Un radionúclido ( nucleido radiactivo , radioisótopo o isótopo radiactivo ) es un nucleido que tiene un exceso de neutrones o protones , lo que le da un exceso de energía nuclear y lo vuelve inestable. Este exceso de energía se puede utilizar de una de tres maneras: emitido desde el núcleo como radiación gamma ; transferido a uno de sus electrones para liberarlo como un electrón de conversión ; o utilizado para crear y emitir una nueva partícula ( partícula alfa o partícula beta ) desde el núcleo. Durante esos procesos, se dice que el radionúclido sufre desintegración radiactiva . [1] Estas emisiones se consideran radiación ionizante porque son lo suficientemente energéticas como para liberar un electrón de otro átomo. La desintegración radiactiva puede producir un nucleido estable o, a veces, producirá un nuevo radionúclido inestable que puede sufrir una desintegración adicional. La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales: es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. [2] [3] [4] [5] Sin embargo, para un conjunto de átomos de un único nucleido, la tasa de desintegración y, por tanto, la vida media ( t 1/2 ) para ese conjunto, se pueden calcular a partir de sus constantes de desintegración medidas . El rango de las vidas medias de los átomos radiactivos no tiene límites conocidos y abarca un rango de tiempo de más de 55 órdenes de magnitud.
Los radionucleidos se producen de forma natural o artificial en reactores nucleares , ciclotrones , aceleradores de partículas o generadores de radionucleidos . Hay unos 730 radionucleidos con vidas medias superiores a 60 minutos (véase la lista de nucleidos ). Treinta y dos de ellos son radionucleidos primordiales que se crearon antes de que se formara la Tierra. Al menos otros 60 radionucleidos son detectables en la naturaleza, ya sea como descendientes de radionucleidos primordiales o como radionucleidos producidos a través de la producción natural en la Tierra por la radiación cósmica. Más de 2400 radionucleidos tienen vidas medias inferiores a 60 minutos. La mayoría de ellos solo se producen artificialmente y tienen vidas medias muy cortas. A modo de comparación, hay unos 251 nucleidos estables .
Todos los elementos químicos pueden existir como radionucleidos. Incluso el elemento más ligero, el hidrógeno , tiene un radionucleido bien conocido, el tritio . Los elementos más pesados que el plomo , y los elementos tecnecio y prometio , existen únicamente como radionucleidos.
La exposición no planificada a los radionucleidos generalmente tiene un efecto nocivo sobre los organismos vivos, incluidos los humanos, aunque se producen niveles bajos de exposición de forma natural sin causar daño. El grado de daño dependerá de la naturaleza y la extensión de la radiación producida, la cantidad y la naturaleza de la exposición (contacto cercano, inhalación o ingestión) y las propiedades bioquímicas del elemento; siendo el aumento del riesgo de cáncer la consecuencia más habitual. Sin embargo, los radionucleidos con propiedades adecuadas se utilizan en medicina nuclear tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. Un trazador de imágenes elaborado con radionucleidos se denomina trazador radiactivo . Un fármaco farmacéutico elaborado con radionucleidos se denomina radiofármaco .
En la Tierra, los radionucleidos naturales se dividen en tres categorías: radionucleidos primordiales, radionucleidos secundarios y radionucleidos cosmogénicos .
Muchos de estos radionucleidos existen sólo en cantidades traza en la naturaleza, incluidos todos los nucleidos cosmogénicos. Los radionucleidos secundarios se producen en proporción a sus vidas medias, por lo que los de vida corta serán muy raros. Por ejemplo, el polonio se puede encontrar en minerales de uranio en alrededor de 0,1 mg por tonelada métrica (1 parte en 10 10 ). [7] [8] Otros radionucleidos pueden aparecer en la naturaleza en cantidades prácticamente indetectables como resultado de eventos raros como la fisión espontánea o interacciones poco comunes con rayos cósmicos.
Los radionucleidos se producen como resultado inevitable de la fisión nuclear y las explosiones termonucleares . El proceso de fisión nuclear crea una amplia gama de productos de fisión , la mayoría de los cuales son radionucleidos. Se pueden crear más radionucleidos a partir de la irradiación del combustible nuclear (creando una gama de actínidos ) y de las estructuras circundantes, lo que produce productos de activación . Esta compleja mezcla de radionucleidos con diferentes químicas y radiactividad hace que la manipulación de los residuos nucleares y el tratamiento de la lluvia radiactiva sean particularmente problemáticos. [ cita requerida ]
Los radionucleidos sintéticos se sintetizan deliberadamente utilizando reactores nucleares , aceleradores de partículas o generadores de radionucleidos: [9]
Los radionucleidos se utilizan de dos maneras principales: ya sea por su radiación únicamente ( irradiación , baterías nucleares ) o por la combinación de propiedades químicas y su radiación (trazadores, productos biofarmacéuticos).
En la siguiente tabla se enumeran las propiedades de radionucleidos seleccionados, ilustrando la variedad de propiedades y usos.
Isótopo | O | norte | vida media | DM | DE keV | Modo de formación | Comentarios |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Tritio ( 3H ) | 1 | 2 | 12,3 años | β − | 19 | Cosmogénico | El radionúclido más ligero, utilizado en la fusión nuclear artificial , también se utiliza para la radioluminiscencia y como trazador transitorio oceánico. Se sintetiza a partir del bombardeo de neutrones de litio-6 o deuterio. |
Berilio-10 | 4 | 6 | 1.387.000 años | β − | 556 | Cosmogénico | Se utiliza para examinar la erosión del suelo, la formación del suelo a partir del regolito y la edad de los núcleos de hielo. |
Carbono-14 | 6 | 8 | 5.700 años | β − | 156 | Cosmogénico | utilizado para la datación por radiocarbono |
Flúor-18 | 9 | 9 | 110 minutos | β + , CE | 633/1655 | Cosmogénico | fuente de positrones, sintetizada para su uso como radiotrazador médico en exploraciones PET . |
Aluminio-26 | 13 | 13 | 717.000 años | β + , CE | 4004 | Cosmogénico | Datación por exposición de rocas y sedimentos. |
Cloro-36 | 17 | 19 | 301.000 años | β − , CE | 709 | Cosmogénico | Datación por exposición de rocas, trazador de aguas subterráneas |
Potasio-40 | 19 | 21 | 1,24 × 109 años | β − , CE | 1330 /1505 | Primordial | Se utiliza para la datación potasio-argón , fuente de argón atmosférico , fuente de calor radiogénico , la mayor fuente de radiactividad natural. |
Calcio-41 | 20 | 21 | 99.400 años | CE | Cosmogénico | Datación por exposición de rocas carbonatadas | |
Cobalto-60 | 27 | 33 | 5,3 años | β − | 2824 | Sintético | Produce rayos gamma de alta energía, utilizados para radioterapia, esterilización de equipos e irradiación de alimentos. |
Kriptón-81 | 36 | 45 | 229.000 años | β + | Cosmogénico | datación de aguas subterráneas | |
Estroncio-90 | 38 | 52 | 28,8 años | β − | 546 | Producto de fisión | Producto de fisión de vida media ; probablemente el componente más peligroso de la lluvia radiactiva. |
Tecnecio-99 | 43 | 56 | 210.000 años | β − | 294 | Producto de fisión | Isótopo más común del elemento más ligero e inestable, el más significativo de los productos de fisión de larga duración. |
Tecnecio-99m | 43 | 56 | 6 horas | γ , IC | 141 | Sintético | El radioisótopo médico más utilizado, utilizado como trazador radiactivo. |
Yodo-129 | 53 | 76 | 15.700.000 años | β − | 194 | Cosmogénico | Producto de fisión de vida más larga ; trazador de aguas subterráneas |
Yodo-131 | 53 | 78 | 8 días | β − | 971 | Producto de fisión | El riesgo más importante a corto plazo para la salud que supone la fisión nuclear, utilizado en medicina nuclear, trazador industrial |
Xenón-135 | 54 | 81 | 9,1 horas | β − | 1160 | Producto de fisión | el "veneno nuclear" (absorbente de neutrones) más fuerte conocido, con un efecto importante en el funcionamiento del reactor nuclear. |
Cesio-137 | 55 | 82 | 30,2 años | β − | 1176 | Producto de fisión | Otro importante producto de fisión de vida media que suscita preocupación |
Gadolinio-153 | 64 | 89 | 240 días | CE | Sintético | Calibración de equipos nucleares, detección de densidad ósea | |
Bismuto-209 | 83 | 126 | 2,01 × 1019 años | alfa | 3137 | Primordial | Considerado durante mucho tiempo estable, la descomposición solo se detectó en 2003 |
Polonio-210 | 84 | 126 | 138 días | alfa | 5307 | Producto de descomposición | Altamente tóxico, utilizado en el envenenamiento de Alexander Litvinenko. |
Radón-222 | 86 | 136 | 3,8 días | alfa | 5590 | Producto de descomposición | El gas, responsable de la mayor parte de la exposición pública a la radiación ionizante, es la segunda causa más frecuente de cáncer de pulmón. |
Torio-232 | 90 | 142 | 1,4 × 1010 años | alfa | 4083 | Primordial | Base del ciclo del combustible del torio |
Uranio-235 | 92 | 143 | 7 × 108 años | alfa | 4679 | Primordial | fisible , principal combustible nuclear |
Uranio-238 | 92 | 146 | 4,5 × 109 años | alfa | 4267 | Primordial | Isótopo principal del uranio |
Plutonio-238 | 94 | 144 | 87,7 años | alfa | 5593 | Sintético | Se utiliza en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) y unidades de calentamiento de radioisótopos como fuente de energía para naves espaciales. |
Plutonio-239 | 94 | 145 | 24.110 años | alfa | 5245 | Sintético | Se utiliza para la mayoría de las armas nucleares modernas. |
Americio-241 | 95 | 146 | 432 años | alfa | 5486 | Sintético | Se utiliza en detectores de humo domésticos como agente ionizante. |
Californio-252 | 98 | 154 | 2,64 años | α/SF | 6217 | Sintético | Sufre fisión espontánea (3% de desintegraciones), lo que lo convierte en una potente fuente de neutrones, utilizada como iniciador de reactores y para dispositivos de detección. |
Clave: Z = número atómico ; N = número de neutrones ; DM = modo de desintegración; DE = energía de desintegración; EC = captura de electrones
Los radionucleidos están presentes en muchos hogares, ya que se utilizan dentro de los detectores de humo domésticos más comunes . El radionucleido utilizado es el americio-241 , que se crea bombardeando plutonio con neutrones en un reactor nuclear. Se desintegra emitiendo partículas alfa y radiación gamma para convertirse en neptunio-237 . Los detectores de humo utilizan una cantidad muy pequeña de 241 Am (aproximadamente 0,29 microgramos por detector de humo) en forma de dióxido de americio . El 241 Am se utiliza porque emite partículas alfa que ionizan el aire en la cámara de ionización del detector . Se aplica un pequeño voltaje eléctrico al aire ionizado que da lugar a una pequeña corriente eléctrica. En presencia de humo, algunos de los iones se neutralizan, disminuyendo así la corriente, lo que activa la alarma del detector. [14] [15]
Los radionucleidos que llegan al medio ambiente pueden causar efectos nocivos como la contaminación radiactiva . También pueden causar daños si se utilizan en exceso durante el tratamiento o si se exponen de otras formas a los seres vivos, por envenenamiento por radiación . El daño potencial a la salud por la exposición a los radionucleidos depende de varios factores y "puede dañar las funciones de los tejidos y órganos sanos. La exposición a la radiación puede producir efectos que van desde enrojecimiento de la piel y pérdida de cabello hasta quemaduras por radiación y síndrome de radiación aguda . La exposición prolongada puede provocar daños en las células y, a su vez, provocar cáncer. Los signos de células cancerosas pueden no aparecer hasta años, o incluso décadas, después de la exposición". [16]
A continuación se presenta una tabla resumen de la lista de 989 nucleidos con vidas medias superiores a una hora. En total, 251 nucleidos nunca se han desintegrado y se consideran clásicamente estables. De ellos, se cree que 90 son absolutamente estables, salvo en lo que respecta a la desintegración de protones (que nunca se ha observado), mientras que el resto son " estables desde el punto de vista de la observación " y, en teoría, pueden sufrir desintegración radiactiva con vidas medias extremadamente largas.
Los radionucleidos tabulados restantes tienen vidas medias mayores de 1 hora y están bien caracterizados (ver la lista de nucleidos para una tabulación completa). Incluyen 30 nucleidos con vidas medias medidas mayores que la edad estimada del universo (13.8 mil millones de años [17] ), y otros cuatro nucleidos con vidas medias lo suficientemente largas (> 100 millones de años) como para ser nucleidos primordiales radiactivos , y pueden detectarse en la Tierra, habiendo sobrevivido de su presencia en el polvo interestelar desde antes de la formación del Sistema Solar , hace unos 4.6 mil millones de años. Otros 60+ nucleidos de vida corta pueden detectarse de forma natural como hijos de nucleidos de vida más larga o productos de rayos cósmicos. Los nucleidos conocidos restantes se conocen únicamente por transmutación nuclear artificial .
Las cifras no son exactas y pueden cambiar ligeramente en el futuro, ya que se observa que los "nucleidos estables" son radiactivos con vidas medias muy largas.
Esta es una tabla resumen [18] para los 989 nucleidos con vidas medias mayores a una hora (incluidos aquellos que son estables), que figuran en la lista de nucleidos .
Clase de estabilidad | Número de nucleidos | Total acumulado | Notas sobre el total acumulado |
---|---|---|---|
Teóricamente estable a todo excepto a la desintegración del protón. | 90 | 90 | Incluye los primeros 40 elementos. La desintegración de protones aún no se ha observado. |
Teóricamente estable a la desintegración alfa , la desintegración beta , la transición isomérica y la desintegración beta doble , pero no a la fisión espontánea , lo cual es posible para los nucleidos "estables" ≥ niobio-93. | 56 | 146 | Todos los nucleidos que sean posiblemente completamente estables (nunca se ha observado fisión espontánea para nucleidos con número de masa < 232). |
Energéticamente inestable a uno o más modos de desintegración conocidos, pero aún no se ha observado desintegración. Todos se consideran "estables" hasta que se detecte la desintegración. | 105 | 251 | Total de nucleidos clásicamente estables . |
Nuclidos primordiales radiactivos . | 35 | 286 | Los elementos primordiales totales incluyen uranio , torio , bismuto , rubidio-87 , potasio-40 , telurio-128 más todos los nucleidos estables. |
Radiactivo no primordial, pero presente de forma natural en la Tierra. | 61 | 347 | El carbono-14 (y otros isótopos generados por los rayos cósmicos ) y los elementos hijos de los elementos primordiales radiactivos, como el radio , el polonio , etc., 41 de estos tienen una vida media superior a una hora. |
Vida media sintética radiactiva ≥ 1,0 horas). Incluye la mayoría de los radiotrazadores útiles . | 662 | 989 | Estos 989 nucleidos están enumerados en el artículo Lista de nucleidos . |
Radiactivo sintético (vida media < 1,0 hora). | >2400 | >3300 | Incluye todos los nucleidos sintéticos bien caracterizados. |
Esta lista incluye isótopos comunes, la mayoría de los cuales están disponibles en cantidades muy pequeñas para el público en general en la mayoría de los países. Otros que no son de acceso público se comercializan en los campos industrial, médico y científico y están sujetos a regulación gubernamental.
Isótopo | Actividad | Vida media | Energías ( keV ) |
---|---|---|---|
Bario-133 | 9694 TBq/kg (262 Ci/g) | 10,7 años | 81.0, 356.0 |
Cadmio-109 | 96200 TBq/kg (2600 Ci/g) | 453 días | 88.0 |
Cobalto-57 | 312280 TBq/kg (8440 Ci/g) | 270 días | 122.1 |
Cobalto-60 | 40700 TBq/kg (1100 Ci/g) | 5,27 años | 1173,2, 1332,5 |
Europio-152 | 6660 TBq/kg (180 Ci/g) | 13,5 años | 121,8, 344,3, 1408,0 |
Manganeso-54 | 287120 TBq/kg (7760 Ci/g) | 312 días | 834.8 |
Sodio-22 | 237 540 Tbq/kg (6240 Ci/g) | 2,6 años | 511.0, 1274.5 |
Zinc-65 | 304510 TBq/kg (8230 Ci/g) | 244 días | 511.0, 1115.5 |
Tecnecio-99m | 1,95 × 10 7 TBq/kg (5,27 × 10 5 Ci/g) | 6 horas | 140 |
Isótopo | Actividad | Vida media | Energías (keV) |
---|---|---|---|
Estroncio-90 | 5180 TBq/kg (140 Ci/g) | 28,5 años | 546.0 |
Talio-204 | 17057 TBq/kg (461 Ci/g) | 3,78 años | 763.4 |
Carbono-14 | 166,5 TBq/kg (4,5 Ci/g) | 5730 años | 49,5 (promedio) |
Tritio (hidrógeno-3) | 357050 TBq/kg (9650 Ci/g) | 12,32 años | 5,7 (promedio) |
Isótopo | Actividad | Vida media | Energías (keV) |
---|---|---|---|
Polonio-210 | 166 500 TBq/kg (4500 Ci/g) | 138.376 días | 5304.5 |
Uranio-238 | 12580 kBq/kg (0,00000034 Ci/g) | 4.468 mil millones de años | 4267 |
Isótopo | Actividad | Vida media | Tipos de radiación | Energías (keV) |
---|---|---|---|---|
Cesio-137 | 3256 TBq/kg (88 Ci/g) | 30,1 años | Gamma y beta | G: 32, 661.6 B: 511.6, 1173.2 |
Americio-241 | 129,5 TBq/kg (3,5 Ci/g) | 432,2 años | Gamma y alfa | Sol: 59,5, 26,3, 13,9 A: 5485, 5443 |