Este documento trata sobre las emisiones radiactivas. Explica el descubrimiento de la radiactividad por parte de Becquerel y los esposos Curie a finales del siglo XIX. Define conceptos clave como número atómico, número de masa, isótopos, isóbaros e isómeros nucleares. Describe los tres tipos principales de emisiones radiactivas - alfa, beta y gamma - y cómo ocurren las desintegraciones nucleares. También explica la estabilidad nuclear y cómo algunos números de neutrones y protones tienden a ser más

1. 2013
QUÍMICA COMÚN
QC-02
EM I S I O N E S RA D I A C T I V A S

2. 2
INTRODUCCIÓN
En química nuclear se estudian las reacciones que implican modificaciones en el núcleo de los
átomos. La ciencia como tal comenzó con el descubrimiento de la Radiactividad (Henry
Becquerel) y los posteriores estudios realizados por los esposos Curie. Hoy en día es una ciencia
controversial, sus fines bélicos y los accidentes en centros nucleares (reactores) han puesto en
tela de juicio los beneficios de la radiactividad para el hombre. La fabricación de bombas
nucleares, bombas de hidrógeno, de neutrones y la complejidad en el tratamiento de desechos
radiactivos han movilizado por años a entidades ligadas al medio ambiente y gobiernos a
replantearse el uso masivo de la energía nuclear.
A pesar de lo anterior, su uso pacífico ha contribuido enormemente en campos como la medicina,
la agricultura y la paleontología. Junto con ello, los reactores de energía han permitido convertir
eficientemente la energía nuclear en energía eléctrica a un costo menor y sin el uso indiscriminado
de combustible fósil.
CONCEPTOS PRELIMINARES
Las emisiones atómicas y los efectos de la radiación serán tratados en este capítulo. Ya se
analizaron los principales modelos atómicos de modo que la comprensión del fenómeno de la
radiactividad se hará más sencilla. En esta guía se anexa además el descubrimiento de los rayos X
y algunos conceptos preliminares que simplifican el análisis.
DEFINICIONES
NÚMERO ATÓMICO (Z)
Corresponde a la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo, este número identifica
e individualiza a un elemento. Si el átomo es neutro, el número atómico coincide con el número
de electrones.
Notación representada: zX: 13Al ; 8O ; 92U
NÚMERO DE MASA O NÚMERO MÁSICO (A)
Se define número másico como la cantidad total de partículas presentes en el núcleo de un átomo
(nucleones).
El número másico es adimensional, no indica la masa de un átomo, sólo el número de partículas
(neutrones y protones), de modo que para calcular la masa de los átomos debe considerarse su
abundancia en la naturaleza.
A = Z + n

3. 3
ISÓTOPOS
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones. Por lo
tanto, los isótopos de un elemento deben presentar el mismo número atómico (Z).
Los isótopos de un elemento tienen distinto número másico (A), de modo que la masa contenida
en el núcleo también es distinta. A pesar de esta diferencia, todos los isótopos de un elemento
presentan el mismo comportamiento químico (coinciden en el número de electrones)
Ejemplos: 16 17 18
8 8 8O ; O ; O isótopos del oxígeno
En la tabla periódica vemos un valor promedio (peso atómico), para cada elemento y debe
entenderse como tal, es decir, un valor medio de la abundancia isotópica para cada uno de ellos
en la naturaleza.
ISOBAROS
Son átomos de elementos distintos con el mismo número de partículas en el núcleo (igual A). Los
isobaros coinciden sólo en el número A, no presentan el mismo comportamiento químico y
tampoco tienen la misma cantidad de electrones.
Ejemplos: 14
6 C y 14
7 N
ISOTONOS
Átomos de distintos elementos con igual cantidad de neutrones.
Ejemplos: 3
1 H y 4
2 He
IONES Y ÁTOMOS ISOELECTRÓNICOS
Iones de diferentes elementos con igual cantidad de electrones.
Ejemplos: 24
12 Mg+2
y 16
8 O-2
LOS RAYOS X
En el año 1895 Wilhelm Röentgen descubrió los rayos X. Estudiando las emisiones de luz de un
tubo de descarga eléctrica observó que una pantalla cubierta con una sal fluorescente destellaba
cada vez que conectaba el tubo de descarga.
Röentgen tenía claro que los rayos catódicos eran emisiones que no podían atravesar el tubo de
vidrio, sin embargo y por alguna razón, una radiación “invisible” atravesaba las paredes e
impactaba la pantalla. Comprobó también que el poder de penetración era sorprendente. Puso
ciertos obstáculos entre la pantalla y la emisión (metales, madera, vidrio, etc.) y sin embargo,
persistía la luminosidad. Supuso que era radiación de alta energía pero de naturaleza
desconocida. Por esta razón le denominó radiaciones X. Sólo en 1912 el físico alemán Max Von
Laue determinó la naturaleza electromagnética de los rayos X.

4. 4
Explicación al fenómeno:
Los rayos X que descubrió Röentgen se generan en el interior de un tubo de descarga, cuando
colisiona un haz de rayos catódicos con un blanco metálico (trozo de metal) dispuesto entre
ambos electrodos. Los electrones provenientes del rayo catódico inciden sobre el metal, excitando
sus propios electrones, generando una radiación de frenado de alta frecuencia denominada rayo
X.
PROPIEDADES DE LOS RAYOS X

5. 5
EL FENÓMENO DE LA RADIACTIVIDAD
La Radiactividad fue descubierta en forma accidental en 1896 por el científico francés Antoine
Henry Becquerel. Es una de las emisiones de energía atómica más sorprendentes y de mayor
utilidad a la fecha. Estudiando un mineral de Uranio (pechblenda), Becquerel observó
fosforescencia (propiedad de ciertos materiales que les permite absorber energía y emitirla
luego en forma de radiación) sin que el mineral hubiera sido expuesto previamente a la luz.
Comprobó que el mineral emitía radiación capaz de marcar una placa fotográfica.
Al igual que los rayos X, los rayos provenientes del mineral pechblenda eran de alta energía y fue
imposible desviarlos con un campo electromagnético externo. Sin embargo, diferían de los rayos
X, puesto que se emitían de manera espontánea del material de uranio.
Marie Curie y su esposo Pierre, comenzaron a estudiar el fenómeno y descubrieron que otros
minerales tenían la misma propiedad que la pechblenda. Determinaron que el fenómeno era
exclusivo del núcleo de los átomos.
En 1902 Ernest Rutherford demostró que la radiactividad generaba transformaciones espontáneas
y de este modo un elemento puede transformarse en otro. En 1903 Marie, Pierre y Becquerel
recibieron el Nobel de Física por el descubrimiento de la radiactividad natural. Finalmente en 1911
Marie Curie aisló el Radio y obtuvo su masa atómica, el descubrimiento le significó un segundo
premio Nobel.
DESINTEGRACIÓN DEL NÚCLEO
Cuando un átomo se encuentra inestable en el núcleo, emite radiaciones de forma espontánea.
Muchas veces, también, es estable nuclearmente pero es posible inducir artificialmente
radiactividad bombardeándolo con partículas. Esto se hace regularmente en los reactores
nucleares con átomos livianos que no son radiactivos. En ambos casos, el fenómeno ocurre con
liberación de energía y los núcleos hijos generados son siempre más estables que el predecesor.
La forma de representar estos tipos de reacciones es la siguiente:
196 192 4
84 82 2Po Pb + He EMISIÓN ESPONTÁNEA  radiactividad natural.
27 4 30 1
13 2 15 0Al + He P + n EMISIÓN ARTIFICIAL  radiactividad artificial.

6. 6
Se conocen comúnmente 3 tipos de emisiones radiactivas, todas acompañadas de liberación de
energía:
Emisión de partículas alfa ( )
Emisión de partículas beta ( )
Emisión de rayos gamma ( )
EMISIÓN ALFA ( 4 +2
2He ):
Son partículas con carga positiva +2 y 4 unidades de masa atómica. Corresponden a núcleos de
Helio y presentan bajo poder de penetración en la materia, pero gran capacidad ionizante
238 234 4
92 90 2U Th + He
EMISIÓN BETA ( 0
-1e )
Son partículas con carga negativa (electrones) que viajan a gran velocidad. Se desvían frente a un
campo electromagnético y son mucho más penetrantes que las radiaciones alfa. Las emisiones
beta provienen del núcleo producto de la desintegración de un neutrón. De modo que el núcleo
que las emite aumenta en 1 su número atómico (un neutrón se transforma en protón) y mantiene
constante su número de masa (debemos mencionar que protón y neutrón tienen masas similares,
1 uma).
234 234 0
-190 91Th Pa+ e
EMISIÓN GAMMA ( )
Corresponde a radiación electromagnética de alta energía y que no presenta masa. La emisión
gamma tiene lugar cuando un radioelemento existe en 2 formas distintas (isómeros nucleares),
ambos con el mismo número atómico y número másico pero con diferente energía. La emisión de
rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma estable. Un
ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234 (Pa), que existe con 2 estados de energía
diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.
234 *
91
234
91Pa Pa+
En la emisión de rayos gamma no hay cambios en el número de protones y neutrones en el núcleo
por lo tanto, no hay transmutación (cambio en la identidad de un átomo).

7. 7
TRANSMUTACIÓN
La transmutación es un fenómeno donde un átomo se transforma en otro, por cambio en el
número de protones. Esta transformación puede ser natural cuando un átomo emite radiaciones
y o cuando se bombardea con neutrones un átomo que no es radiactivo. El nuevo elemento
puede ser también radiactivo y seguirá emitiendo hasta transformarse en otro, tantas veces,
como sea necesario. Lo anterior se conoce como serie radiactiva natural.
ESTABILIDAD NUCLEAR
Como ya se ha visto, es muy común que los elementos presenten isótopos, o sea, que existan
varios átomos del mismo elemento con distinta masa (A).
En radiactividad se utiliza con frecuencia el término núclido para aquellas especies con un
número definido de protones (Z) y neutrones (n), de modo que cada átomo se considera un
núclido. Ahora bien, varios núclidos con el mismo Z se consideran isótopos. El objetivo de
introducir esta nueva clasificación radica en que todos aquellos núclidos que emiten radiaciones se
denominan formalmente radionúclidos.
Un radionúclido, entonces, es la forma inestable de un elemento que libera radiación a
medida que se descompone y se vuelve más estable. Los radionúclidos se pueden presentar en la
naturaleza o producir en el laboratorio. En el campo de la medicina, por ejemplo, se usan para las
pruebas de imaginología y para tratamiento con radioterapia (radioisótopos). Así,
12
6 C y
13
6 C, por
ejemplo, son núclidos, mientras que
14
6 C es un radionúclido, (eso, además de que los tres son
isótopos del Carbono).
ESTABILIDAD ATÓMICA
Cuando se analiza la estabilidad de los núcleos atómicos
siempre surge la misma pregunta, ¿por qué unos átomos son
estables mientras que otros no?, la respuesta se encuentra
cuando se analiza el núcleo atómico.
Resulta difícil explicar cómo protones y neutrones se mantienen
unidos y cómo se mantiene la estabilidad (a pesar de que el
núcleo presenta partículas de gran masa y carga eléctrica
idénticas haciendo evidente la repulsión entre ellas). La
explicación al fenómeno guarda relación con las denominadas
interacciones de corto alcance que se establecen entre
neutrón-neutrón, neutrón-protón y por extraño que parezca
protón-protón. Estas interacciones de corto alcance (fuerzas
atractivas) permiten mantener unidos a los nucleones.
Como se aprecia en la gráfica, hasta Z=20 los átomos son
estables, con igual cantidad de neutrones y protones, a medida
que Z aumenta se necesitan más neutrones para estabilizar al núcleo puesto que las repulsiones
aumentan.
Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones tienden a ser más estables
que otros átomos. Por ejemplo, existen 10 isótopos estables para el estaño (Z=50) y sólo 2 para
el antimonio (Z=51). La importancia de los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 para la estabilidad
nuclear es similar a la del número de electrones asociados a la estabilidad electrónica de los gases
nobles.

8. 8
TIEMPO DE VIDA MEDIO (t½)
Si bien todos los elementos radiactivos emiten partículas para lograr la estabilidad energética, la
velocidad a la cual ocurren estas emisiones es distinta para cada núcleo aunque se emita el
mismo tipo de partículas. Para medir la velocidad de las emisiones se utiliza una constante
denominada t½, o tiempo de vida promedio, este valor cuantifica el tiempo que tarda un elemento
radiactivo en emitir (desintegrar o transmutar) la mitad de su masa.
PORCENTAJE DE MASA RESIDUAL DE RADIONUCLIDO POR CADA VIDA PROMEDIO
t ½ t ½ t ½ t ½ t ½
100% 50% 25% 12.5% 6.25% 3.125%
El tiempo t½, es absolutamente independiente de la cantidad de masa inicial del elemento, sólo
depende del tipo núcleo que se estudia. Para cada núcleo radiactivo estudiado el valor de t½ es
distinto.
Algunos ejemplos:
Núcleo Emisión t½
Tritio β-
12,33 años
Carbono 14 β -
5730 años
Fósforo 32 β -
14,26 días
Potasio 40 β -
1.280 millones de años
Cobalto 60 γ, β-
5,27 años

9. 9
FENÓMENOS RADIACTIVOS ARTIFICIALES
Cuando se compara la estabilidad de los núcleos atómicos con las masas que presentan se
evidencia una tendencia bastante interesante. La energía interna de los núcleos livianos (energía
que mantiene a los núcleos unidos) es muy baja, pero aumenta rápidamente hasta alcanzar un
máximo (estabilidad) y luego desciende a medida que la masa nuclear aumenta.
Por lo tanto, si los núcleos tratan de estabilizarse entre sí, además de emitir partículas (radiación)
pueden combinarse formando núcleos más pesados. Este fenómeno se denomina, fusión (si es
que los átomos originales presentan baja masa nuclear), o bien, pueden romperse, por fisión, si
es que su masa es excesiva. En cualquiera de los dos casos la liberación de energía es
considerable.
FISIÓN
La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico de alto número másico se
divide en varios núcleos más pequeños y en el proceso libera grandes cantidades de energía.
Muchos núcleos pesados pueden ser inducidos a desarrollar el fenómeno de la fisión pero sólo el
Uranio-235, Uranio-233 y Plutonio-239 tienen una real importancia práctica.
El proceso de fisión del Uranio-235 es el más estudiado pues es el combustible de los reactores
que producen electricidad.

10. 10
El rompimiento del núcleo de uranio puede producirse mediante el bombardeo con neutrones
1
0 n + 235
92 U 142
56 Ba + 91
36 Kr + 3 1
0 n
1
0 n + 235
92 U 137
52 Te + 97
40 Zr + 2 1
0 n
En cualquiera de estos procesos la energía promedio liberada es de 3,5·10-11
J por núcleo, esto es
algo así como 2·1013
Joules por cada 235 gramos de uranio, esta energía es equivalente a la
generada por la combustión de 250.000 toneladas de carbón.
Aunque la cantidad de energía liberada en la fisión del uranio-235 es extremadamente alta, la
característica que hace que esta reacción sea usada tan ampliamente es que se liberan más
neutrones de los que son capturados al inicio de ésta. La cantidad de neutrones producidos hace
posible una reacción en cadena, o sea, una secuencia de reacciones autosostenidas. Los
neutrones producidos pueden inducir nuevas reacciones de fisión, propagando la reacción, pues
mientras más fisiones ocurren más neutrones son liberados.
REACTOR NUCLEAR
Los reactores nucleares son un ejemplo de la aplicación pacífica de la energía nuclear, funcionan
ocasionando la fisión y utilizando el calor liberado para hacer hervir agua. Una turbina convierte
este vapor en corriente eléctrica. Si bien el proceso es simple, la dificultad consiste en mantener
controlada la reacción, para ello se utilizan varillas de carbono o boro (sistema de control), estas
funcionan atrapando neutrones, con lo cual consiguen amortiguar la fisión cuando es necesario.
A pesar de su utilidad, el uso de reactores de energía genera contaminación, ya que se eliminan a
la atmósfera grandes cantidades de material radiactivo proveniente de los desechos nucleares,
(elementos hijos del Uranio-235), además, se necesitan grandes cantidades de agua para el
funcionamiento del reactor, que se saca de lagos, ríos, incluso del mar. Finalmente el aumento de
la temperatura del agua en un reactor causa modificaciones en el ecosistema.

11. 11
FUSIÓN
La fusión es el proceso mediante el cual dos núcleos livianos se unen formando un solo núcleo
hijo. La fusión nuclear al igual que la fisión genera grandes cantidades de energía, pero tiene a su
favor el hecho de que sus productos no son radiactivos. Las reacciones de fusión ocurren en el sol.
Acá la colisión de dos isótopos del hidrógeno genera helio con liberación de positrones
1
1 H + 1
1 H 2
1 H + 0
1 e
1
1 H + 2
1 H 3
2 He
Si bien las reacciones de fusión son más limpias, no existen reactores de fusión pues tienen un
inconveniente muy grande y es que para poder fusionar dos núcleos es necesario vencer sus
fuerzas de repulsión y para ello se necesitan cerca de 15 millones de grados celsius (la energía de
una estrella).
2
1 H +
2
1 H
3
1 H +
1
1 H
RADIOPROTECCIÓN
Dependiendo del tipo de emisión existen diferentes materiales que se usan como medio de
blindaje. Así, por ejemplo, las partículas alfa interaccionan con el medio absorbiéndose
completamente. Su alcance es de unos pocos centímetros en el aire. Cualquier partícula alfa es
completamente detenida por una hoja de papel o por la capa basal de la piel. Las partículas beta
tienen mayor alcance que las partículas alfa y pueden ser absorbidas por materiales poco densos
como el aluminio. Una característica particular es que, cuando se absorben por elementos de alto
número atómico, como el plomo, producen radiación X de frenado. La radiación gamma es
radiación de alta energía que se detiene con bloques de Plomo o materiales densos. Los
neutrones pueden ser detenidos (absorbidos) tanto por bloques de agua como de hormigón. En
el siguiente diagrama se observa el blindaje de estas radiaciones:

12. 12
Aplicaciones de las reacciones nucleares
En la industria: radiografías de aleaciones para detectar fallas, control de producción
midiendo espesor, control en el desgaste de los materiales, estudios de detergentes,
detección de filtraciones o fugas, generación de corriente eléctrica, conservación de
alimentos, esterilización de instrumentos quirúrgicos.
En química: Uso de trazadores en reacciones a estudiar, análisis por activación neutrónica
para determinar vestigios de impurezas (éste último muy utilizado en ciencia espacial,
geología, ecología, etc.).
En Arqueología: la importancia que tiene para un país como Chile, en cuyo norte se
conserva el pasado con características únicas en el mundo en relación al grado de
conservación, así como también la reconstrucción del patrimonio histórico.
Los fenómenos radiactivos se utilizan con propiedad en muchas ramas de la ciencia siendo
la química, la física y la medicina, las con mayor potencial de aplicación. Los isótopos
radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas,
para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del
cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas, entre otras.
Isótopos radiactivos, sus vidas medias y sus aplicaciones médicas como
marcadores en el cuerpo humano.
Isótopo 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

13. 13
TEST EVALUACIÓN MÓDULO 02
1. Una partícula Alfa se compone de
Nº Protones Nº Neutrones
A) 1 1
B) 2 2
C) 2 4
D) 4 2
E) 4 4
2. Si un átomo radiactivo emitiera únicamente partículas beta negativas ( ), entonces
A) disminuiría el número de partículas en su núcleo.
B) transmutaría a un átomo más liviano.
C) disminuiría su número de electrones.
D) aumentaría su número atómico.
E) disminuiría su número de protones.
3. En la siguiente reacción nuclear, la partícula X que colisiona H3
1 presenta
H3
1 + X Li6
3 + n1
0
I) 2 protones.
II) 4 neutrones.
III) 6 electrones.
De las anteriores, es (son) correcta(s)
A) sólo I.
B) sólo II.
C) sólo III.
D) sólo I y III.
E) I, II y III
4. Para la siguiente notación química
2
Ca42
20 , la opción correcta es
Protones Neutrones Electrones Nº másico
A) 22 20 42 18
B) 20 22 20 42
C) 42 18 22 20
D) 18 42 20 22
E) 20 22 18 42

14. 14
5. Si un elemento químico presenta 6 electrones y 8 neutrones y 6 protones, entonces es
correcto afirmar que
I) es radiactivo.
II) es un isótopo del 12
C.
III) tiene número másico 14.
A) Sólo I.
B) Sólo III.
C) Sólo I y II.
D) Sólo II y III.
E) I, II y III.
6. Los átomos de Deuterio y Tritio presentan respectivamente
Igual Distinto
A) Nº protones Nº neutrones
B) Nº neutrones Nº protones
C) Nº electrones Nº másico
D) Nº másico Nº atómico
E) Nº protones Nº electrones
7. Cuando un elemento radiactivo emite partículas alfa, ocurre
A) aumento en su masa.
B) absorción de energía.
C) variación en el número atómico.
D) aumento en el número de electrones.
E) variación en los niveles de energía con electrones.
8. En la fisión nuclear siempre ocurre
I) transmutación.
II) emisión de energía
III) cambio en la masa del radionúclido.
De las anteriores es (son) correcta(s)
A) sólo I.
B) sólo II.
C) sólo III.
D) sólo I y II.
E) I, II y III.

15. 15
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9. Si el período de semidesintegración para un radionúclido (t1/2) es de 50 años. ¿Qué porcentaje
en masa sin decaer queda al cabo de 200 años?
A) 6,25%
B) 12,5%
C) 25%
D) 50%
E) 100%
10. La siguiente gráfica evidencia el decaimiento radiactivo de cierta masa de radionúclido con
respecto al tiempo (en días). Tomando como masa inicial una muestra de 20 gramos, se
deduce que el tiempo de vida medio (t½) para el radionúclido es de
20
0
10
15
5
8 16 32
Gramos de radioisótopo
Tiempo (días)
A) 4 días.
B) 8 días.
C) 10 días.
D) 16 días.
E) 32 días.
DMTR-QC02