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NUCLEIDOS Y LA RADIOACTIVIDAD:

Son las posibilidades de  variaciones de la agrupación de los nucleones (protones y neutrones) de un átomo. O sea que los nucleones pueden variar por cantidad de protones o de neutrones o por estructura de agrupamiento. Entonces para definir un nucleído o núclido se debe tener en cuenta los parámetros A, Z y W. Los nucleídos se representan colocando junto a su símbolo químico los valores A y Z.

 

En algunos textos prescinden de colocar el valor de Z (número atómico), pues aporta información redundante con el símbolo porque recordemos que los números atómico (Z) o número de protones es diferente y único en cada uno de los elementos químicos, ejemplo 201Tl. En otros textos los núclidos se representan con el nombre de elemento separado del número másico (A) con un guion así: talio-201.

De acuerdo a lo anterior los nucleídos pueden ser:

  • Igual cantidad de protones (igual # atómico o Z) con diferente cantidad de neutrones, luego tienen diferente número másico (A) → Isótopo.
  • Igual cantidad de protones (igual # atómico o Z), con igual cantidad de neutrones, luego también tienen igual número másico(A), pero la diferencia está en su estructura de agrupamiento que implica diferente nivel de energía de enlace nuclear (W) entre los nucleones → isómero.
  • Tienen diferente cantidad de protones (diferente # atómico o Z), con diferente cantidad de neutrones, pero con igual número másico(A) o sea que son diferentes elementos con el mismo número másico→ isóbaro.
  • Tienen diferente cantidad de protones (diferente # atómico o Z) con diferente número másico(A) pero con igual número de neutrones → Isótonos.

 

ISÓTOPOS:

 

Los isótopos son nucleídos que tienen igual número atómico (Z) porque tienen igual número de protones, pero tienen diferente número másico (A) por tener diferente número de neutrones, por ejemplo los  isótopos hidrógeno (tiene 1 protón, cero neutrones y 1 electrón), deuterio (tiene 1 protón, 1 neutrón y 1 electrón) y el tritio (tiene 1 protón, 2 neutrones y 1 electrón). Debido a que en la naturaleza todos los elementos químicos se encuentran en forma de isótopos, la masa atómica de los elementos (que es la que aparece en la tabla periódica) resulta de la media ponderada de los números másicos de sus isótopos. Para escribir un isótopo antes del símbolo químico se escribe el número atómico (Z) y la número másico (A) del isótopo; sin embargo se puede prescindir del Z como se explicó antes y por tanto se describen así: 1H, 2H, 3H, 35C, 37Cl; como sabemos que el Z del H es 1 y del Cl es 17  a pesar que el primer isótopo del H tiene 0 neutrones, el segundo 1 y el tercero 2 neutrones; para el caso del Cl el primero tiene 18 y para el segundo isótopo tiene 20 neutrones. En cuanto a la masa atómica de los elementos H y Cl (no de los isótopos), es el promedio ponderado de sus isótopos entonces la masa atómica del elemento H es 1.008 y la del elemento Cl es 35.45, esto quiere decir que en la naturaleza hay más isótopos 35Cl que 37Cl.

Una característica importante es que todos los isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas del elemento, porque las propiedades químicas de los elementos dependen de los electrones y éstos son iguales en todos los isótopos de un elemento. Las propiedades químicas de los elementos está relacionada con la reactividad o sea con la capacidad de reaccionar con otros elementos (con el H, el O y el agua) en contraposición de las propiedades físicas que son características medibles de los elementos por si solos o sea no necesitan reaccionar para poder conocer sus propiedades físicas. Las propiedades químicas o reactivas son: la electronegatividad (tendencia de un átomo de atraer a otro para formar un compuesto), potencial de ionización, el punto de fusión, el punto de ebullición o sea que los isótopos presentan el  mismo tipo de reacciones y por tanto se metabolizan de la misma forma en el organismo.  Las propiedades físicas son las medibles de cada elemento o sea el color, el brillo, la dureza, tenacidad, ductibilidad, maleabilidad, conducción del calor, conducción de la electricidad,  densidad y fusibilidad.

Finalmente es importante decir que existen isótopos que son estables o sea que su núcleo nunca cambia y otros que son inestables; éstos últimos se estabilizan mediante la radioactividad, por ejemplo el tritio (H-3) es inestable y emite radiación mientras que el H-1 y el H-2 son estables.

 

ISÓMEROS:

Los isómeros son nucleídos que aun teniendo igual número atómico (Z) o sea que tienen igual número de protones e igual número másico (A) o sea que también tienen igual número de neutrones, tienen una energía de enlace nuclear (W) mayor, que mantienen cohesionados los protones y los neutrones en el núcleo en forma mayor, presentando lo que se denomina un estado excitado del núcleo, y siempre tienden hacia la estabilidad o sea hacia la mínima energía emitiendo la energía sobrante. Para distinguirlos se les agrega una letra “m” a su número másico (A) =

 

ISÓBARO:

Tienen diferente cantidad de protones (por tanto tienen diferente número atómico o Z), con diferente número de neutrones, pero con igual número másico (A) o sea son elementos diferentes porque recordemos que cada elemento tiene un Z diferente, entonces si los isóbaros tienen diferente Z son diferentes elementos, ejemplo: 4019K (protones 19 y neutrones 21) es isóbaro de 4020Ca (protones 20 y neutrones 20). Dicho de otra forma más simple son núclidos de elementos diferentes que tienen igual número másico.

 

ISOTONO:

Tienen diferente cantidad de protones (por tanto diferente número atómico o Z), con igual número de neutrones, con diferente número másico (A) o sea son elementos diferentes porque recordemos que cada elemento tiene un Z diferente, entonces si los isótonos tienen diferente Z son diferentes elementos, ejemplo: 3919K (protones 19 y neutrones 20) es isótono de 4020Ca (protones 20 y neutrones 20).

 

ESTABILIDAD DEL NUCLEO DE LOS ATOMOS:

Los protones poseen carga positiva y al estar juntos en el núcleo presentan fuerzas de repulsión de unos contra otros que los alejan, pero en la vida real no se alejan sino que permanecen unidos; esto se logra por la mediación de los neutrones. Entonces para la estabilidad del núcleo se requiere un equilibrio entre la cantidad de protones y neutrones. Todos los elementos poseen isótopos, unos en estado estable y otros inestables (radioactivos).

Cuando el elemento posee menos de 20 protones la estabilidad se da con un número  similar de neutrones, por eso los isotopos de estos elementos que presenten diferencias en la cantidad de neutrones  van a ser radiactivos (inestables). Cuando aumenta el número de protones sea aumenta la fuerza electrostática de repulsión entre ellos y entonces requerimos un número proporcionalmente mayor de neutrones que de protones para poderlo estabilizar.

 

 

RADIONÚCLIDOS O RADIONUCLEIDOS O NUCLEIDOS INESTABLES O NÚCLIDO RADIACTIVO:

Son isómeros que sufren una desintegración espontánea del núcleo con la emisión de partículas elementales (protones, neutrones o electrones) y ondas electromagnéticas (fotones en forma de rayos gamma), fenómeno que se denomina radiación. Cuando se da la radiación el radionúclido se transforma en otro núclido.

La radioactividad fue descubierta por Henri Becquerel (1896) cuando observó que unas sales de uranio (isómeros de uranio en realidad) impresionaban por si solas una placa fotográfica.

 

PROCESO DE DESINTEGRACION RADIACTIVA:

Es el proceso por medio del cual un radionúclido inestable busca su estabilidad, mediante le emisión de partículas elementales (protones, neutrones o electrones) y ondas electromagnéticas (rayos gamma), dando lugar a la aparición de nuevos nucleídos que pueden ser estables o inestables,  y cuando los núclidos resultantes de la desintegración radiactiva son inestables dan origen a nuevos procesos de desintegración radioactiva.

En otras palabras la desintegración radiactiva son los cambios a nivel del núcleo de un núclido radiactivo que se dan con el fin de lograr su estabilidad. Los procesos de desintegración radiactivas son:

  • Desintegración alfa (α),
  • Desintegración beta (β),
  • Capturas de electrones y la
  • Transición isomérica o desintegración gamma (ϒ).

 

Todos estos procesos cumplen tres leyes fundamentales: conservación del número másico,  conservación de la carga eléctrica y conservación de la energía.

 

Desintegración alfa (α):

Se sucede únicamente en átomos pesados que tengan A > a 209 y Z > 82 o sea del Polonio en adelante (84210Po). Consiste en la expulsión de 2 protones y 2 neutrones o sea un núcleo de Helio (24He), la cual se llama partícula alfa (α) y lógicamente el núclido que sufre esta desintegración, que se llama “nucleído o núclido padre” (np) al perder dos protones cambia el Z a Z-2 y por consiguiente se convierte en otro elemento, el cual se llamará “núclido hijo” (nh), el cual tiene un Z con dos protones menos (Z-2). Así mismo el núclido padre (np) al perder 2 protones y 2 neutrones su A se disminuye en 4 o sea que el núclido hijo (nh) será A-4. Entonces hasta este momento la reacción sería:

Recordemos que la suma de los números másicos del núclido hijo (nh) más la partícula α debe ser igual al número másico del núclido padre (np), y esto también se aplica para el Z.

Estas partículas α son de gran tamaño, de gran volumen, de escasa velocidad y poco poder de penetración (son detenidas por el papel); por lo tanto no son peligrosos para la salud.

 

Desintegración Beta (β):

Existen dos tipos de desintegraciones β, uno denominado β+ y otro denominado β-.

Desintegración β+:

Ese tipo de desintegración radiactiva  se presenta en núcleos que tienen muchos protones o sea que la estabilidad se da al disminuirlos, entonces la “solución” que encuentra el átomo es trasformar un protón en un neutrón, de lo cual se suceden dos grandes consecuencias:

  • Formación de un isóbaro como nh: El Z del núclido padre (np) se disminuye en 1 (Z-1) pero continua con igual A porque el protón que se disminuyó se trasformó en neutrón manteniéndose la misma A;  por tanto el núclido hijo (nh) es un núclido de tipo ISÓBARO del núclido padre (np), porque tiene diferente Z que el núclido padre (np) (siendo Z-1) y tiene igual A que el núclido padre (np) pero a despensa de aumentar un neutrón y disminuir un protón.
  • Expulsión de un positrón y un neutrino: La segunda consecuencia es que la carga eléctrica que poseía el protón debe ser liberada del núcleo del átomo, lo cual se da en forma de una partícula con carga positiva (la que poseía el protón) con una masa semejante a la de un electrón, por eso se le llama positrón, la cual se define como la antipartícula del electrón porque tiene la misma masa pero con carga positiva, por esta razón este tipo de desintegración se le llama β+. Sin embargo la expulsión de este positrón no se sucede a la misma velocidad en todas las ocasiones o sea en unas ocasiones es más veloz que en otras, entonces esta diferencia de velocidades hace que aplicando la fórmula de E=m.c2, la liberación de energía y de masa sea diferente dependido de la velocidad a la que se expulse el positrón, entonces se descubrió en neutrino (v),  el cual es una partícula sin carga eléctrica de ahí su nombre de neutrino, que en italiano significa “pequeño neutrón”, partícula esta que posee una mínima masa (por eso es un pequeño neutrón), la cual es la que absorbe la energía diferencial por la velocidad de expulsión de la partícula positrón. Es de notar que esta situación no sucede con la partícula α, pues ésta siempre se expulsa  a la misma velocidad. Un ejemplo de reacción de este tipo de radiación por desintegración β+ es:

 

Al igual que en la desintegración α la suma de los números másicos del núclido hijo (nh) más las del positrón, debe ser igual al número másico del núclido padre (np), y esto también se aplica para el Z.

 

Desintegración β-:

Este tipo de desintegración radiactividad  se presenta en núcleos que tienen muchos neutrones respecto a los protones o sea que la estabilidad se da al disminuirlos, entonces la “solución” que encuentra el átomo es contraria a la que se utiliza en la desintegración β+ o sea es trasformar un neutrón en un protón, de lo cual se suceden dos grandes consecuencias:

  • Formación de un isóbaro como nh: El Z del núclido padre (np) se aumenta en 1 (Z+1) pero continua con igual A porque el neutrón que se disminuyó se trasformó en protón manteniéndose la misma A;  por tanto el núclido hijo (nh) es un núclido de tipo ISÓBARO del núclido padre (np), porque tiene diferente Z que el núclido padre (np) (siendo Z+1) y tiene igual A que el núclido padre (np) pero a despensa de aumentar un protón y disminuir un neutrón.
  • Expulsión de un electrón “pero proveniente del núcleo” y de un antinuetrino La otra consecuencia es la liberación por parte del núcleo de una partícula con una masa muy pequeña y con carga similar a la de un electrón o sea negativa o sea en términos prácticos se da la liberación de un electrón “pero que proviene del núcleo”. Este electrón es producto de la descomposición del neutrón en un protón y un electrón. Igualmente que sucede con la desintegración radiactiva β+ la expulsión del electrón no es con la misma velocidad en todos los casos de esta radiación y por tanto también se expulsa una partícula adicional, que ahora se denomina antineutrino ( ).          

 

Tanto los positrones liberados en la desintegración β+, como los electrones de la desintegración radiactiva β- tienen un menor volumen que las partículas α, además viajan mucho más rápido (similar a la velocidad de la luz), atraviesan estructuras delgadas pero son detenidas por una lámina de aluminio, tienen poder ionizante parcial y en grandes cantidades son nocivos para la salud.

 

Desintegración radioactiva por captura de electrones:

Este proceso se presenta cuando el núcleo tiene una relación de protones superior y entonces la  forma que tiene el núcleo para disminuir la W es capturar un electrón (una carga negativa) de los orbitales más bajos del átomo, y este electrón capturado convierte un protón en un neutrón (o sea es el proceso inverso de la desintegración β- e igual proceso que en la desintegración β+), de lo cual se sucede como consecuencia que el Z del núclido padre (np) se disminuye en 1 (Z-1) pero continua con igual A porque el protón que se disminuyó se trasformó en neutrón manteniéndose la misma A;  por tanto el núclido hijo (nh) es un núclido de tipo ISÓBARO del núclido padre (np), porque tiene diferente Z que el núclido padre (np) (siendo Z-1) y tiene igual A que el núclido padre (np) pero a despensa de aumentar un neutrón y disminuir un protón. 2.

 

  

Desintegración gamma (ϒ) o desintegración radiactiva por emisión de rayos gamma (ϒ) o transición isomérica: 

Cuando un núclido se encuentra inestable porque su núcleo está en estado excitado o sea que posee una W superior a la mínima necesaria para mantener la cohesión de los nucleones o sea que el núclido se encuentra en forma de isómero, para lograr éste núclido su estabilidad lleva a cabo la liberación de la energía “sobrante”, la cual realiza en forma de rayos gamma (ϒ).

Para poder entender este sistema de desintegración radiactiva debemos hacer claridad que la energía se puede trasportar de dos formas, la primera a través de la materia y la segunda sin necesidad de la materia (incluso en el vacío).

La que se trasmiten a través de la materia lo logran al causar la vibración o “deformidades” de las partes de la materia (los átomos) formando ondas dentro de esa materia llamadas ondas mecánicas, como por ejemplo las ondas que trasmiten el sonido, las ondas del agua, etcétera. Pero la energía también puede trasportarse sin utilizar materia y para eso lo hace a través de campos eléctricos y magnéticos.

Un campo eléctrico siempre genera a su alrededor un campo magnético, eso se evidencia en un electroimán (un cable o metal con electricidad recirculando) causa un campo magnético a su alrededor; pero también un campo magnético siempre genera a su alrededor un campo eléctrico, eso se evidencia con los dinamos (en los cuales un imán rodea un cable enrollado,  llamado bobina y cuando el imán se mueve  en círculos alrededor de la bobina, produce electricidad que se acumula en el cable).

Entonces si tenemos un campo eléctrico este genera un campo magnético y ese campo magnético luego genera otro campo eléctrico y ese campo eléctrico luego genera otro magnético y así indefinidamente, y esta alternatividad entre campo eléctrico y magnético (campos que son perpendiculares el uno al otro pero que tienen la misma frecuencia) forma una onda donde un campo se soporta en el otro y por eso no requiere materia para trasportarse y permite que se transmite a través del espacio, incluso del vacío, y este tipo de ondas se denomina onda electromagnética (OEM). 

 

Pero el hecho que no necesite materia para trasportarse no quiere decir que esa energía no pueda atravesar una materia.

Descrito entonces en forma muy simplista las OEMs, retornemos nuevamente al caso del núclido que posee su núcleo en estado excitado, el cual para lograr su estabilidad “decide”, por otro mecanismo de desintegración radiactiva diferente a los que hemos descrito y es la “liberación” de la energía sobrante, pero en este caso sin “liberación o expulsión” de materia junto con esta energía, sino que solo se libera la energía.  O sea en otras palabras que el cambio de energía dentro del núcleo causa la emisión de energía sin masa, y al no poseer masa este tipo de radiación no produce cambios en el Z ni en el A del núclido padre (np), por eso a esta desintegración radiactivas también se le denomina también transición isomérica, sin embrago en la mayoría de los casos está acompañada frecuentemente a otros procesos de desintegración radiactiva previa. Así mismo acabamos de explicar que para que la energía se trasporte lo debe hacer o bien a través de la materia o a través de campos eléctricos y magnéticos o sea a través de las OEMs, y entonces la energía que se libera en este tipo de radiación se trasporta por este último sistema y se denominan ondas o rayos gamma (ϒ), las cuales son unas ondas con altísima frecuencia, muy corta longitud de onda (menor a 0,1 nm de longitud de onda)  y de altísima energía (mayor a 1.000.000.000 eV, comparado con los Rx que tienen 20.000 eV o la luz visible que tiene solo 2 eV); precisamente por esta última caracteriza estos rayos Gamma tienen un gran poder ionizante  y son nocivas para la salud por causar mutaciones. Así mismo estos rayos ϒ tienen alto nivel de penetración (pueden atravesar un muro de concreto o incluso una lámina de plomo). Entonces la condición para que se produzca este tipo de desintegración radiactiva es que el núclido posee un estado excitado del núcleo, como   .

Un ejemplo de reacción es:

RADIONÚCLIDOS ÚTILES EN MEDICINA NUCLEAR:

Los radionúclidos útiles en MN son los que sufren desintegración radiactiva por emisión de positrones (emisores β+), por captura de electrones (CE) y por emisión de rayos gamma (desintegración por transición isomérica). No son útiles los que sufren desintegración por partículas α (porque no tienen poder de penetración) y por emisiones β- (emisores de electrones) porque no contribuyen a la obtención de la imagen y si aumentan la dosis de radiación absorbida por el paciente.