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La Radiación Nuclear en la Electrónica (MA007S)

¿Que sucede cuando explotan billones de átomos? ¿Qué tipos de radiación se obtienen cuando se desintegra el átomo? ¿De qué manera nos afectan esas radiaciones nucleares? Todos eses asuntos se tratarán en este interesante artículo. Las dudas que muchos lectores tengan acerca de la radiación nuclear serán aclaradas después de una lectura atenta.

La mayoría de los átomos que forman todas las cosas materiales del universo son estables, es decir: siempre serán de la misma clase que son hoy y siempre lo han sido desde el comienzo del universo.

Pero los átomos pueden ser destruidos y eso puede ocurrir tanto naturalmente como mediante un “accidente” como el choque con partículas dotadas de energías enormes. Si examinamos un átomo típico, como el que han examinado los lectores que estudian o han estudiado electrónica, veremos que esa minúscula partícula tiene una estructura aproximada como la que se muestra en la figura 1.

 


 

 

En torno de un pequeño núcleo formado por protones y neutrones, giran electrones a gran velocidad. Los electrones equilibran la carga eléctrica del núcleo pues tienen polaridad opuesta y son los que determinan el “volumen” del átomo. Podemos restar electrones de un átomo, o sumarlos sin que eso produzca serios problemas en la estabilidad.

Ahora podemos hacer lo mismo con las partículas del núcleo. Si intentamos restar protones o neutrones del núcleo de un átomo, atentamos contra su estabilidad y nos arriesgamos a sufrir las consecuencias de una gigantesca liberación de energía.

La alteración del número de protones de un átomo, por ejemplo, implica el cambio del elemento que ese átomo representa. Si quitamos un protón a un átomo de Helio (He) se altera de tal modo que pasa a ser un átomo de Hidrógeno (H). Es claro que eso puede hacerse tan fácilmente sólo con la imaginación.

Si la mayoría de los átomos es estable hasta el punto de que es casi imposible alterarla, no ocurre así con algunos elementos.

 

Átomos inestables

Existen en la naturaleza átomos que son inestables. Considerando un trozo de material de ese tipo, que contiene billones y billones de átomos, vemos que a cada instante algunos de ellos están destruyéndose (fig. 2)

 


 

 

Se “desintegran” espontáneamente desapareciendo en forma de diversas partículas y dejando eventualmente como “residuo” un átomo de un elemento “más liviano”, o sea que tiene menos partículas en su núcleo.

El sodio de peso atómico 24, por ejemplo, es inestable y en poco tiempo se desintegra formando magnesio.

Ese tiempo de desintegración varía mucho de un átomo a otro cuando se trata de átomos “inestables”.

Si un elemento tiene átomos inestables en tal proporción que necesita 5 mil anos para perder la mitad de ellos, o sea para reducir la masa inicial a la mitad, se dice que ese elemento tiene una “vida media” de 5 mil años.

Existen elementos que tienen vidas medias muy largas, como el Plutonio 84, de 500.000 anos, y existen elementos muy inestables que tienen vidas medias muy cortas cómo el Helio 5 cuya vida media es de 6 x 10-20 segundos.

El hecho es que, a medida que los átomos de esos elementos se desintegran, producen la “explosión” de una serie de productos que son lo que denominamos “radiación nuclear”.

Los “pedazos” de átomo desintegrados son los que forman la radiación que básicamente puede ser de tres tipos, como veremos.

Antes debe explicarse que los mismos átomos estables, si se “bombardearan” con partículas de altísima energía. también pueden “explotar” desintegrándose y produciendo radiación.

Los reactores o aceleradores de partículas pueden “bombardear” los átomos produciéndola radiación de modo artificial (figura 3)

 


 

 

 

Los tipos de Radiación

Fundamentalmente existen tres tipos de radiaciones producidas en la desintegración atómica. Esas radiaciones también se llaman “partículas” ya que su comportamiento tanto puede asociarse a una onda como a un corpúsculo (teoría cuántica). Cada radiación tiene un valor de la masa y uno de la frecuencia.

 

a) La Radiación Alfa

Esta radiación consiste de núcleos de Helio (He), elemento que en la naturaleza se encuentra como gas noble y cuyos núcleos están formados por 2 protones y 2 neutrones como se ve en la figura 4.

 


 

 

Cuando un átomo “explota” en dos pedazos que expele, consiste apenas en un núcleo de Helio, o sea un átomo de Helio sin los electrones que es emitido a una velocidad enorme.

Como no hay electrones, este núcleo tiene carga positiva y por eso se 10 puede desviar en un campo eléctrico o magnético como se ve en la figura 5.

 


 

 

Vea entonces que cuando un átomo se desintegra emitiendo una partícula alfa, pierde dos neutrones y dos protones, lo que significa que “baja” dos unidades en la tabla de la clasificación periódica. El elemento que ese átomo representa estará entonces alejado dos cuadros si solamente emite una partícula alfa por núcleo.

Por su masa, la partícula alfa no tiene mucha penetración. De hecho, de todas las radiaciones es la menos penetrante pudiendo bloquearse hasta por una hoja de papel.

Al incidir sobre una hoja de papel, la partícula alfa se detiene y queda en condiciones de “recuperar” los electrones que le dan estabilidad. Como resultado, aparecen simples átomos de Helio.

Acercando un electroscopio a un cuerpo radioactivo, que tiene átomos en constante desintegración, como las partículas alfa que inciden en la lámina de aluminio del aparato, ésta se electriza y se ve que las láminas se separan (figura 6)

 


 

 

 

b) La Radiación Beta

La radiación beta es nada más que un flujo de electrones que son emitidos por el átomo destruido. Esos electrones salen del átomo como resultado de su explosión.

La velocidad de los electrones es enorme, lo que les proporciona una gran energía y con eso, la posibilidad de atravesar objetos materiales. Como son mas “livianos” que los núcleos de Helio (partículas alfa) pueden atravesar fácilmente una hoja de papel. Para bloquearlos necesitamos por lo menos una lámina de metal de algunos milímetros de este peso (figura 7).

 


 

 

Como esas partículas poseen carga eléctrica negativa, pueden desviarse em campos eléctricos o magnéticos como se ve en la figura 8.

 


 

 

 

c) La Radiación Gamma

Esta radiación consiste de pulsos de cortísima duración y de una frecuencia elevadísima.

La frecuencia es tan alta que el comportamiento del pulso se asemeja al de una partícula, o sea que no se puede decir que sea de una “onda” o de una “partícula”, sino de algo que tiene las características de las dos.

La radiación gamma es emitida por el núcleo del átomo durante su desintegración y como no tiene carga eléctrica, no es afectada por los campos eléctricos ni magnéticos.

La velocidad de propagación es la de cualquier onda electromagnética o sea de unos 300.000 kilómetros por segundo (figura 9).

 


 

 

Esta es la radiación más penetrante y se necesita una pared de cemento bien gruesa para poder detenerla.

 

Los efectos sobre el cuerpo humano

Las partículas de alta energía cuando inciden en átomos estables pueden causar su destrucción. Esas partículas penetran en el núcleo y producen su desintegración.

La radiación atómica, como las que vimos, pueden producir la desintegración de átomos y su ionización, lo que provocaría la destrucción de moléculas que son mucho más complejas (figura 10).

 


 

 

Es así que si un ser vivo está sometido a un flujo intenso de radiación, las células de su cuerpo pueden resultar muertas en forma indiscriminada.

Tenemos células que pueden ser sustituidas naturalmente, como las de la pie], ya que el organismo mismo produce otras, pero hay otras que no pueden reemplazarse. Las células muertas en esas condiciones pueden hacer-nos tanta falta que nuestra vida resulta comprometida.

En particular, tenemos las células de la médula que producen los glóbulos blancos y rojos de la sangre. Si la radiación penetrara hasta destruir esas células, el organismo tendrá deficiencia de glóbulos y se producirá una forma de “cáncer de sangre” que es la leucemia. Los trabajadores que cumplen sus tareas cerca de los reactores nucleares, usan ropas protectoras con revestimiento de plomo; también los que manejan materiales radioactivos; pero aun así la protección es parcial pues la radiación gamma atraviesa fácilmente esos materiales.

Lo que se puede hacer es controlar la cantidad de radiación que una persona recibe y para eso existen diversos recursos electrónicos que veremos enseguida.

 

La Electrónica nuclear

No pueden verse ninguna de las radiaciones mencionadas. Las partículas son demasiado pequeñas y rápidas para que podamos verlas, pero de] an “rastros” y producen efectos que permiten su detección.

Un pedazo de material radioactivo (que tiene átomos que se desintegran espontáneamente) colocado sobre película fotográfica virgen, deja la placa impresionada fuertemente y aparece en el revelado (figura 11).

 


 

 

Observando la película al microscopio vemos los “rastros” que produce: las innumerables partículas; Y mediante el estudio de esos rastros es que los científicos pueden descubrir otras que forman el núcleo atómico además de las alfa, las beta y las gamma.

Hoy día conocemos centenas de partículas que forman parte del núcleo atómico y que aparecen en forma de “radiación” cuando un átomo se desintegra.

La electrónica puede ayudar mucho en la detección de las partículas que no podemos ver.

Se puede, por ejemplo, aprovechar el hecho de que algunas radiaciones sean ionizantes, es decir, produzcan cargas eléctricas para construir detectores.

Uno de ellos es el “dosímetro” que se muestra en la figura 12.

 


 

 

Este consiste de un elemento sensible (cuarzo, por ejemplo) que al recibir la radiación se carga de electricidad produciendo entonces una tensión que cuando llega a un cierto valor considerado “peligroso”, puede accionar un dispositivo de alarma.

Otro dispositivo que merece un estudio más detallado es el detector de Geiger Müller.

 

El detector de Geiger-Múller

El detector de Geiger-Müller aprovecha el hecho de que ciertas partículas producen ionización del aire que atraviesan. El aire se vuelve conductor de la electricidad. Este detector tiene por base una válvula cuya estructura se ve en la figura 13.

 


 

 

En la parte anterior tenemos una ventana de mica que es el elemento fundamental de esta estructura y que confiere al componente una fragilidad grande.

La ventana es de mica porque este material es relativamente “transparente” a la radiación ionizante (alfa y beta) y ésta puede entonces penetrar el tubo.

Otros materiales como el vidrio o el plástico no dejan pasar la radiación con la misma facilidad.

En el interior del tubo existe un gas a baja presión y dos electrodos que están sometidos a una tensión elevada, por lo común entre 600 y 1200 volts.

Cuando una partícula (radiación alfa o beta) penetra en el tubo por la ventana, el gas instantáneamente se ioniza y se conduce un pulso de corriente.

Puede amplificarse ese pulso y aplicarlo a un altoparlante o micrófono. En este caso el investigador oirá una serie de “clics” o chasquidos a medida que va aproximándose al material radioactivo. La cantidad de chasquidos aumenta con el grado de radiactividad' del material (figura 14).

 


 

 

Otra manera que hay de indicar el nivel de radioactividad consiste en el empleo de un circuito integrado que aplica la tensión resultante de los pulsos a un medidor. La tensión será tanto mayor cuanto más alto fuera el nivel de radiación.

Existe una forma bastante interesante de improvisar un indicador de radiación, si bien su sensibilidad deja bastante que desear. Sugerimos a los lectores interesados que experimenten.

Un indicador de radiación El circuito y la placa del circuito impreso se ven en las figuras 15 y 16.

 


 

 

 


 

 

Los tubos Geiger-Müller son carísimos y es difícil encontrar-los en el mercado. Pero existe un “equivalente” de bajo costo que es la lámpara de neón. Es claro que su' sensibilidad no puede compararse, pero es innegable que se produce la detección a un menor nivel.

Lo que se hace es aplicar una tensión a la lámpara pero sin permitir que esta se encienda. Esa tensión está alrededor de los 80 V o algo más.

Si alguna partícula ionizante consigne atravesar el vidrio de la lámpara, se ionizará el gas entre los electrodos permitiendo la conducción de un pulso de corriente. Este pulso será amplificado y aparecerá en el altoparlante como un chasquido.

La falta de sensibilidad de este sistema se debe a que el vidrio de la lámpara de neón bloquea la mayor parte de la radiación. Sólo pasan unas pocas partículas que producen la ionización.

¿Dónde se consigue el material radioactivo para verificar?

No es necesario. La propia Tierra es bombardeada constantemente por partículas de alta energía que provienen del espacio.

Esas partículas son los “rayos cósmicos” y pueden eventualmente atravesar un detector produciendo un estallido. Su frecuencia no es grande, por suerte para nosotros, pues si esas partículas fuesen muchas podríamos sufrir las consecuencias de las destrucciones que ocasionan.

 


 

 

 

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