Los isótopos

 

Las técnicas isotópicas son un método eficaz de estudio y evaluación, con un amplio campo de posibilidades de aplicación en temas medioambientales.

Teoría sobre isótopos

Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo, aunque el número de neutrones puede variar. Se suele utilizar el término de núclido para referirse a un átomo con un número característico de protones y de neutrones

Se conoce como isótopos a los átomos de un mismo elemento que poseen el  mismo número de protones en el núcleo pero distinto número de neutrones. Es decir, tienen el mismo número atómico pero distinto número másico. En los isótopos el número de protones es idéntico, por lo que tienen idéntica configuración electrónica e idénticas propiedades químicas. Pero en cambio la masa varia, por lo que las propiedades del núcleo son distintas.

Los isótopos radiactivos son aquellos que tienden a transformarse o desintegrarse en otros. La desintegración tiene lugar mediante la emisión espontánea de radiaciones (en forma de partículas a y b, rayos gamma y rayos X).

Dentro de los isótopos hay algunos que, normalmente, se encuentran en la naturaleza. A estos isótopos se les conoce como isótopos radiactivos naturales, o simplemente isótopos naturales. Los restantes isótopos tienen que producirse artificialmente (isótopos radiactivos artificiales) por irradiación o bombardeo de isótopos estables en reactores nucleares y aceleradores de partículas (ciclotrones, aceleradores de Van der Graaff, etc.) modificando la configuración de los núcleos estables, en lo que se refiere al número de neutrones.

De los 99 elementos naturales se conocen 1.300 núclidos. De ellos 274, correspondientes a 81 elementos, son estables, es decir, permanecen sin alterarse durante largos periodos de tiempo. Entre estos, 20 poseen un único núclido estado (por ejemplo, el aluminio o el fósoforo), conociéndoseles como mononúclidos o antisótopos. Los demás elementos tienen entre 2 y 10 isótopos estables.

Los sistemas naturales (o artificiales) evolucionan de manera que los isótopos de cada elemento se distribuyen de forma heterogénea entre las distintas fases y componentes, enriqueciéndose unos en isótopos ligeros y otros en isótopos pesados. En una sustancia, las moléculas que lleva incorporados los isótopos pesados tienen un comportamiento algo diferente al que tienen las moléculas que incorporan los isótopos más ligeros. Estas diferencias de comportamiento dan lugar a lo que se conoce como fraccionamiento isotópico, el cual indica que la composición isotópica de una especie molecular que interviene en un determinado proceso físico o químico originalmente es diferente de la especie resultante. Es decir, la especie molecular original y la resultante muestran pequeñas diferencias en sus características físicas y químicas como consecuencia de sus diferencias de masa, por lo que las velocidades de reacción o de cambio de estado también son diferentes.

Los procesos físicos, químicos y biológicos se pueden ver como reacciones reversibles en equilibrio o como reacciones cinéticas unidireccionales irreversibles. Ambos tipos de reacciones pueden dar lugar a fraccionamientos isotópicos importantes.

El factor de fraccionamiento (a ) asociado con una reacción de intercambio en equilibrio (A«B) se define como:

a = RA / RB

siendo R una relación isotópica (p. ej., 15N/14N).

En medios con condiciones de baja temperatura, los efectos que produce un fraccionamiento cinético unidireccional irreversible generalmente son más importantes que los efectos que tienen lugar en un fraccionamiento en equilibrio. Los factores que intervienen en el fraccionamiento son muy variables y van a  depender de: las velocidades de reacción, de las concentraciones de los productos y reactantes, de las condiciones medioambientales, y de las especies del organismo. 

En general, los isótopos más altos reaccionan con más facilidad, dando lugar a productos, isotópicamente, más “ligeros” que los del sustrato original. En contraste, las reacciones en equilibrio (reversibles) pueden generar tanto productos más “pesados” como más ligeros que los del sustrato original.

Los factores de fraccionamiento cinético se pueden definir como:

aP-S = RP / RS

donde Rp y Rs es la relación isotópica del producto (p) y del sustrato (s) respectivamente (p. ej., 15N/14N).

Entonces, el factor de enriquecimiento isotópico, e, se podría definir como

eP-S = (a-1) x 1000

Si la concentración del reactivo es mayor y las fracciones son pequeñas, entonces:

eP-S ~ D = dP - dS

D es el fraccionamiento aparente (otro término para expresar el factor de enriquecimiento), es decir, es la diferencia en los valores de  d que se miden en el campo y en laboratorio.

a (factor de fraccionamiento isotópico) y e (factor de enriquecimiento isotópico) se definen de forma diferente dependiendo de los autores. A veces se usan estos términos para definir sistemas en equilibrio (p. ej., s ® p;  aP-S = RP/RS). Sin embargo, en artículos de biología, con frecuencia estos términos aparecen definidos justo al revés de su uso normal con el fin de evitar usar valores de e<0, ó a<1. Muchos autores utilizan la relación b = 1/a ya que esta relación es mayor de 1. También algunos autores definen un “factor de discriminación” DS/P = (as/p – 1) x 1000 donde s/p denota la relación existente entre el sustrato y el producto.

Los factores de fraccionamiento y enriquecimiento isotópico determinados en algunos estudios particulares no se pueden extrapolar fácilmente a otros estudios ya que el grado de fraccionamiento depende fuertemente de las condiciones locales existentes.

Normalmente los procesos de fraccionamiento se controlan usando la ecuación de Rayleigh, la cual describe la evolución de la composición isotópica de un reactivo residual (sustrato) durante los procesos de fraccionamiento, tanto en equilibrio (reversible) como cinético (irreversible). Una fórmula de la ecuación de Rayleigh usada normalmente para sistemas con un factor de fraccionamiento constante es:

d~ dO  + eP-S ln (f)

donde dO  es la composición inicial del sustrato, f es la fracción remanente del sustrato y eP-S < 0. Si se define la ecuación para que eP-S sea >0, entonces en la ecuación habría que reemplazar el término “+” por un “-“.

 

La desintegración radiactiva es un fenómeno espontáneo. Como la probabilidad de desintegración de todos los átomos de un isótopo es la misma, la fracción o porcentaje de éstos que se desintegran por unidad de tiempo es siempre constante. Esta constante se conoce como constante de desintegración y se representa por la letra l.

La velocidad con la que disminuye el número de átomos (N) presentes en cualquier instante en una muestra, por desintegración de los mismos, es función del tiempo (-dN/dt). Es decir, -dN/dt será igual al producto de N por la fracción l de átomos que se desintegran en la unidad de tiempo.

  ecuación fundamental de la radiactividad

-dN/dt suele expresarse en desintegraciones por segundo y se llama actividad (A=-dN/dt).

Puesto que l es constante para cada radioisótopo, la actividad de una muestra es directamente proporcional al número de átomos presentes.

Se define como el tiempo que ha de transcurrir para que la actividad de cualquier muestra de un radioisótopo disminuya a la mitad, es decir, para que se cumpla At = Ao/2.

El periodo de semidesintegración se relaciona con la constante de desintegración mediante la siguiente expresión:

t½ = ln 2/ l = 0,693/l             

El periodo de semidesintegración es característico de cada radioisótopo.

 

La vida media es el valor medio de la vida de un número muy elevado de átomos de un determinado radioisótopo. Equivale a la inversa de la constante de desintegración:

  tm = 1/l 

Se relaciona con el período de semidesintegración por la expresión:

t½ = ln 2  tm

* No debe confundirse el concepto de vida media con el período de semidesintegración.

 

La actividad de una muestra se expresa en una unidad denominada Curio (Ci).

Con frecuencia, un mismo radioisótopo tiene distintas formas de desintegración, es decir, parte de los átomos se desintegran por un camino y los restantes por otro. Por tanto, se puede decir que la desintegración de los isótopos radiactivos puede tener lugar por diferentes caminos.  

Las principales radiaciones emitidas como consecuencia de la desintegración de los radioisótopos son: partículas alfa, partículas betarayos gamma. 

Diagrama mostrando las tres principales formas de desintegración de los radioisótopos: partículas alfa, beta y rayos gamma.

 

Patículas alfa

Cuando un isótopo emite una partícula a, el número de masa disminuye en 4 unidades y el número atómico en 2. Ej:

                

Partículas beta

Es la forma de desintegración de los isótopos más frecuente.

La desintegración puede ser:

Con distinta carga Positiva (positrones)
Negativa (negatrones o partículas beta propiamente dicha
Desintegración por captura electrónica  

 

Como en los núcleos atómicos no hay electrones, hay que pensar que las partículas beta se emiten como consecuencia de algún proceso nuclear que consiste en la transformación de un neutrón en un protón, para los negatrones, y de un protón en un neutrón, para los positrones.

por ejemplo   

  por ejemplo   

Al emitirse una partícula beta el número de masa no se modifica, mientras que el número atómico aumenta o disminuye en una unidad, según que se trate de un negatrón o de un positrón, respectivamente.

Por lo general, los isótopos de un elemento con mayor número de neutrones que los isótopos estables del mismo suelen desintegrarse por emisión de partículas beta negativas.

La captura electrónica es otra forma de desintegración beta, que consiste en que el núcleo capta un electrón de las capas que le rodean, el cual se une a un protón para transformarse en un neutrón. El resultado es el mismo que en la emisión de un positrón.

 

Rayos gamma

Tanto la desintegración alfa como beta, suelen ir acompañadas de emisión de rayos gamma, debido a que el núclido hijo formado se encuentra en estado excitado. Como el tiempo de estado excitado es del orden de 10-18 segundos, la emisión del rayo gamma es, prácticamente, instantánea. 

La naturaleza de los rayos gamma es la misma que la de las restantes ondas electromagnéticas (ondas de radio, rayos infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta y rayos X). Sólo se diferencia de ellas por la forma de producirse y porque su longitud de onda es menor.

 

Rayos X (emitidos de forma indirecta)

Se comportan igual que los rayos gamma, y sólo se diferencian porque los rayos X provienen de las capas electrónicas, mientras que los rayos gamma tienen su origen en el núcleo.

Tanto las partículas alfa y beta, como los rayos X y gamma son capaces de ionizar los átomos con los cuales entran en colisión, por lo que, con frecuencia, se las designa como radiaciones ionizantes.

 
 
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