Física II: Radioisótopos

Contenido

Antecedentes históricos
Fundamentos físicos que intervienen
Experimento
Usos o aplicaciones tecnológicas
Medidas de seguridad
Descripción de la actividad de los integrantes del equipo
Bibliografía consultada

1.- Antecedentes históricos:

George de Hevesy

El Profesor George de Hevesy, uno de los precursores en la esfera de los indicadores radiactivos, preparó el siguiente trabajo para el Simposio sobre métodos radio químicos de análisis que, patrocinado por el OIEA, tuvo lugar en Salzburgo en octubre de 1964. El Profesor de Hevesy nació en Budapest en 1885. Estudió en dicha cuidad, así como en Berlín y Friburgo, y pasó algunos años en Zúrich cuando Einstein había fijado allí su residencia.

En 1911 fue a Manchester para trabajar con Rutherford, y allí «presenció algunos de los descubrimientos más importantes de la historia de la Física».

A fines de 1912 visitó el Instituto vienes de investigaciones sobre el radio, en el que trabajó con Paneth, y en 1913 empleó por vez primera plomo marcado. Después de la primera Guerra Mundial trabajó en el Instituto de Física Teórica de Copenhague, y a partir de 1943 ha residido y trabajado principalmente en Suecia.

En 1923 Hevesy y Coster descubrieron el elemento Hafnio. Hevesy ha hecho muchos y muy notables descubrimientos acerca de la movilidad de los iones y sobre la separación de isótopos, y su labor sobre los indicadores radioisotó-picos, que tan importantes aplicaciones tienen en biología, le valió el Premio Nobel de Química correspondiente a 1943.

2.- Fundamentos físicos que intervienen

Radiactividad

La radiactividad es el fenómeno que consiste en la desintegración espontánea o decaimiento de los núcleos atómicos de ciertos elementos, acompañada de emisión de partículas o de radiaciones electromagnéticas. Se presenta en los elementos más pesados de la tabla periódica, a partir del elemento 83 que corresponde al bismuto.

Fue por el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908) el primero en descubrir la radiactividad al observar que el uranio producía un tipo de rayos capaz de atravesar varias hojas de papel negro e impresionar una placa fotográfica colocada al otro lado. Dichos rayos invisibles pero penetrantes, emitidos por los elementos radiactivos recibieron el nombre de rayos Becquerel.

Rutherford encontró que los rayos de Becquerel eran de tres clases:

· Rayos α (Alpha): constituidos por átomos de helio doblemente ionizados al haberles arrancados sus dos electrones, es decir, núcleos de helio cargados positivamente al tener en su interior 2 protones y 2 neutrones

· Rayos β (Beta): son electrones comunes

· Rayos γ (gamma): ondas electromagnéticas de mayor energía que los rayos X

Isótopos

Es aquel que tiene el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.

Por ejemplo: el hidrógeno tiene 3 isótopos, uno es el hidrógeno natural con un solo protón y ningún neutrón, otro es el deuterio que tiene un protón y un neutrón (combinado con el oxígeno produce el agua pesada) y por último está el tritio compuesto por un protón y dos neutrones. Por tanto, los átomos con diferentes masas atómicas, pero que pertenecen al mismo elemento químico y tienen el mismo número atómico (número de protones en el núcleo), son los denominados isótopos.

La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo, como por ejemplo el estaño que es el elemento con más isótopos estables y solamente 21 elementos (como por ejemplo el berilio y sodio) poseen un solo isótopo natural.

Tipos:

· Naturales: Son los que se encuentran en la naturaleza de manera natural. Ejemplos: el hidrógeno tiene tres isótopos naturales (el protio que no tiene neutrones, el deuterio con un neutrón, y el tritio que contiene dos neutrones). Otro elemento que contiene isótopos muy importantes es el carbono, en el cual está el carbono 12, que es la base referencial del peso atómico de cualquier elemento, el carbono 13 que es el único carbono con propiedades magnéticas y el carbono 14 radioactivo, muy importante ya que su tiempo de vida media es de 5.730 años y es muy usado en la arqueología para determinar la edad de los fósiles orgánicos.

· Artificiales: son fabricados en laboratorios nucleares con bombardeo de partículas subatómicas, estos isótopos suelen tener una corta vida, en su mayoría por la inestabilidad y radioactividad que presentan. Ejemplos: Iridio 192 que se usa para verificar que las soldaduras de tubos estén selladas herméticamente, sobre todo en tubos de transporte de crudo pesado y combustibles, algunos isótopos del Uranio también son usados para labores de tipo nuclear como generación eléctrica.

Radioisótopo

Cuando un isótopo es capaz de emitir radiaciones en forma espontánea recibe el nombre de radioisótopo.

La palabra isótopo, del griego "en mismo sitio", se usa para indicar que todos los tipos de átomos de un mismo elemento se encuentran en el mismo sitio de la tabla periódica. Los átomos que son isótopos entre sí, son los que tienen igual número atómico (número de protones en el núcleo), pero diferente número másico (suma del número de neutrones y el de protones en el núcleo). Los distintos isótopos de un elemento, difieren pues en el número de neutrones. Hay varios tipos de isotopos los cuales aún no tienen un nombre fijo ya que cambian constantemente.

Tienen un núcleo atómico inestable y emiten energía y partículas cuando cambia de esta forma a una más estable. La energía liberada al cambiar de forma puede detectarse con un contador Geiger o con una película fotográfica. La principal razón de la inestabilidad están en el exceso de protones o neutrones, la fuerza nuclear fuerte requiere que la cantidad de neutrones y protones esté cerca de cierta relación, cuando el número de neutrones en relación a la cantidad de equilibrio el átomo puede presentar decaimiento beta negativo, cuando el átomo tiene un exceso de protones (defecto de neutrones) suele presentar decaimiento beta positivo.

Cada radioisótopo tiene un periodo de desintegración o semivida características. La energía puede ser liberada, principalmente, en forma de rayos alfa (núcleos de helio), beta (electrones o positrones) o gamma (energía electromagnética).

Varios isótopos radiactivos inestables y artificiales tienen usos en medicina. Por ejemplo, un isótopo del tecnecio (99mTc) puede usarse para identificar vasos sanguíneos bloqueados. Varios isótopos radiactivos naturales se usan para determinar cronologías, por ejemplo, arqueológicas.

Pueden obtenerse radioisótopos artificiales al bombardear con neutrones algunos elementos químicos. Por ejemplo: al bombardear con neutrones durante un cierto tiempo a una masa estable de fósforo 31 (15 protones y 16 neutrones), los núcleos absorben un neutrón y se obtiene fósforo 32 o radiofósforo (15 protones y 17 neutrones), el cual es inestable y por tanto radioactivo.

3.- Experimento “Espectrómetro de masas”

Espectrómetro de masas

La espectrometría de masas es una técnica experimental que permite la medición de iones derivados de moléculas. El espectrómetro de masas es un instrumento que permite analizar con gran precisión la composición de diferentes elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos atómicos en función de su relación masa-carga (m/z). Puede utilizarse para identificar los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el

contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto. Con frecuencia se encuentra como detector de un cromatógrafo de gases, en una técnica híbrida conocida por sus iniciales en inglés, GC-MS.

La técnica de detección de iones se basa en el fenómeno conocido como desbastado (sputtering, en inglés) de partículas centradas en un blanco, que son bombardeadas por iones, átomos o moléculas. Dependiendo del intervalo de energía de la partícula primaria, ocurren colisiones elásticas e inelásticas:

En el intervalo de los keV, las interacciones dominantes son las elásticas.

Las colisiones inelásticas aumentan como aumenta la energía. Estas son más comunes en el intervalo de energía de los MeV.¿

El proceso de dispersión produce iones secundarios en el rango de las energías cinéticas traslacionales. Las distribuciones de energía son distintas para iones atómicos o moleculares. La eficiencia de ionización del SIMS es definida como la fracción de los átomos esparcidos que se vuelven ionizados. La eficiencia varía con respecto al elemento de análisis en varios órdenes de magnitud. Las influencias más obvias son el potencial de ionización y la afinidad electrónica de los iones negativos.

Asistencia de iones positivos o negativos

La asistencia del oxígeno (O2+) ocurre como resultado de los enlaces metal-oxígeno en una zona enriquecida con oxígeno. Cuando estos enlaces se rompen durante la emisión de iones, el oxígeno se carga negativamente debido a su alta afinidad electrónica, favorece la captura, y su alto potencial de ionización inhibe las partículas positivas (iones positivos). El metal es aislado entonces de cargas positivas. Además, el bombardeo con oxígeno incrementa la concentración de oxígeno en la superficie.

Por otra parte, el bombardeo con cesio (Cs+) favorece los iones negativos de la muestra. Este fenómeno se puede explicar por funciones trabajo que son reducidas por la implantación de cesio en la superficie

Espectrómetro de masas

de la muestra. Más electrones secundarios son excitados sobre la superficie de la barrera de potencial. Incrementar la disponibilidad de electrones lleva a la formación de iones negativos.

Funcionamiento

En términos generales, moléculas diversas tienen masas diversas, hecho utilizado por un espectrómetro de masas para determinar qué moléculas están presentes en una muestra. Por ejemplo, se vaporiza sal de mesa (NaCl) y se analizan los iones en la primera parte del espectrómetro de masa. Esto produce iones del sodio e iones del cloro que tienen pesos moleculares específicos. Estos iones también tienen una carga, que significa que debido a ella tendrán movimiento bajo influencia de un determinado campo eléctrico.

Estos iones se envían a un compartimiento de aceleración y se pasan a través de una lámina metálica. Se aplica un campo magnético a un lado del compartimiento que atrae a cada uno de los iones con la misma fuerza (suponiendo carga idéntica) y se los desvía sobre un detector. Naturalmente, los iones más ligeros se desviarán más que los iones pesados porque la fuerza aplicada a cada ion es igual pero los iones ligeros tienen menos masa. El detector mide exactamente cuán lejos se ha desviado cada ion y, a partir de ese dato se calcula el "cociente masa por unidad de carga". Con esta información es posible determinar con un alto nivel de certeza cuál es la composición química de la muestra original.

Hay muchos tipos de espectrómetros de masas que no solamente analizan los iones, sino que también producen diversos tipos de iones. Sin embargo, todos utilizan campos eléctricos y magnéticos para cambiar la trayectoria iónica de determinada manera.

4.- Usos o aplicaciones tecnológicas

Los radioisótopos son ampliamente usados en medicina nuclear. Permitiendo a los médicos explorar estructuras corporales y funciones in vivo (o sea en cuerpos vivos) con una invasión mínima del paciente.

También se usan en radioterapia para tratar algunos tipos de cáncer y otras condiciones médicas que requieren la destrucción de células malignas.

En ingeniería y o industria se usan como trazadores industriales, radiografiado de soldaduras, especialmente en recipientes de alta presión, curado de plásticos, preservación de alimentos, y fuente de energía para generadores de electricidad.

En agronomía se usan fertilizantes "rotulados" con un isotopo particular, tal como Nitrógeno-15 y Fósforo 32 Permitiendo determinar cuánto absorbe la planta y cuanto se pierde. Posibilitando un mejor manejo de la aplicación del fertilizante.

También la radiación ionizante se viene usando desde hace tiempo para inducir mutaciones genéticas en plantas. Con lo cual ya se han desarrollado más de 1800 variedades de cultivos.

Por medio de estas manipulaciones genéticas se han conseguido ajos, bananas, trigo, chauchas y ajíes. Más resistente a pestes y más adaptables a climas severos.

60Co (cobalto-60) para el tratamiento del cáncer

Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123.

En estudios de química orgánica se usan los isótopos radiactivos como trazadores o rastreadores (por ejemplo, carbono-14) para conocer los mecanismos de reacciones complejas como las de la fotosíntesis, en la que en varias etapas se van formando moléculas más complejas. Para el estudio de la trayectoria de las reacciones químicas en la fotosíntesis se nutre a la planta con dióxido de carbono (CO2) que contiene carbono-14.

- Detección de tejidos oncológicos:

Se emplean decenas de compuestos biológicamente activos marcados con radioisótopos. El radioisótopo más empleado (en aproximadamente el 80% de los estudios) es el 99mTc, (Tecnecio 99) con el cual se puede marcar un radiofármaco que se fijará metabólicamente en un órgano o tejido específico, pudiéndose observar y cuantificar desde el exterior con, por ejemplo, una cámara gamma.

-Estudios de nutrientes vegetales:

Diversos elementos biológicamente activos, dependiendo del medio, de su forma química y propiedades biológicas, circularán y se fijarán en los distintos órganos de las plantas. Empleando compuestos marcados con radioisótopos, se puede estudiar su dinámica. Por ejemplo 59Fe en agregados del suelo; 32P en fertilizantes fosforados; 45Ca, 42K y otros.

5.- Medidas de seguridad

El área designada para el trabajo con material radiactivo se encuentra dentro del laboratorio, el cual se designará exclusivamente en el análisis con materiales radiactivos, quedando definido el lugar en donde será utilizado el material radiactivo como área restringida, sólo tiene acceso el personal autorizado.

El resto de las instalaciones del laboratorio seguirá siendo en todo momento área de acceso normal para el personal no considerado como ocupacionalmente expuesto.

Cuando se deje de utilizar material radiactivo quedando nuevamente como área de acceso normal para que pueda ser limpiado y preparado para otro trabajo. Las zonas de trabajo y almacén de material radiactivo no deben tener colindancia con los pasillos de circulación para el público. Las mesas de trabajo deben tener recubrimiento plástico (resina), evitando así que el material radiactivo derramado, penetre en las fisuras o porosidades y sea depositado en estas. El área que sea designada como almacén, debe estar debidamente señalada, permanecerá con llave en todo momento. La señalización debe hacerse de manera correcta para advertir, de manera clara y precisa, la presencia de material radiactivo, tanto dentro del laboratorio como en las puertas de acceso al mismo.

Esta señalización se debe hacer utilizando el símbolo internacional que indica la presencia de radiaciones y los letreros alusivos al tipo de material con que se esté trabajando y las indicaciones de seguridad que sean necesarias. Se exige que el usuario lea las normas de seguridad cuidadosamente y los principios básicos para el manejo de radioisótopos. Cuando usted este en el área de radioisótopos, ¡¡¡PIENSE!!! Todo el tiempo en lo que usted este haciendo.

Normas de seguridad

1-. Entender la naturaleza del peligro.

2-. Planificar bien el experimento para minimizar la exposición.

3-. Distanciarse lo más posible de la radiación.

4-. Usar el apantallamiento adecuado.

5-. Mantener el material radiactivo en las áreas destinadas al efecto.

6-. Usar vestimenta adecuada (guantes, bata) y dosímetro (los hay de diferentes tipos, los más usuales tienen una película fotográfica y diferentes filtros).

7-. Utilizar guantes para trabajar. No salir del sector con los guantes puestos.

8-. Respetar todas las regulaciones del área de trabajo (no comer ni beber, no pipetear con la boca).

9-. Registrar el uso de isótopos.

10-. Minimizar la acumulación de residuos y eliminarlos de manera apropiada.

11-. Al acabar chequear la posible contaminación propia y del área de trabajo.

12-. No introducir al sector elementos ajenos al mismo, ni efectuar en él otras tareas que las correspondientes al empleo de material radiactivo.

13-. Controlar el área de trabajo frecuentemente para detectar cualquier posible contaminación.

14-. Disponer de recipientes para materiales de deshecho en el sector. Dejar decaer la radiactividad antes de eliminar si se trata de nucleidos de vida media corta.

15-. Lavar los elementos contaminados solamente en la pileta del sector (diseñada para desechar este tipo de contaminantes).

16-. Proteger las mesas de trabajo con papeles por si ocurre alguna salpicadura. Finalizado el trabajo, descartar dichos papeles.

17-. Si hay salpicaduras o derrame de soluciones radiactivas proceder de la siguiente manera:

-Asegurarse de tener los guantes en buen estado.

-Limpiar el líquido con papel absorbente.

-Monitorear la superficie seca, y descontaminar de ser necesario.

-Si no puede descontaminarse en el momento, delimitar el área contaminada y poner un letrero de advertencia.

Procedimiento de emergencia.

El accidente más probable que pudiera ocurrir durante las actividades con el material radiactivo es el derrame accidental de algún reactivo en cuyo caso:

Todo material radiactivo que se derrame se guardará en bolsas de plásticos y en un contenedor apropiado.

Los guantes contaminados se deben lavar antes de quitárselos. Las personas que hayan resultado directamente contaminadas de inmediato deberán quitarse la ropa contaminada, lavarla cuidadosamente así como, las manos y las demás partes del cuerpo que hayan sido contaminadas, esto con suficiente agua y jabón, se deberá frotar con un cepillo sin causar erosiones en la piel, el lavado se hará por algunos minutos y después se debe secar, se debe monitorear la parte afectada, si es necesario, se volverá a lavar hasta disminuir la contaminación siempre que la piel no presente señales de daño.

· En caso que se contamine el área de trabajo, es decir, equipos, piso, mesa, silla, etc., Se evitará su extensión, limpiándolos con detergente y agua hasta lograr la descontaminación. En casos de persistir la contaminación, proteger el área con plomo o aluminio (dependiendo del radioisótopo) e indicar con letreros que es un área contaminada. En caso de contaminación interna, inmediatamente se debe impedir que la sustancia contaminadora se fije en el organismo y favorecer su expulsión. Una medida inmediata es la eliminación mecánica de la sustancia contaminada por vómito o expectoración. · Cuando resulte contaminadas pequeñas heridas abiertas, la herida se debe lavar sin dilatación, y en caso necesario haciéndola sangrar y enviarse al servicio médico. Se debe impedir que la contaminación se extienda a partes del cuerpo no contaminadas y que penetre en el interior del organismo.

6.- Descripción de la actividad de los integrantes del equipo

Todos los integrantes del equipo investigaron sobre el tema en general para así poder saber algo acerca de lo que vamos a exponer.

Después nos dividimos los subtemas, y nos dedicamos a investigar más a fondo sobre el subtema que le toco a cada quien.

Durante todo este proceso de investigación, estuvimos en contacto por medio de correo electrónico, Facebook y hablábamos en persona sobre el avance que tenía cada quien.

Conforme pasaba el tiempo, transcribíamos en la computadora toda la información, y por correo nos la mandábamos para que la fuéramos leyendo y checando. Y para finalizar, realizamos la presentación en Power Point.

Lo que nos costó algo de trabajo, fue el experimento, ya que muchos eran demasiado elaborados y el procedimiento algo difícil, lo de la maqueta se nos ocurrió a último momento, pero ya no teníamos tiempo para realizarla bien, por lo que decidimos fue buscar una foto sobre el experimento “equis” (pongo el nombre) y explicarlo paso a paso.