Química nuclear: historia, campo de estudio, áreas, aplicaciones
La química nuclear es el estudio de los cambios de la materia y sus propiedades producto de los fenómenos acontecidos en los núcleos de sus átomos; no estudia el modo en como interaccionan sus electrones ni sus enlaces con otros átomos del mismo o de diferente elemento.
Esta rama de la química se enfoca entonces en los núcleos y las energías liberadas cuando adicionan o pierden algunas de sus partículas; a las cuales se les llaman nucleones, y que para fines químicos en esencia constan de protones y neutrones.
Muchas reacciones nucleares consisten de un cambio en el número de protones y/o neutrones, el cual tiene como consecuencia la transformación de un elemento en otro; antiguo sueño de los alquimistas, quienes intentaron inútilmente convertir el metal plomo en oro.
Lo anterior dicho es quizás la característica más sorprendente de las reacciones nucleares. Sin embargo, tales transformaciones liberan enormes cantidades de energía, amén de partículas aceleradas que logran penetrar y destruir la materia a su alrededor (como el ADN de nuestras células) dependiendo de su energía asociada.
Es decir, en una reacción nuclear se liberan diferentes tipos de radiaciones, y cuando un átomo o isótopo libera radiación, se dice que es radiactivo (radionucleidos). Algunas radiaciones pueden ser inofensivas, e incluso, benignas, utilizadas para combatir células cancerígenas o estudiar el efecto farmacológico de ciertas drogas mediante marcaje radiactivo.
Otras radiaciones en cambio, son destructivas y mortales al mínimo contacto. Lamentablemente, varias de las peores catástrofes en la historia llevan consigo el símbolo de la radiactividad (trébol radiactivo, imagen superior).
Desde las armas nucleares, hasta los episodios de Chernobyl y el infortunio de los desechos radiactivos y sus efectos en la fauna, son muchos los desastres desencadenados por la energía nuclear. Pero, por otro lado, la energía nuclear garantizaría la independencia de otras fuentes de energía y los problemas de contaminación que acarrean.
Sería (probablemente) energía limpia, capaz de alimentar ciudades por una eternidad, y la tecnología superaría sus límites terrenales.
Para lograr todo aquello al menor costo humano (y planetario), se necesitan de programas y esfuerzos científicos, tecnológicos, ecológicos, y políticos, para “domar” y “mimetizar” la energía nuclear de manera segura y beneficiosa para la humanidad y su crecimiento energético.
Índice del artículo
Dejando en el pasado a los alquimistas y su piedra filosofal (aunque sus esfuerzos hayan dado frutos de vital importancia para la comprensión de la química), la química nuclear nació cuando se detectó por vez primera lo que se conoce por radiactividad.
Todo empezó en el descubrimiento de los rayos X por Wilhelm Conrad Röntgen (1895), en la Universidad de Wurzburg. Estudiaba los rayos catódicos cuando notó que estos originaban una extraña fluorescencia, aun con el aparato apagado, capaz de traspasar el papel negro opaco que cubría los tubos dentro del cual se desarrollaban los experimentos.
Henri Becquerel, motivado por los descubrimientos de los rayos X, diseñó sus propios experimentos para estudiarlos a partir de sales fluorescentes, las cuales oscurecían unas placas fotográficas, protegidas por papel negro, cuando eran excitadas por la luz del sol.
Se encontró accidentalmente (ya que el tiempo en París estaba nublado por aquel entonces), que las sales de uranio oscurecían las placas fotográficas, sin importar la fuente de luz que incidiera sobre ellas. Concluyó entonces que había dado con un nuevo tipo de radiación: la radiactividad.
El trabajo de Becquerel sirvió como fuente de inspiración a Marie Curie y Pierre Curie para ahondar en el fenómeno de la radiactividad (término acuñado por Marie Curie).
Así, buscaron otros minerales (además de los de uranio) que también presentaran esa propiedad, encontrando que el mineral pechblenda es aún más radiactivo, y que por lo tanto, debía poseer otras sustancias radiactivas. ¿Cómo? Mediante la comparación de las corrientes eléctricas generadas por la ionización de las moléculas gaseosas entorno a las muestras.
Del mineral pechblenda extrajo, tras años de arduos trabajos de extracciones y mediciones radiométricas, los elementos radiactivos radio (100 mg de una muestra de 2000 Kg) y polonio. Asimismo, Curie determinó la radiactividad del elemento torio.
Desgraciadamente, para entonces empezaban a descubrirse los efectos dañinos de tales radiaciones.
Las mediciones de la radiactividad se facilitaron con el desarrollo del contador de Geiger (teniendo a Hans Geiger como coinventor del artefacto).
Ernest Rutherford observó que cada radioisótopo presentaba un tiempo de decaimiento propio, independiente de la temperatura, y que variaba con la concentración y las características de los núcleos.
Demostró igualmente que dichos decaimientos radiactivos obedecen una cinética de primer orden, cuyos tiempos de vida media (t1/2), siguen siendo de mucha utilidad actualmente. Así, cada sustancia que emite radiactividad tiene diferente t1/2, el cual oscila desde segundos, días, hasta millones de años.
Además de todo lo anterior, propuso un modelo atómico a raíz de los resultados de sus experimentos irradiando con partículas alfa (núcleos de helio) una lámina muy delgada de oro. Trabajando nuevamente con las partículas alfas, logró la transmutación de átomos de nitrógeno a átomos de oxígeno; es decir, había logrado convertir un elemento en otro.
Al hacerlo, se demostraba de una vez que el átomo no era indivisible, y aún menos cuando era bombardeado por partículas aceleradas y neutrones “lentos”.
Quienes deciden entregarse a formar parte de los especialistas de la química nuclear pueden optar por varios campos de estudio o investigación, así como diferentes ámbitos de trabajo. Al igual que muchas ramas de la ciencia, pueden dedicarse a la práctica, o a la teoría (o ambas al mismo tiempo) en sus correspondientes campos.
Un ejemplo cinematográfico se aprecia en las películas de superhéroes, donde los científicos logran que un individuo adquiera súper poderes (como Hulk, los cuatro fantásticos, Spiderman, y el Doctor Manhattan).
En la vida real (al menos superficialmente), los químicos nucleares buscan por el contrario diseñar nuevos materiales capaces de resistir la enorme resistencia nuclear.
Estos materiales, al igual que la instrumentación, deben ser lo suficientemente indestructibles y especiales para aislar la emisión de radiación y las enormes temperaturas desencadenados al iniciar las reacciones nucleares; en especial, las de fusión nuclear.
En la teoría, pueden diseñar simulaciones para estimar primero la viabilidad de ciertos proyectos y cómo mejorarlos al menor costo e impacto negativo; o modelos matemáticos que permitan desentrañar los misterios pendientes del núcleo.
Asimismo, estudian y plantean modos para almacenar y/o tratar los desechos nucleares, ya que demoran miles de millones de años en descomponerse y son altamente contaminantes.
A continuación se tiene una breve lista de los trabajos típicos que puede ejercer un químico nuclear:
-Dirigen investigaciones en laboratorios gubernamentales, industriales o académicos.
-Procesan cientos de datos a través de paquetes estadísticos y análisis multivariante.
-Imparten clases en universidades.
-Desarrollan fuentes de radiactividad seguras para diversas aplicaciones en las que involucren un público general, o para utilizarse en dispositivos aeroespaciales.
-Diseñan técnicas y dispositivos que detecten y monitoreen la radiactividad en el medio ambiente.
-Garantizan que en los laboratorios las condiciones sean las óptimas en la manipulación del material radiactivo; el cual llegan a manipular incluso empleando brazos robóticos.
-Como técnicos, hacen mantenimientos a los dosímetros y recolectan muestras radiactivas.
El apartado anterior describió en términos generales cuáles son las labores de un químico nuclear en su sitio de trabajo. Ahora, se especifica un poco más acerca de diferentes áreas en las cuales está presente el uso o estudio de las reacciones nucleares.
En la radioquímica se estudia el proceso de radiación en sí mismo. Esto significa que considera a profundidad todos los radioisótopos, al igual que su tiempo de decaimiento, las radiaciones que liberan (alfa, beta o gamma), su comportamiento en diferentes entornos, y sus posibles aplicaciones.
Esta es quizás el área de la química nuclear que más ha avanzado hoy en día respecto a las otras. Se ha encargado en utilizar de manera inteligente y amigable los radioisótopos y dosis moderadas de radiación.
En esta área los químicos nucleares, junto con investigadores de otras especialidades, estudian y diseñan métodos seguros y controlables para aprovechar la energía nuclear producto de la fisión de los núcleos; esto es, de su fraccionamiento.
Asimismo, se propone hacer lo mismo con las reacciones de fusión nuclear, como quienes quisieran domesticar estrellas pequeñas que aporten su energía; con el impedimento de que las condiciones son abrumadoras y no existe material físico capaz de resistirlas (imagine encerrar el sol en una jaula que no se funda por el intenso calor).
La energía nuclear bien puede utilizarse para fines benéficos, o con propósitos bélicos, en el desarrollo de más armamentos.
El problema que representan los desechos nucleares es muy serio y amenazante. Es por esta razón que en esta área se dedican a idear estrategias para “encarcelarlos” de tal manera que la radiación que emitan no traspase su coraza de contención; coraza, que debe ser capaz de resistir los terremotos, las inundaciones, las elevadas presiones y temperaturas, etc.
Todos los elementos transuránicos son radiactivos. Han sido sintetizados mediante diferentes técnicas, entre ellas: el bombardeo de núcleos con neutrones u otras partículas aceleradas.
Para ello, se ha hecho uso de aceleradores lineales o ciclotrones (los cuales tienen forma de D). Dentro de ellos, se aceleran las partículas a velocidades cercanas a las de la luz (300.000 Km/s), para luego colisionar contra un blanco.
Así, nacieron varios elementos artificiales, radiactivos, y que su abundancia en la Tierra es nula (aunque puede que sí existan naturalmente en regiones del Cosmos).
En algunos aceleradores el poder de las colisiones es tal, que ocurre una desintegración de la materia. Analizando los fragmentos, los cuales apenas pueden detectarse por su tiempo de vida tan corto, se ha podido conocer más a fondo el compendio de las partículas atómicas.
En la imagen superior se muestran dos torres de refrigeración características de las centrales nucleares, cuya planta puede alimentar toda una ciudad de energía eléctrica; por ejemplo, la planta de Springfield, en donde trabaja Homero Simpson, y de la cual es dueño el señor Burns.
Entonces, las centrales nucleares usan la energía liberada de los reactores nucleares para surtir una necesidad energética. Este es la aplicación ideal y prometedora de la química nuclear: energía ilimitada.
A lo largo del artículo se ha hecho mención, de manera implícita, de numerosas aplicaciones de la química nuclear. Otras aplicaciones no tan evidentes, pero que están presentes en la vida diaria, son las siguientes a continuación.
Una técnica para esterilizar el material quirúrgico consiste en irradiarlo con radiación gamma. Esta destruye por completo los microorganismos que puedan albergar. El proceso es frío, por lo que ciertos materiales biológicos, sensibles a las altas temperaturas, pueden ser sometidos también a dichas dosis de radiación.
El efecto farmacológico, distribución y eliminación de las nuevas droga se evalúa mediante el uso de radioisótopos. Con un detector de radiación emitida, se puede tener una imagen real de la distribución de la droga en el organismo.
Esta imagen permite determinar por cuánto tiempo actúa la droga sobre determinado tejido; si no logra absorberse apropiadamente, o si permanece en el interior por más tiempo del adecuado.
Similarmente, se puede irradiar los alimentos almacenados con una moderada dosis de radiación gamma. Esta se encarga de eliminar y destruir las bacterias, manteniendo los alimentos comestibles por mayor tiempo.
Por ejemplo, un paquete de fresas puede mantenerse fresco después de incluso quince días de almacenaje mediante esta técnica. La radiación es tan débil que no penetra la superficie de las fresas; y por lo tanto, no quedan contaminadas, ni se vuelven “fresas radiactivas”.
Dentro de los detectores de humo se halla apenas unos miligramos de americio (241Am). Este metal radiactivo a esas cantidades exhibe radiaciones inofensivas para las personas presentes bajo los techos.
El 241Am emite partículas alfa y rayos gamma de baja energía, siendo estos rayos capaces de escapar del detector. Las partículas alfas ionizan a la moléculas de oxígeno y nitrógeno del aire. Dentro del detector, una diferencia de voltaje recolecta y ordena los iones, produciendo una leve corriente eléctrica.
Los iones terminan situándose en diferentes electrodos. Cuando el humo entra a la cámara interna del detector, absorbe las partículas alfa y se interrumpe la ionización del aire. En consecuencia, se detiene la corriente eléctrica y se activa una alarma.
En la agricultura, se ha empleado una radiación moderada para aniquilar los insectos indeseables de las cosechas. Así, se evita el uso de insecticidas altamente contaminantes. De esta manera se reduce el impacto negativo en los suelos, las aguas subterráneas y las cosechas en sí mismas.
Con la ayuda de los radioisótopos, se puede determinar la edad de ciertos objetos. En estudios arqueológicos esto es de gran interés ya que permite separar las muestras y situarlas en sus correspondientes tiempos. El radioisótopo utilizado para esta aplicación es, por excelencia, el de carbono 14 (14C). Su t1/2 es de 5700 años, y se puede datar muestras hasta de 50.000 años de antigüedad.
El decaimiento del 14C se ha utilizado especialmente para muestras biológicas, osamentas, fósiles, etc. Otros radioisótopos, como el 248U, tiene un t1/2 de millones de años. Midiendo entonces las concentraciones de 248U en una muestra de meteoritos, sedimentos y minerales, se puede determinar si esta tiene la misma edad de la Tierra.
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