Radionúclido

Átomo que tiene exceso de energía nuclear, lo que lo hace inestable.

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 .

Origen

Natural

En la Tierra, los radionucleidos naturales se dividen en tres categorías: radionucleidos primordiales, radionucleidos secundarios y radionucleidos cosmogénicos .

  • Los radionucleidos se producen en la nucleosíntesis estelar y en las explosiones de supernovas junto con los nucleidos estables. La mayoría se desintegran rápidamente, pero aún se pueden observar astronómicamente y pueden desempeñar un papel en la comprensión de los procesos astronómicos. Los radionucleidos primordiales, como el uranio y el torio , existen en la actualidad porque sus vidas medias son tan largas (>100 millones de años) que aún no se han desintegrado por completo. Algunos radionucleidos tienen vidas medias tan largas (muchas veces la edad del universo) que la desintegración solo se ha detectado recientemente y, para la mayoría de los fines prácticos, se pueden considerar estables, en particular el bismuto-209 : la detección de esta desintegración significó que el bismuto ya no se consideraba estable. Es posible que se observe la desintegración en otros nucleidos, lo que se suma a esta lista de radionucleidos primordiales.
  • Los radionucleidos secundarios son isótopos radiogénicos derivados de la desintegración de los radionucleidos primordiales. Tienen vidas medias más cortas que los radionucleidos primordiales. Surgen en la cadena de desintegración de los isótopos primordiales torio-232 , uranio-238 y uranio-235 . Algunos ejemplos incluyen los isótopos naturales de polonio y radio .
  • Los isótopos cosmogénicos , como el carbono-14 , están presentes porque se forman continuamente en la atmósfera debido a los rayos cósmicos . [6]

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.

Fisión nuclear

Los radionucleidos se producen como resultado inevitable de la fisión nuclear y las explosiones termonucleares . El proceso de fisión nuclear crea una amplia gama de productos de fisión , la mayoría de los cuales son radionucleidos. Se pueden crear más 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 ]

Sintético

El nucleido artificial americio-241 que emite partículas alfa se inserta en una cámara de niebla para su visualización

Los radionucleidos sintéticos se sintetizan deliberadamente utilizando reactores nucleares , aceleradores de partículas o generadores de radionucleidos: [9]

  • Además de extraerse de los residuos nucleares, los radioisótopos pueden producirse deliberadamente con reactores nucleares, aprovechando el alto flujo de neutrones presente. Estos neutrones activan elementos colocados dentro del reactor. Un producto típico de un reactor nuclear es el iridio-192 . Se dice que los elementos que tienen una gran propensión a absorber neutrones en el reactor tienen una sección transversal neutrónica alta .
  • Los aceleradores de partículas, como los ciclotrones, aceleran partículas para bombardear un objetivo y producir radionucleidos. Los ciclotrones aceleran protones en un objetivo para producir radionucleidos emisores de positrones, por ejemplo, flúor-18 .
  • Los generadores de radionúclidos contienen un radionúclido padre que se desintegra para producir un hijo radiactivo. El padre se produce generalmente en un reactor nuclear. Un ejemplo típico es el generador de tecnecio-99m utilizado en medicina nuclear . El padre producido en el reactor es el molibdeno-99 .

Usos

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).

Ejemplos

En la siguiente tabla se enumeran las propiedades de radionucleidos seleccionados, ilustrando la variedad de propiedades y usos.

IsótopoOnortevida mediaDMDE
keV
Modo de formaciónComentarios
Tritio ( 3H )1212,3 añosβ 19CosmogénicoEl 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-10461.387.000 añosβ 556CosmogénicoSe utiliza para examinar la erosión del suelo, la formación del suelo a partir del regolito y la edad de los núcleos de hielo.
Carbono-14685.700 añosβ 156Cosmogénicoutilizado para la datación por radiocarbono
Flúor-1899110 minutosβ + , CE633/1655Cosmogénicofuente de positrones, sintetizada para su uso como radiotrazador médico en exploraciones PET .
Aluminio-261313717.000 añosβ + , CE4004CosmogénicoDatación por exposición de rocas y sedimentos.
Cloro-361719301.000 añosβ , CE709CosmogénicoDatación por exposición de rocas, trazador de aguas subterráneas
Potasio-4019211,24 × 109 añosβ , CE1330 /1505PrimordialSe utiliza para la datación potasio-argón , fuente de argón atmosférico , fuente de calor radiogénico , la mayor fuente de radiactividad natural.
Calcio-41202199.400 añosCECosmogénicoDatación por exposición de rocas carbonatadas
Cobalto-6027335,3 añosβ 2824SintéticoProduce rayos gamma de alta energía, utilizados para radioterapia, esterilización de equipos e irradiación de alimentos.
Kriptón-813645229.000 añosβ +Cosmogénicodatación de aguas subterráneas
Estroncio-90385228,8 añosβ 546Producto de fisiónProducto de fisión de vida media ; probablemente el componente más peligroso de la lluvia radiactiva.
Tecnecio-994356210.000 añosβ 294Producto de fisiónIsótopo más común del elemento más ligero e inestable, el más significativo de los productos de fisión de larga duración.
Tecnecio-99m43566 horasγ , IC141SintéticoEl radioisótopo médico más utilizado, utilizado como trazador radiactivo.
Yodo-129537615.700.000 añosβ 194CosmogénicoProducto de fisión de vida más larga ; trazador de aguas subterráneas
Yodo-13153788 díasβ 971Producto de fisiónEl riesgo más importante a corto plazo para la salud que supone la fisión nuclear, utilizado en medicina nuclear, trazador industrial
Xenón-13554819,1 horasβ 1160Producto de fisiónel "veneno nuclear" (absorbente de neutrones) más fuerte conocido, con un efecto importante en el funcionamiento del reactor nuclear.
Cesio-137558230,2 añosβ 1176Producto de fisiónOtro importante producto de fisión de vida media que suscita preocupación
Gadolinio-1536489240 díasCESintéticoCalibración de equipos nucleares, detección de densidad ósea
Bismuto-209831262,01 × 1019 añosalfa3137PrimordialConsiderado durante mucho tiempo estable, la descomposición solo se detectó en 2003
Polonio-21084126138 díasalfa5307Producto de descomposiciónAltamente tóxico, utilizado en el envenenamiento de Alexander Litvinenko.
Radón-222861363,8 díasalfa5590Producto de descomposiciónEl 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-232901421,4 × 1010 añosalfa4083PrimordialBase del ciclo del combustible del torio
Uranio-235921437 × 108 añosalfa4679Primordialfisible , principal combustible nuclear
Uranio-238921464,5 × 109 añosalfa4267PrimordialIsótopo principal del uranio
Plutonio-2389414487,7 añosalfa5593SintéticoSe utiliza en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) y unidades de calentamiento de radioisótopos como fuente de energía para naves espaciales.
Plutonio-2399414524.110 añosalfa5245SintéticoSe utiliza para la mayoría de las armas nucleares modernas.
Americio-24195146432 añosalfa5486SintéticoSe utiliza en detectores de humo domésticos como agente ionizante.
Californio-252981542,64 añosα/SF6217SintéticoSufre 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

Detectores de humo domésticos

Contenedor de americio-241 en un detector de humo.
Cápsula de americio-241 que se encuentra en un detector de humo. El círculo de metal más oscuro en el centro es americio-241; la carcasa que lo rodea es de aluminio.

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]

Impactos sobre los organismos

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]

Tabla resumen de clases de nucleidos, estables y radiactivos

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 estabilidadNúmero de nucleidosTotal acumuladoNotas sobre el total acumulado
Teóricamente estable a todo excepto a la desintegración del protón.9090Incluye 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-93.56146Todos 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.105251Total de nucleidos clásicamente estables .
Nuclidos primordiales radiactivos .35286Los 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.61347El 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 .662989Estos 989 nucleidos están enumerados en el artículo Lista de nucleidos .
Radiactivo sintético (vida media < 1,0 hora).>2400>3300Incluye todos los nucleidos sintéticos bien caracterizados.

Lista de radionucleidos disponibles comercialmente

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.

Sólo emisión gamma

IsótopoActividadVida mediaEnergías ( keV )
Bario-1339694 TBq/kg (262 Ci/g)10,7 años81.0, 356.0
Cadmio-10996200 TBq/kg (2600 Ci/g)453 días88.0
Cobalto-57312280 TBq/kg (8440 Ci/g)270 días122.1
Cobalto-6040700 TBq/kg (1100 Ci/g)5,27 años1173,2, 1332,5
Europio-1526660 TBq/kg (180 Ci/g)13,5 años121,8, 344,3, 1408,0
Manganeso-54287120 TBq/kg (7760 Ci/g)312 días834.8
Sodio-22237 540 Tbq/kg (6240 Ci/g)2,6 años511.0, 1274.5
Zinc-65304510 TBq/kg (8230 Ci/g)244 días511.0, 1115.5
Tecnecio-99m1,95 × 10 7  TBq/kg (5,27 × 10 5 Ci/g)6 horas140

Solo emisión beta

IsótopoActividadVida mediaEnergías (keV)
Estroncio-905180 TBq/kg (140 Ci/g)28,5 años546.0
Talio-20417057 TBq/kg (461 Ci/g)3,78 años763.4
Carbono-14166,5 TBq/kg (4,5 Ci/g)5730 años49,5 (promedio)
Tritio (hidrógeno-3)357050 TBq/kg (9650 Ci/g)12,32 años5,7 (promedio)

Solo emisión alfa

IsótopoActividadVida mediaEnergías (keV)
Polonio-210166 500 TBq/kg (4500 Ci/g)138.376 días5304.5
Uranio-23812580 kBq/kg (0,00000034 Ci/g)4.468 mil millones de años4267

Múltiples emisores de radiación

IsótopoActividadVida mediaTipos de radiaciónEnergías (keV)
Cesio-1373256 TBq/kg (88 Ci/g)30,1 añosGamma y betaG: 32, 661.6 B: 511.6, 1173.2
Americio-241129,5 TBq/kg (3,5 Ci/g)432,2 añosGamma y alfaSol: 59,5, 26,3, 13,9 A: 5485, 5443

Véase también

Notas

  1. ^ Petrucci, RH; Harwood, WS; Herring, FG (2002). Química general (8.ª ed.). Prentice-Hall. págs. 1025-26. ISBN 0-13-014329-4.
  2. ^ "Decadencia y vida media" . Consultado el 14 de diciembre de 2009 .
  3. ^ Stabin, Michael G. (2007). "3". En Stabin, Michael G (ed.). Protección radiológica y dosimetría: una introducción a la física de la salud (manuscrito enviado). Springer . doi :10.1007/978-0-387-49983-3. ISBN 978-0387499826.
  4. ^ Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram (2013). "1.3". Introducción y revisión de la oncología radioterápica . Demos Medical Publishing . ISBN 978-1620700044.
  5. ^ Loveland, W.; Morrissey, D.; Seaborg, GT (2006). Química nuclear moderna . Wiley-Interscience. p. 57. Bibcode :2005mnc..book.....L. ISBN 978-0-471-11532-8.
  6. ^ Eisenbud, Merril; Gesell, Thomas F (25 de febrero de 1997). Radiactividad ambiental: de fuentes naturales, industriales y militares. Elsevier. pág. 134. ISBN 9780122351549.
  7. ^ Bagnall, KW (1962). "La química del polonio". Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry 4. Nueva York: Academic Press. págs. 197–226. doi:10.1016/S0065-2792(08)60268-X. ISBN 0-12-023604-4 . Consultado el 14 de junio de 2012, pág. 746. 
  8. ^ Bagnall, KW (1962). "La química del polonio". Avances en química inorgánica y radioquímica 4. Nueva York: Academic Press., pág. 198.
  9. ^ "Radioisótopos". www.iaea.org . 2016-07-15 . Consultado el 2023-06-25 .
  10. ^ Ingvar, David H. [en sueco] ; Lassen, Niels A. (1961). "Determinación cuantitativa del flujo sanguíneo cerebral regional en el hombre". The Lancet . 278 (7206): 806–807. doi :10.1016/s0140-6736(61)91092-3.
  11. ^ Ingvar, David H. [en sueco] ; Franzén, Göran (1974). "Distribución de la actividad cerebral en la esquizofrenia crónica". The Lancet . 304 (7895): 1484–1486. ​​doi :10.1016/s0140-6736(74)90221-9. PMID  4140398.
  12. ^ Lassen, Niels A. ; Ingvar, David H. [en sueco] ; Skinhøj, Erik [en danés] (octubre de 1978). "Función cerebral y flujo sanguíneo". Scientific American . 239 (4): 62–71. Bibcode :1978SciAm.239d..62L. doi :10.1038/scientificamerican1078-62. PMID  705327.
  13. ^ Severijns, Nathal; Beck, Marcus; Naviliat-Cuncic, Oscar (2006). "Pruebas del modelo electrodébil estándar en la desintegración beta nuclear". Reseñas de Física Moderna . 78 (3): 991–1040. arXiv : nucl-ex/0605029 . Código Bibliográfico :2006RvMP...78..991S. doi :10.1103/RevModPhys.78.991. S2CID  18494258.
  14. ^ "Detectores de humo y americio". world-nuclear.org . Archivado desde el original el 12 de noviembre de 2010.
  15. ^ Oficina de Protección Radiológica – Hoja informativa sobre Am 241 – Departamento de Salud del Estado de Washington Archivado el 18 de marzo de 2011 en Wayback Machine
  16. ^ "Radiaciones ionizantes, efectos sobre la salud y medidas de protección". Organización Mundial de la Salud. Noviembre de 2012. Consultado el 27 de enero de 2014 .
  17. ^ "Detectives cósmicos". Agencia Espacial Europea (ESA). 2 de abril de 2013. Consultado el 15 de abril de 2013 .
  18. ^ Los datos de la tabla se obtienen contando los miembros de la lista; consulte WP:CALC . Las referencias a los datos de la lista se dan a continuación en la sección de referencias de la lista de nucleidos.

Referencias

  • Carlsson, J.; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Stigbrand, T; Tennvall, J; et al. (2003). "Terapia tumoral con radionúclidos: evaluación del progreso y problemas". Radioterapia y Oncología . 66 (2): 107–117. doi :10.1016/S0167-8140(02)00374-2. PMID  12648782.
  • "Radioisótopos en la industria". Asociación Nuclear Mundial . Archivado desde el original el 27 de febrero de 2013. Consultado el 2 de mayo de 2008 .
  • Martin, James (2006). Física para la protección radiológica: un manual . John Wiley & Sons. pág. 130. ISBN 978-3527406111.

Lectura adicional

  • Luig, H.; Kellerer, AM; Griebel, JR (2011). "Radionucleidos, 1. Introducción". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi :10.1002/14356007.a22_499.pub2. ISBN 978-3527306732.
  • EPA – Radionucleidos – Programa de protección radiológica de la EPA: información.
  • FDA – Radionúclidos – Programa de protección radiológica de la FDA: información.
  • Gráfico interactivo de nucleidos: un gráfico de todos los nucleidos
  • Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos: fuente de radionucleidos del gobierno de EE. UU.: producción, investigación, desarrollo, distribución e información
  • El gráfico en tiempo real de los nucleidos – OIEA
  • Simulador de producción de radionucleidos – OIEA
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