OEI

Organización
de Estados
Iberoamericanos


Para la Educación,
la Ciencia
y la Cultura

Formación continuada del profesorado de Ciencias.
Una experiencia en Centroamérica y El Caribe

2.14. Radiactividad

Iria Acón (Costa Rica)

Índice

1. Objetivos

  1. Caracterizar el fenómeno de la radiactividad natural y artificial de los elementos químicos.
  2. 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.
  3. Identificar los procesos de fusión y fisión nucleares presentados en casos específicos, con el propósito de comprender la liberación y absorción de energía.
  4. Comprender las aplicaciones de la radiactividad, así como los riesgos y alcances en el presente, mediano y largo plazo.
  5. Sintetizar la problemática del tema de la radiactividad, usos y precauciones, tomando en cuenta la sostenibilidad humana.

2. Introducción

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 Chernobil 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.

Actividad 1. ¿Qué es la radiactividad?, ¿dónde se encuentra?, ¿cómo nos afecta?

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.

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.

A.2. ¿Qué es la radiactividad?

Comentario 2. Existen ideas generalizadas sobre este tema que es importante conocer, por eso se debe hacer preguntas al grupo para “constatar” lo que saben al respecto; es posible que ellos asocien la radiactividad con peligros, con destrucción por los accidentes y lo ocurrido con las bombas atómicas. A este tipo de ideas muchas veces equivocadas, se llamarán ideas alternativas, al respecto se tendrá la oportunidad de investigar los alcances de la radiactividad tanto natural como la artificial. Al finalizar la unidad los estudiantes deben tener la información, cuestionarse, investigar, discutir en grupo la problemática y por que no, meditar sobre el futuro hipotético de la humanidad.

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.

Cuando se viaja en avión, se expone a recibir una radiación mayor, ya que hay menos protección contra los rayos cósmicos. Un pasajero que viaje en avión a una altitud normal recibe en una hora, una dosis de radiación cuatro veces mayor, que la que recibe de toda la industria nuclear en un año.

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.

3. Historia

A.3. ¿Al respecto cuántos modelos de átomo se han dado en la historia y cuál es el más reciente?

En la fig.1 se aprecia un modelo de átomo, aunque no es el último, es bastante explicativo para el objetivo que sobre el tema de la radiactividad interesa.

A.4.Por qué se debe tener presente el modelo del átomo, para estudiar la radiactividad?

En la fig.1, se enfatiza el núcleo. ¿Por qué?

Descubrimiento de la Radiactividad

Poco después de que se descubriera los rayos X, en 1895; Antoine Henri Becquerel (1852-1908) trató de demostrar la relación entre los rayos X y la fosforescencia de las sales de uranio. En uno de sus experimentos envolvió una placa fotográfica en papel negro, colocó una muestra de sal de uranio sobre ella y la expuso a la luz solar. Al revelar la placa apareció que los rayos emitidos por la sal habían penetrado a través del papel. Tiempo después, Becquerel se preparaba para repetir el experimento pero, como la luz solar era intermitente, colocó el conjunto en un cajón. Días después reveló la placa, esperando encontrarla sólo débilmente afectada. Se asombró al observar una imagen intensa en la placa. Repitió el experimento en la oscuridad total y obtuvo los mismos resultados, probando que la sal de uranio emitía rayos que afectaban la emulsión fotográfica, sin necesidad de ser expuesta a la luz solar. De este modo fue que Becquerel descubrió la radiactividad. Marie Curie, dos años después en 1898 dio a este fenómeno el nombre de radiactividad. Radiactividad es la emisión espontánea de partículas o rayos por el núcleo de un átomo. A los elementos que tienen esta propiedad se les llama radiactivos. Posteriormente, Becquerel mostró que los rayos provenientes del uranio podían ionizar el aire y también eran capaces de penetrar a través de láminas metálicas delgadas.

En 1898, Marie Sklodowska Curie (1867-1934), con su esposo Pierre Curie (1859-1906), dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En corto tiempo los Curie descubrieron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, ambos radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el radio, procesaron una tonelada de residuos de mineral llamado pecblenda, para obtener 0.1 g de cloruro de radio puro, que usaron para efectuar más estudios sobre las propiedades del radio y determinar su masa atómica.

Ernest Rutherford, en 1899, comenzó a investigar la naturaleza de los rayos emitidos por el uranio. Encontró dos tipos de rayos, a los que llamó rayos alfa y beta. Pronto se dio cuenta que el uranio, al emitir estos rayos, se transformaba en otro elemento. A la altura de 1912 se conocían ya más de 30 isótopos radiactivos y hoy se conocen mucho más. Paul Villard descubrió en 1900, los rayos gamma, un tercer tipo de rayos que emiten los materiales radiactivos y que es semejante a los rayos X. De acuerdo con la descripción del átomo nuclear, Rutherford se atribuyó el fenómeno de la radiactividad a reacciones que se efectúan en los núcleos de los átomos.

A.5. En forma individual, lea el texto anterior y en él reconozca al menos cinco de las diferentes actividades propias de una persona científica, anótelas y compárelas con sus compañeros de grupo. Analiza en la actividad la evolución que ha experimentado el pensamiento de los científicos comparado con el pensamiento actual sobre el tema de la radiactividad.

C.5. La historia no es para aprendérsela de memoria sino para conocer el proceso, saber las dificultades, los aciertos, incluso se sabe la manera de pensar de toda una época por medio de ella. En este caso, con esta actividad los estudiantes identifican la labor de los científicos, la perseverancia, lo observadores, paciencia, cuidadosos, si cuentan con un plan o diseño para lograr lo que creen, hipótesis y otros. Los educandos pueden deducir muchas más cualidades, actitudes y comportamientos de los científicos leyendo la historia, incluso el detalle que siendo esa época una mujer participara activamente en la actividad científica. Es importante resaltar que Marie Curie es muy conocida , ¿por qué?. ¿Qué otras mujeres conocen tan famosas como ella? Comente.

A.6. ¿Por qué ocurre la radiactividad?

En este sentido se repasa la simbología que se acostumbra para referirse a los diferentes átomos de cada elemento químico, muy útil en química nuclear. (Ver tabla periódica de los elementos).

Por ejemplo, 23892U representa un isótopo de uranio con número atómico 92 y número de masa 238. A este se le llama U-238

A.7. a- ¿Qué significa el número 92 en la expresión anterior?

b- ¿Qué significa el número 238?,

c- ¿Cómo se obtiene este número?

d- Escriba una lista de toda la información que le da la tabla periódica.

Teóricamente el átomo es neutro y el número de protones, electrones y neutrones es igual, como ocurre con los primeros elementos representados en la tabla periódica.

C.7. Al estudiante le debe quedar bien claro lo qué indica el número atómico. La tabla periódica de los elementos es una herramienta para utilizar, porque nos da mucha información. Analizar las masas atómicas y compararlas con el número atómico es importante, así se entenderá el significado de los isótopos.

El número de protones casi siempre se mantiene estable, pero el número de neutrones varía. ¿Por qué?

En este sentido se debe recordar que los compuestos químicos se forman porque los elementos buscan estabilidad en su nube electrónica.

Parecido ocurre en el núcleo, este busca la estabilidad y mientras esto ocurre, se desprenden radiaciones espontáneamente, que pueden ser rayos alfa , rayos beta o rayos gamma. A este fenómeno se le llama radiactividad.

A.8. ¿A qué se debe que un elemento presente varios isótopos?, Al respecto se debe observar y analizar la tabla siguiente.

De acuerdo con los datos. ¿Cuáles isótopos crees que son más estables?

C.8. Es frecuente encontrar tablas de datos en la bibliografía de ciencias. Se recomienda el análisis para establecer diferencias, semejanzas, casos excepcionales y obtener conclusiones. El estudiante debe saber lo importante que son las tablas de datos, como dice el refrán “los números hablan”; aunque es importante saber las condiciones en que se dieron, como por ejemplo situaciones afectivas, sociales, económicas las tablas no se aprenden de memoria, solo nos dan parte de información, en este caso caracterizan los isótopos, indicando cuántos protones, electrones y neutrones tiene según el modelo atómico.

Tabla 1

Muestra algunos isótopos comunes
ISÓTOPOS CARGA ABUNDANCIA
Hidrógeno -1 1+ 99,985
Hidrógeno -2 1+ 0,015
Hidrógeno -3 1+
Helio -3 2+ 1.3 x 10-4
Helio -4 2+ 100
Berilio -9 4+ 100
Carbono -12 6+ 98,89
Carbono -13 6+ 1,11
Carbono -14 6+ 1,2 x 10-10
Nitrógeno -14 7+ 99,64
Nitrógeno -15 7+ 0,36
Oxígeno -16 8+ 99,76
Oxígeno -17 8+ 0,04
Oxígeno -18 8+ 0,20

A-9.¿Dónde están los isótopos radiactivos?

El 87% de la radiactividad que hay en el planeta es natural. Al respecto, cómo se explica que la vida exista con esa dosis. Los elementos radiactivos no sólo se encuentran allá en los reactores y en las cabezas nucleares que se usan como misiles, se encuentran en el agua, en la leche, en el mar, en el aire, en plantas; podría decirse que en todo el planeta.

Cuadro 1

Niveles de radiactividad relativa en líquidos
Agua corriente del grifo 1
Descargas de una central nuclear 0.05 a 0.5
Agua del río 0.5 a 5
Cerveza 6.5
Agua del mar 17.5
Whisky 60
Leche 70

4. 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, como se ilustra en la siguiente reacción.

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.

El carbono -14 artificial, que está actualmente en circulación por la Tierra, alcanza aproximadamente una tonelada y representa aproximadamente el 1% de la abundancia total natural. Durante los últimos siete años, el hombre lo ha producido a un ritmo considerablemente mayor que el resultante del proceso natural, mediante el cual se forma por la acción de los neutrones de los rayos cósmicos. La mayoría está todavía en la atmósfera combinado en dióxido de carbono. En los organismos vivientes se ha elevado el contenido de carbono 14, hasta el 10% por encima de lo normal, esta situación puede confundir a los futuros arqueólogos.

A.10. Si el carbono -14 se encuentra en la atmósfera, ¿cómo se cree que llega a formar parte de plantas, animales y personas?

Escriba su hipótesis para que luego comente con los compañeros.

Ilustre el texto anterior de una forma creativa.

C.10. El nuevo enfoque de la enseñanza de las ciencias pretende que se estimule a los estudiantes a ser investigadores junto con el profesor. El planteamiento de hipótesis y el tratar de verificarlas, si es del caso cambiarla, plantearse problemas de las cosas que parecen obvias es una manera de fomentar la actividad científica.
El carbono – 14 como punto de referencia para certificar la edad aproximada de antigüedades como momias, pinturas, incluso el Manto Sagrado, y otros objetos valiosos requieren, incluso conocer si son auténticos o falsos; por lo que es un agradable tema de investigación.
La ilustración se puede hacer con caricaturas, dibujos esquemas, con recortes de revistas o periódico. Los estudiantes son muy imaginativos. En este caso esta actividad puede ser optativa, para tomar en cuenta las aptitudes.

Cuadro 2

Partícula Símbolo
Neutrón 10n
Protón 11H
Partícula beta (electrón) 0-1e
Positrón (electrón positivo) 0+1e
Partícula alfa (núcleo de helio) 42He
Deuterio (núcleo de hidrógeno pesado) 21H

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

5. La radiactividad natural y artificial

Con lo tratado hasta el momento en esta unidad, se siente la radiactividad dentro de la persona y en su alrededor.

A.11. ¿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.

6. 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.

Esquema- 1
Representación del hidrógeno y sus isótopos

Ambos isótopos se encuentran en la naturaleza, pero solo en cantidades relativamente pequeñas. La llamada agua pesada consiste en agua, donde están presentes átomos de deuterio en lugar de átomos de hidrógeno en combinación con el oxígeno.

La mayoría de las propiedades físicas y químicas de un elemento están determinadas por el número de electrones y sus posiciones en los átomos. Puesto que los isótopos de un elemento tienen estructuras electrónicas casi idénticas, no es sorprendente que los dos isótopos de cloro, por ejemplo, tengan el mismo color amarillo, el mismo olor sofocante, la misma eficiencia como veneno y agente blanqueador y la misma propiedad para combinarse químicamente con los metales. Debido a que los puntos de ebullición y congelación dependen, en cierto modo de la masa atómica, estas propiedades difieren ligeramente entre los isótopos, como también la densidad. Sin embargo, estas diferencias no son lo suficiente significativas para separar los isótopos de un elemento en procesos naturales y por esto, su descubrimiento tuvo que esperar hasta la invención del espectrómetro de masa.

Los elementos radiactivos pueden formar compuestos, cambiar de estado físico y su carácter radiactivo no se ve afectado.

A.12. Investigue un ejemplo de compuesto químico que contenga un elemento radiactivo y que se use en medicina. Anote la ecuación.

C.12. Con esta actividad se pretende que el alumno enlace lo visto anteriormente con el tema de la radiactividad.

Esquema 2

Las partículas alfa de los materiales radiactivos son detenidas por un pedazo de cartón. Las partículas beta, penetran el cartón pero son detenidas por una lámina de aluminio. Aun una gruesa lámina de plomo, puede no ser suficiente para detener los rayos gamma.

A.13.¿ Qué consecuencias podría tener para el organismo, respirar el gas radón que es incoloro, inodoro e insípido? Investiga en tu comunidad con alguna persona que sea médico o en la Comisión Atómica de nuestro país.

C.13. No se trata que memoricen los cambios que se dan en el núcleo del átomo, sino más bien que analicen esos cambios, que sepan cuáles son, y al aplicarlos identifiquen el tipo de radiación emitida. Esta actividad como las anteriores se recomienda que sea en equipos. Una vez realizada se reafirma lo aprendido en la pizarra, en un cartel, en acetato o con un esquema.

La radiación natural en la tierra y las rocas, da una dosis promedio de 60 mrem (rem unidad para medir la dosis de radiactividad) por año y en nuestra vivienda, se utilizan estas rocas en los materiales de construcción, añadiendo cantidades apreciables de radiación. Por ejemplo, el habitar en una casa de ladrillo o piedra, el hombre se expone a 7 mrem más por año que si se habita en una casa de madera. Todos los edificios de granito emiten radiaciones y el vivir sobre granito añade cantidades apreciables de radiación. El gas radón, que surge del radio natural contenido en los materiales de construcción, también está presente en las casas y oficinas y emite más radiación. Aún el dormir junto a otra persona puede aumentar nuestra dosis anual de radiación, ya que cada cuerpo contiene potasio radiactivo, que existe normalmente junto con el potasio normal que es esencial a la vida, dando una dosis de radiación interna.

La radiactividad natural también se introduce en el cuerpo y estas radiaciones internas llegan a la mayoría de los tejidos corporales, en una cantidad aproximada de 18 mrem por año. Tanto el alimento como el agua y el aire, contienen niveles bajos de radiactividad natural y esto ha sido así desde el comienzo del mundo.

Las fuentes naturales de radiación son típicas de la manera actual de vivir. El arar la tierra libera gas radón a la atmósfera. Los materiales radiactivos naturales se introducen en la cadena alimentaria, el aire que se respira, y el agua que bebemos y los materiales de construcción: el concreto, la piedra y el ladrillo emiten radiación natural

Gráfico: Serie de desintegración de 23892U a 20682Pb, las flechas indican las transformaciones que se inician en el uranio y terminan en el plomo las flechas horizontales indican emisión de partículas ß y las diagonales partículas alfa.

7. Vida media o semivida de los elementos radiactivos.

Cada núclido (átomo) radiactivo se desintegra según la intensidad o rapidez específica constante, que se expresa en las llamadas unidades de semivida. La semivida (t1/2 o vida media) es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de una determinada cantidad de un núclido radiactivo. Las semividas de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de millones de años. Por ejemplo, el 23892 U tiene una semivida de 4.5 x 109 años, el 22688Ra tiene una semivida de 1620 años y el 156C tiene una semivida de 2.4s. Como ejemplo, si hoy se tuviera 1.0g de 22688Ra, al cabo de 1620 años se tendrían 0.5 g de 22688Ra; al final de otro período de 1620 años, quedarían 0.25 g y así sucesivamente.

Las semividas de los radioisótopos del mismo elemento son distintas. En la tabla siguiente, aparecen las semividas de algunos isótopos del radio, carbono y uranio.

Tabla 2

Semividas de isótopos del radio, carbono y uranio
Isótopo Semivida Isótopo Semivida
Ra 223 11.7 días C 14 5668 años
Ra 224 3.64 días C 15 24 segundos
Ra 225 14.8 días U 235 7.1 x 108 años
Ra 226 1620 años U 238 4.5 x 109 años
Ra 228 6.7 años

A.14.¿Cuánto tiempo tardará el radio- 225 para desintegrarse?

C.14. Este es un tipo de problema abierto donde no se le da fórmulas ni la cantidad de material radiactivo radio 225. Los estudiantes determinarán las variables; con el objetivo de no hacer simples sustituciones, sino de darles la oportunidad de pensar y de formular hipótesis. Plantearán la cantidad y la pureza por ejemplo.

8. 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 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 189F como intermedio, el cual se descompone en los productos.

Los experimentos de Rutherford abrieron la puerta a transmutaciones nucleares de todos tipos. Se bombardearon átomos con partículas alfa, neutrones, protones, deutrones (21H ), electrones y otros. Se desarrollaron instrumentos masivos para acelerar dichas partículas a velocidades y energías muy altas para lograr la penetración a los núcleos.

A.15.¿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?

C.15. Estas son solo algunas de las preguntas que se le pueden hacer al estudiante, el profesor creará más de ellas que estimulen al estudiante a pensar.

Los protones y neutrones en los núcleos atómicos están enlazados entre sí con fuerzas mucho 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.

Comentarios. Buscar en dónde ocurren estos procesos y su potencial para la humanidad, comentar en qué consisten por medio de modelos esquemáticos u otras formas, es el objetivo. En realidad preguntar cuál es la diferencia entre uno y otro, no parece importante si se quiere que el estudiante le encuentre sentido al estudio del tema.

A.16. Investiga las fusiones nucleares que se llevan a cabo en una estrella como el sol a una supernova. Anota algunas de las reacciones. ¿ Las estrellas pueden llegar a “morirse"? Comente en su grupo la afirmación, fundamentando la respuesta.

C.16. Al investigar el estudiante reafirma los conceptos de fusión y fisión nucleares, además entender las reacciones que ocurren en el sol y otras estrellas, puede darle sentido al estudio. Recuerde que el estudiante aprenderá lo que es significativo para él.

La fusión nuclear se descubrió a finales de la década de los años treinta, cuando se observó que los núcleos de 23592U bombardeado con neutrones, se dividían en dos elementos más ligeros.

El neutrón constituye una partícula ideal para el bombardeo de los átomos de los elementos pesados. A respecto, ilustre en forma creativa una reacción en cadena donde se aprecie la fisión nuclear.

A.17. Optativa. Investiga ¿cuál es el principio que hace funcionar una bomba atómica?

9. Usos de la radiactividad por la humanidad

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

A.18. Recolecte información, en diarios, revistas u otros medios, para comentar en grupos y discutir en un posible debate al finalizar el estudio de esta unidad. El material recolectado puede utilizarse en un mural informativo para el resto del colegio.

C.18. Este material recolectado puede clasificarse, porque este tema es bastante polémico, habrá posiciones a favor y otras en contra; también manejo de desechos, precauciones... Es importante que los estudiantes sepan que el interés que han mostrado en el estudio sea valorado por el profesor y por que no, por el resto de la comunidad estudiantil.
Por ejemplo el siguiente fragmento es recortado del periódico de oct. 98 en el periódico la Nación , “Varias centenas de personas que viven cerca de instalaciones nucleares norteamericanas o que trabajan en ellas sufren enfermedades respiratorias, neurológicas y problemas inmunológicos de origen desconocido, informó el diario The Tennessean.” EEUU.

Tabla 3

Algunos núclidos o isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como marcadores en el cuerpo humano.
Núclido Vida media Área del cuerpo que se estudia
131 I 8.1 días Tiroides
59 Fe

45.1 días

Glóbulos rojos

99 Mo 67 horas Metabolismo
32 P 14.3 días Ojos, hígado, tumores
51 Cr 27.8 días Glóbulos rojos
87 Sr 2.8 horas Huesos
99 To 6.0 horas Corazón, huesos, hígado, pulmones
133 Xe 5.3 días Pulmones
24 Na 14.8 horas Sistema circulatorio

A.19.Investigar algunos compuestos químicos formados por los anteriores isótopos, que se usan en los hospitales que cuentan con medicina nuclear como el San Juan de Dios, el Hospital México, el Calderón Guardia y otros.

C.19. Esta actividad sirve de enlace con lo visto durante el curso de Química, no es necesario que los educandos se desplacen a los hospitales, pueden obtener la información telefónicamente, vía fax u otra forma práctica donde no corran peligro o riesgo, ni se pierda mucho tiempo.

A.20. El estudio de algunos usos de la radiactividad se desglosa a continuación:

C.20. La sugerencia es que estos temas se trabajen en grupos durante la clase, por medio de fichas de estudio dirigido. Limitar el tiempo es necesario. Las exposiciones deben ser breves pero bien organizadas en donde se pueda preguntar y discutir al tema sin ningún temor de que algún aspecto quede fuera, porque se puede seguir investigando de acuerdo con las aptitudes de los alumnos.

Fichas

FICHA: 1.
TEMA: Radiactividad aplicada en armas
Objetivo:
Lograr que el estudiante se plantee interrogantes tales como, ¿Por qué los países, a pesar de los acuerdos de desarme, siguen construyendo armas nucleares?
¿Es qué piensan autodestruir el planeta, ellos y sus familias?
¿Es que acaso es el poder lo que buscan?
¿Cambiar en un futuro armas por comida?
¿ Habrá una tercera guerra mundial?
A.20. 1 Actividades: 1. Comentar en cada grupo de estudio estas interrogantes, plantearse otras y a manera de hipótesis dar una explicación de la problemática y las conclusiones al resto de la clase.
2.Investigar en qué consiste la bomba atómica y de hidrógeno.
3.Investigar el impacto humano y ambiental de las bombas lanzadas
4. Leer y comentar el siguiente fragmento “El infierno que puede quemar al mundo entero..., tomando en cuenta la globalización, el aspecto humano y formular hipótesis al respecto.
Ilustra el tema desarrollado con un dibujo o caricatura.
Presentarlo a toda la clase con un tiempo de 10 o15 minutos.

El infierno que puede quemar al mundo entero

En Rusia quince millones de seres humanos padecen hambre. Las tres cuartas partes de la población apenas consiguen sobrevivir. La mal nutrición escolar se ha vuelto endémica. Regresan epidemias que se consideraban erradicadas. Desaparecen los servicios sociales que, así fuese mínimamente, proporcionaba el “antiguo régimen” comunista. Los profesionistas se ven obligados a cultivar sus propios jardines para sobrevivir.

La oligarquía rusa se enriquece, también, mediante la venta de armas. Y cuando hablamos de venta de armas en Rusia, hablamos de un problema mundial de dimensión apocalíptica. Rusia posee siete mil cabezas nucleares, cinco mil armas nucleares tácticas, inmensos depósitos de uranio y doce mil soldados sin paga custodiándolo todo. Uno de los grandes peligros de la crisis rusa es que sea el inicio de un proceso de privatización de la guerra que rápidamente desborde las fronteras de la Federación tanto hacia el explosivo Medio Oriente como hacia Irán, Afganistán, India y China.” (Tomado del Periódico La Nación 20 septiembre- 1998 Costa Rica.)

FICHA : 2.
TEMA: La radiactividad aplicada a la Medicina.
Objetivo:
Valorar los aportes de la radiactividad aplicada en medicina para prolongar la vida, curar y diagnosticar a pacientes que la necesitan.
A.20.2 Actividades:a.Investigar por medio de una entrevista a médicos de la C.C.S.S., relacionada con la medicina nuclear.
b.Entrevistar personalmente o por teléfono a alguna persona que trabaje investigando con isótopos radiactivos en la Universidad de Costa Rica.
c.Grabar o anotar testimonios de personas que han sido radiados, curados o que le han hecho algún diagnóstico con isótopos radiactivos.
Con base en la investigación realizada en grupo, presentar alguna estadística al resto de la clase, si es posible en forma de gráfico con su respectivo análisis.

Información anexa a la ficha número 2.

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.

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 nuclear. El radionúclido Tl 201, al inyectarse en el flujo sanguíneo, se aloja en el tejido sano del corazón. El talio 201 emite radiación gama, 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.

FICHA: 3.
TEMA: Radiactividad aplicada a la agricultura
Objetivo:
Valorar la importancia de rastreadores radiactivos, radiaciones mutantes para la obtención de nuevas especies, realizadas en la UCR.
Investigar que son mutaciones.
A.20.3. Actividades. Preparar una entrevista para un ingeniero agrónomo y alguna persona del Departamento de Biología de la Universidad de Costa Rica, sobre los rastreadores radiactivos usados en las plantas y en el aire y agua. Sacar conclusiones, ilustrar en un afiche grande para presentar al resto de la clase.
Plantearse alguna hipótesis pensando en el futuro.
Investigar los adelantos que realiza el país en biotecnología.

Información para la ficha número 3.

Agricultura.

Los científicos usan la radiación gama 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 nuevas y mejoradas para uso comercial. La preservación de alimentos mediante radiación es otra aplicación benéfica. El alimento se expone a radiación gama 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.

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.

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 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.

FICHA: 4.
TEMA: Radiactividad aplicada a la industria
Objetivo
Conocer algunos de los usos de las radiaciones y marcadores isotópicos en la industria.
A.20.4. Actividades. Lea y comente el texto correspondiente en su grupo de estudio. Valoren, emitan juicio sobre las ventajas posibles de comer alimentos radiados.
Ilustrar en un cartel y exponer su contenido al resto de la clase.
Realizar alguna creatividad alusiva al tema, para presentarlo al resto de la clase.
Hacer una investigación de cuántos alimentos radiados se consumen en las casas de los miembros del grupo de estudio. Hacer un gráfico con los datos.

Información de la ficha número 4

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 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.

Tabla 3

Aplicaciones generales de la irradiación de alimentos
Finalidad Dosis absorbida (kGy) Productos
Dosis baja (hasta 1 kGy)

Inhibición de brotes 0.05-0.15 Papas, cebollas, ajos raíz de jengibre
Desinfectación en relación con insectos y parásitos 0.15-0.50 Cereales y legumbres, frutas secas y desecadas, carne y pescado desecados, cerdo fresco
Retardo de la maduración

0.50-1.0

Frutas y verduras frescas

Dosis media (1-10 kGy)
Prolongación del período de conservación 1.50-3.0 Pescado fresco, fresas y otros.
Eliminación de la putrefacción y de los microorganismos patógenos

2.0-7.0

Mariscos frescos y congelados, aves y carne

Mejoramiento de las cualidades tecnológicas de los alimentos 2.0-7.0 Uvas (aumento del jugo), verduras deshidratadas (reducción del tiempo de cocción)
Dosis alta (10-50 kGy)
Descontaminación de aditivos e ingredientes de alimentos 0-50 Especias, preparados de enzimas, chicle natural y otros.
Esterilización comercial (en combinación con calor suave) 30-50 Carne, aves, mariscos, alimentos preparados, dietas hospitalarias.

Tabla 4

Ejemplos de las utilizaciones de alimentos y artículos irradiados aprobadas en el mundo
País Producto
Argentina Especias, espinacas, polvo de cacao
Bangladesh Papas, cebolla, pescado desecado, legumbres, mariscos congelados, ancas de rana
Bélgica Especias, verduras deshidratadas, alimentos congelados incluidos mariscos
Brasil Especias, verduras deshidratadas
Canadá Especias, papas, cebolla
Chile Especias, verduras deshidratadas, cebollas, papas, pollos
China Papas, ajos, manzanas, especias, cebollas, salchicha china, vino chino
Cuba Papas, cebollas, granos de cacao
Dinamarca Especias
Finlandia Especias
Francia Especias, aliños vegetales, pollos (pollo deshuesado congelado)
Hungría Especias, cebollas, corchos para vino
India Especias, cebollas, papas
Indonesia Especias, tubérculos y raíces
Israel Especias, cebollas, papas, granos
Japón Papas
República de Corea Polvo de ajo, papas, cebollas
Países Bajos Especias, productos congelados, pollos, verduras deshidratadas, arroz, polvo de huevo, materiales de embalaje
Noruega Especias
Pakistán Papas, cebollas, ajos, especias
Sudáfrica Papas, cebollas, frutas, especias, carne, pescado, pollos, productos procesados, verduras
España Papas, cebollas
Siria Papas, cebollas, pollos, frutas, especias
Tailandia Cebollas, salchichas de cerdo fermentado, papas
Unión Soviética Papas, cebollas, cereales, frutas y verduras frescas y desecadas, carne y productos cárnicos, aves, granos
Estados Unidos Especias, aves, frutas
Yugoslavia Especias, cereales, carne, aves

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:

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.

FICHA: 5.
TEMA: Reactores nucleares para obtener energía eléctrica.
Objetivos:
Cuestionar el uso de reactores nucleares para el uso de electricidad.
Valorar la energía hidráulica que tiene Costa Rica y proponer soluciones hipotéticas para el futuro de la humanidad.
Comparar el mecanismo de obtención de la electricidad por medio de vapor, usando carbón, combustible gas y el nuclear.
A.20.5. Actividades. Comente en su grupo, el uso de los reactores como solución de energía de presente y futuro.
Plantear hipótesis a nivel de grupo.
Presentar el tema al grupo, con un esquema en donde se pueda explicar el funcionamiento y plantear las interrogantes al grupo. Estimular para que el grupo medite sobre el asunto.

Información de la ficha número 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 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 U-235, 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.

10. Precauciones en el manejo de material radiactivo

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

11. Seguridad de las centrales nucleares y protección del medio ambiente

12. Seguridad nuclear

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.

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.

A.21. ¿Quiénes tienen la razón? ¿ A quiénes se les debe creer?.

A.22. Tomando en cuenta el contexto en que se desenvuelve la humanidad. ¿Qué otras acciones y actividades son de gran riesgo para la salud de todos los seres vivos?.

C.22. Los temas de estudio se deben enlazar y relacionar con otras disciplinas y con otros asuntos relacionados, por ejemplo, los alumnos podrían pensar lo riesgoso que puede ser un oleoducto que pase por el país, esto ya fue discutido en Costa Rica cuando se pretendía construir uno interoceánico. La contaminación producto del uso de combustibles del petróleo, el manejo abusivo de plaguicidas, aditivos en los alimentos, los desechos contagiosos de los hospitales, los industriales con metales pesados como el mercurio... ellos con la ayuda del profesor pueden comentar lo importante de mantener una mirada general y no parcial. Pero no se trata de analizar solo un aspecto, se debe comentar cuál es la función como miembros de una comunidad y capaces de generar acciones.

13. 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?

Aproximadamente una vez al año, se extrae una parte del combustible nuclear colocado dentro del reactor nuclear y se sustituye por uno nuevo. El combustible “gastado” el cual es muy radiactivo, debe aislarse por miles de años con mucho cuidado, de lo contrario causaría daños irreparables a las personas y al ambiente. Es extraído del reactor por manos mecánicas y colocado en piscinas con agua para enfriarlo y aislarlo por poco tiempo, mientras es llevado al depósito permanente. También se almacena en contenedores de hormigón o acero mientras se les da el lugar definitivo.

Este uranio “gastado” también se reutiliza en la actualidad, Francia, Reino Unido y la Federación Rusa, cuentan con plantas de reelaboración a nivel industrial y mundial para la obtención de uranio y plutonio, en el proceso químico. Este tipo de desecho representa un 95% ya que una planta típica nuclear de generación eléctrica produce 30 toneladas anuales de uranio “gastado”, esta cantidad puede reducirse a 3 m3 de desecho radiactivo.

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 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.

A.23. Cada grupo elabora un mural de cierre del tema radiactividad utilizando los recortes de periódico o revistas y otros materiales que el grupo pueda crear anotando los conceptos que a su juicio significaron más, en el aspecto ambiental, salud, industrial etc. Estos murales se colocan dentro o fuera del aula para que todos los estudiantes y profesores puedan admirarlos y aprender de ellos.

C.23. Esta actividad servirá de evaluación además por medio de ella se estimulan los valores de cooperación, solidaridad, responsabilidad, creatividad y otros. Se recomienda valorar los trabajos de los estudiantes y explicarles que el tema no se acaba, quedan otros problemas que investigar como por ejemplo. ¿Qué se hace en los hospitales, la industria y universidades para deshacerse de los desechos radiactivos?. Investigar los otros tipos de radiaciones como por ejemplo los rayos X, los infrarrojos, las de radio, las microondas.
¿Cómo se producen las mutaciones? etc.

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