcla compleja de radionúclidos con diferentes químicas y radiactividad hace que el manejo de desechos nucleares y el manejo de la lluvia radiactiva sean particularmente problemáticos.
Sintético
Los radionucleidos sintéticos se sintetizan deliberadamente mediante reactores nucleares, aceleradores de partículas o generadores de radionucleidos:
- Además de ser extraído de desechos nucleares, los radioisotópicos pueden producirse deliberadamente con reactores nucleares, explotando el alto flujo de neutrones presentes. Estos neutrones activan elementos colocados dentro del reactor. Un producto típico de un reactor nuclear es iridium-192. Se dice que los elementos que tienen una gran propensión para tomar los neutrones en el reactor tienen una sección transversal alta de neutrones.
- Aceleradores de partículas como ciclotrones aceleran las partículas para bombardear un objetivo para producir radionúclidos. Cyclotrons acelera protones en un objetivo para producir radionúclidos emisores de positron, por ejemplo fluorina-18.
- Los generadores de radionúclidos contienen un radionúclido padre que decae para producir una hija radiactiva. El padre suele producirse en un reactor nuclear. Un ejemplo típico es el generador de tecnetio-99m utilizado en la medicina nuclear. El padre producido en el reactor es molibdeno-99.
Usos
Los radionucleidos se utilizan de dos formas 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 nuclidos no radiactivos, por lo que la mayoría de los procesos químicos, biológicos y ecológicos los tratan de manera casi idéntica. 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 podría cultivar plantas en un entorno en el que el dióxido de carbono contenía carbono radiactivo; entonces las partes de la planta que incorporan carbono atmosférico serían radiactivas. Los radionúclidos se pueden utilizar para monitorear procesos como la replicación de ADN o el transporte de aminoácidos.
- En la medicina nuclear, se utilizan radioisótopos para el diagnóstico, tratamiento e investigación. Los rastreadores químicos radiactivos que emiten rayos gamma o positrones pueden proporcionar información diagnóstica sobre la anatomía interna y el funcionamiento de órganos específicos, incluyendo el cerebro humano. Esto se utiliza en algunas formas de tomografía: tomografía computarizada de emisión de un solo fotón y tomografía de emisión de positrones (PET) escaneado y luminiscencia de Cherenkov. Los radioisótopos también son un método de tratamiento en formas hemopoyéticas de tumores; el éxito para el tratamiento de tumores sólidos ha sido limitado. Fuentes gamma más poderosas esterilizan jeringas y otros equipos médicos.
- En la preservación de los alimentos, la radiación se utiliza para detener el brote de cultivos de raíces después de la cosecha, para matar parásitos y plagas, y para controlar la maduración de frutas y verduras almacenadas. La irradiación alimentaria generalmente utiliza nuclidos betadecaying con fuertes emisiones de gamma como Cobalt-60 o Caesium-137.
- En la industria, y en la minería, los radionúclidos se utilizan para examinar las soldaduras, detectar fugas, estudiar la tasa de desgaste, erosión y corrosión de los metales, y para el análisis de corriente de una amplia gama de minerales y combustibles.
- En la nave espacial, los radionúclidos se utilizan para proporcionar energía y calor, en particular mediante generadores termoeléctricos de radioisotopo (RTGs) y unidades de calentador de radioisótopos (RHUs).
- En astronomía y cosmología, los radionúclidos desempeñan un papel en la comprensión del proceso estelar y planetario.
- En la física de partículas, los radionúclidos ayudan a descubrir la nueva física (física más allá del Modelo Estándar) midiendo la energía y el impulso de sus productos beta decay (por ejemplo, la desintegración de doble beta sin neutrinos y la búsqueda de partículas masivas de interacción débil).
- En la ecología, los radionúclidos se utilizan para rastrear y analizar contaminantes, para estudiar el movimiento del agua superficial, y para medir las escorrentías de agua de la lluvia y la nieve, así como los caudales de corrientes y ríos.
- En geología, arqueología y paleontología, se utilizan radionúclidos naturales para medir edades de rocas, minerales y materiales fósiles.
Ejemplos
La siguiente tabla enumera las propiedades de radionúclidos seleccionados que ilustran la gama de propiedades y usos.
| Isotope | Z | N | semivida | DM | DE keV | Modo de formación | Comentarios |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tritium (Tritium)3H) | 1 | 2 | 12.3 y | β− | 19 | Cosmogenic | radionúclido más ligero, utilizado en fusión nuclear artificial, también utilizado para la radioluminiscencia y como trazador transiente oceánico. Sintetizados por bombardeo de neutrones de litio-6 o deuterio |
| Beryllium-10 | 4 | 6 | 1,387.000 Sí. | β− | 556 | Cosmogenic | utilizado para examinar la erosión del suelo, la formación del suelo del regio y la edad de los núcleos de hielo |
| Carbon-14 | 6 | 8 | 5.700 y | β− | 156 | Cosmogenic | usado para citas de radiocarbono |
| Fluorina-18 | 9 | 9 | 110 min | β+, CE | 633/1655 | Cosmogenic | fuente de positron, sintetizada para su uso como radiotracer médico en los escáneres PET. |
| Aluminio-26 | 13 | 13 | 717.000 y | β+, CE | 4004 | Cosmogenic | exposición de rocas, sedimentos |
| Cloro-36 | 17 | 19 | 301.000 y | β−, CE | 709 | Cosmogenic | exposición de rocas, trazador de aguas subterráneas |
| Potasio-40 | 19 | 21 | 1.24×109 Sí. | β−, CE | 1330 /1505 | Primordial | utilizado para citas de potasio-argon, fuente de argón atmosférico, fuente de calor radiógeno, mayor fuente de radiactividad natural |
| Calcio-41 | 20 | 21 | 99.400 y | CE | Cosmogenic | exposición de rocas carbonatadas | |
| Cobalto-60 | 27 | 33 | 5.3 y | β− | 2824 | Sintético | produce rayos gamma de alta energía, utilizados para radioterapia, esterilización de equipos, irradiación alimentaria |
| Krypton-81 | 36 | 45 | 229.000 y | β+ | Cosmogenic | aguas subterráneas | |
| Estroncio-90 | 38 | 52 | 28.8 y | β− | 546 | Producto de fisión | producto de fisión mediana; probablemente el componente más peligroso de la caída nuclear |
| Technetium-99 | 43 | 56 | 210.000 y | β− | 294 | Producto de fisión | isótopo más común del elemento más ligero inestable, más importante de productos de fisión de larga vida |
| Technetium-99m | 43 | 56 | 6 hr | γ,IC | 141 | Sintético | radioisótopo médico más comúnmente utilizado, utilizado como trazador radiactivo |
| Iodine-129 | 53 | 76 | 15.700.000 Sí. | β− | 194 | Cosmogenic | producto de fisión viva más largo; trazador de aguas subterráneas |
| Iodine-131 | 53 | 78 | 8 d | β− | 971 | Producto de fisión | más importante riesgo para la salud a corto plazo de la fisión nuclear, utilizado en la medicina nuclear, trazador industrial |
| Xenon-135 | 54 | 81 | 9.1 h | β− | 1160 | Producto de fisión | más fuerte conocido "intoxicación nuclear" (neutron-absorber), con un efecto importante en la operación del reactor nuclear. |
| Caesium-137 | 55 | 82 | 30.2 y | β− | 1176 | Producto de fisión | otros principales productos de fisión de vida media |
| Gadolinium-153 | 64 | 89 | 240 d | CE | Sintético | Calibración del equipo nuclear, detección de la densidad ósea | |
| Bismuth-209 | 83 | 126 | 2.01×1019Sí. | α | 3137 | Primordial | decaimiento detectado en 2003 |
| Polonium-210 | 84 | 126 | 138 d | α | 5307 | Producto de desagüe | Altamente tóxico, usado en envenenamiento de Alexander Litvinenko |
| Radon-222 | 86 | 136 | 3,8 d | α | 5590 | Producto de desagüe | gas, responsable de la mayor parte de la exposición pública a la radiación ionizante, segunda causa más frecuente de cáncer de pulmón |
| Thorium-232 | 90 | 142 | 1.4×1010 Sí. | α | 4083 | Primordial | base del ciclo del combustible del torio |
| Uranio-235 | 92 | 143 | 7×108Sí. | α | 4679 | Primordial | fisionable, principal combustible nuclear |
| Uranio-238 | 92 | 146 | 4.5×109 Sí. | α | 4267 | Primordial | Principales isótopo de uranio |
| Plutonium-238 | 94 | 144 | 87.7 y | α | 5593 | Sintético | utilizados en generadores termoeléctricos de radioisotopo (RTGs) y unidades de calentador de radioisótopos como fuente de energía para naves espaciales |
| Plutonium-239 | 94 | 145 | 24,110 y | α | 5245 | Sintético | utilizados para la mayoría de las armas nucleares modernas |
| Americium-241 | 95 | 146 | 432 y | α | 5486 | Sintético | utilizado en detectores de humo domésticos como agente ionizante |
| Californium-252 | 98 | 154 | 2.64 y | α/SF | 6217 | Sintético | sufre fisión espontánea (3% de las desintegraciones), lo que lo convierte en una poderosa fuente de neutrones, utilizada como iniciador de reactores y para dispositivos de detección |
Clave: Z = número atómico; N = número de neutrones; DM = modo de descomposición; DE = energía de descomposición; EC = captura de electrones
Detectores de humo domésticos
Los radionucleidos están presentes en muchos hogares, ya que se utilizan dentro de los detectores de humo domésticos más comunes. El radionúclido utilizado es 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 241Am (alrededor de 0,29 microgramos por detector de humo) en forma de dióxido de americio. 241Am 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.
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 en exceso durante el tratamiento o si se exponen de otra manera a los seres vivos, por envenenamiento por radiación. El daño potencial a la salud por la exposición a los radionúclidos depende de una serie de factores y "puede dañar las funciones de tejidos u 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 provocar que las células se dañen y, a su vez, provocar cáncer. Los signos de células cancerosas pueden no aparecer hasta años, o incluso décadas, después de la exposición."
Tabla resumen de clases de nucleidos, estables y radiactivos
A continuación se muestra una tabla 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 por la desintegración de protones (que nunca se ha observado), mientras que el resto son "observativamente estables" y, teóricamente, puede sufrir una desintegración radiactiva con vidas medias extremadamente largas.
Los radionucleidos restantes tabulados tienen vidas medias superiores a 1 hora y están bien caracterizados (consulte la lista de nucleidos para ver una tabulación completa). Incluyen 30 nucleidos con vidas medias medidas más largas que la edad estimada del universo (13,8 mil millones de años), y otros cuatro nucleidos con vidas medias lo suficientemente largas (> 100 millones de años) que son nucleidos primordiales radiactivos, y pueden ser detectados en la Tierra, habiendo sobrevivido a su presencia en el polvo interestelar desde antes de la formación del sistema solar, hace unos 4.600 millones de años. Otros 60+ nucleidos de vida corta se pueden detectar naturalmente como hijas de nucleidos de vida más larga o productos de rayos cósmicos. Los nucleidos conocidos restantes se conocen únicamente a partir de la transmutación nuclear artificial.
Los números no son exactos y pueden cambiar ligeramente en el futuro, ya que "núclidos estables" se observa que son radiactivos con vidas medias muy largas.
Esta es una tabla resumen de los 989 nucleidos con vidas medias superiores a una hora (incluidos los que son estables), incluidos en la lista de nucleidos.
| Clase de estabilidad | Número de nuclidos | Total de ejecución | Notas sobre el total de funcionamiento |
|---|---|---|---|
| Teóricamente estable para todos menos la decadencia proton | 90 | 90 | Incluye los primeros 40 elementos. Decaimiento Proton aún por observar. |
| Teóricamente estable a la desintegración alfa, desintegración beta, transición isomerica, y doble decaimiento beta pero no fisión espontánea, que es posible para los nuclidos "estables" ≥ niobium-93 | 56 | 146 | Todos los nuclidos que son posiblemente completamente estable (la fisión espontanea nunca se ha observado para los nuclidos con número de masa) |
| Energetically unstable to one or more known decay modes, but no decay yet seen. Todos considerados "estables" hasta que se detecta la desintegración. | 106 | 251 | Total de nuclidos clásicamente estables. |
| Nuclidos primordiales radiactivos. | 35 | 286 | Los elementos primordiales totales incluyen uranio, torio, bismut, rubidium-87, potasio-40, dicurium-128 y todos los nuclidos estables. |
| Radioactivo no primarioordial, pero naturalmente ocurre en la Tierra. | 61 | 347 | Carbon-14 (y otros isótopos generados por los rayos cósmicos) e hijas de elementos primordiales radiactivos, como el radio, el polonio, etc. 41 de estos tienen una vida media superior a una hora. |
| Vida media sintética radioactiva ≥ 1,0 hora). Incluye radiotratadores más útiles. | 662 | 989 | Estos 989 nuclides se enumeran en el artículo Lista de nuclidos. |
| Sintético radioactivo (half-life) 0 hora. | √2400 | ■3300 | Incluye todos los nuclidos sintéticos bien caracterizados. |
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 la regulación gubernamental.
Solo emisión gamma
| Isotope | Actividad | Media vida | Energias (keV) |
|---|---|---|---|
| Barium-133 | 9694 TBq/kg (262 Ci/g) | 10,7 años | 81.0, 356.0 |
| Cadmio-109 | 96200 TBq/kg (2600 Ci/g) | 453 días | 88.0 |
| Cobalto-57 | 312280 TBq/kg (8440 Ci/g) | 270 días | 122.1 |
| Cobalto-60 | 40700 TBq/kg (1100 Ci/g) | 5.27 años | 1173.2, 1332.5 |
| Europium-152 | 6660 TBq/kg (180 Ci/g) | 13,5 años | 121.8, 344.3, 1408.0 |
| Manganese-54 | 287120 TBq/kg (7760 Ci/g) | 312 días | 834.8 |
| Sodium-22 | 237540 Tbq/kg (6240 Ci/g) | 2.6 años | 511.0, 1274.5 |
| Zinc-65 | 304510 TBq/kg (8230 Ci/g) | 244 días | 511.0, 1115.5 |
| Technetium-99m | 1.95×107TBq/kg (5,27 × 105 Ci/g) | 6 horas | 140 |
Solo emisión beta
| Isotope | Actividad | Media vida | Energias (keV) |
|---|---|---|---|
| Estroncio-90 | 5180 TBq/kg (140 Ci/g) | 28,5 años | 546.0 |
| Thallium-204 | 17057 TBq/kg (461 Ci/g) | 3.78 años | 763.4 |
| Carbon-14 | 166,5 TBq/kg (4,5 Ci/g) | 5730 años | 49.5 (promedio) |
| Tritio (Hydrogen-3) | 357050 TBq/kg (9650 Ci/g) | 12.32 años | 5.7 (promedio) |
Solo emisión alfa
| Isotope | Actividad | Media vida | Energias (keV) |
|---|---|---|---|
| Polonium-210 | 166500 TBq/kg (4500 Ci/g) | 138.376 días | 5304.5 |
| Uranio-238 | 12580 kBq/kg (0.00000034 Ci/g) | 4.468 millones de años | 4267 |
Múltiples emisores de radiación
| Isotope | Actividad | Media vida | Tipos de radiación | Energias (keV) |
|---|---|---|---|---|
| Caesium-137 | 3256 TBq/kg (88 Ci/g) | 30,1 años | Gamma & beta | G: 32, 661.6 B: 511.6, 1173.2 |
| Americium-241 | 129,5 TBq/kg (3,5 Ci/g) | 432,2 años | Gamma ' alpha | G: 59.5, 26.3, 13.9 A: 5485, 5443 |
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