Latest Posts:

17 de febrero de 2013

El Americio y la Tabla Periódica

En la entrada anterior hicimos un repaso rápido por la Tabla Periódica desde un punto de vista peculiar: los elementos que aparecen en la Naturaleza sin combinar, es decir, los elementos nativos. Hoy vamos a irnos a un elemento que no existe de modo natural en nuestro planeta, un elemento artificial.
Hace menos de un siglo, ningún químico hubiera puesto la mano en el fuego porque la Tabla Periódica continuase tras el uranio, el elemento natural mas pesado observado en la Tierra (salvo trazas de plutonio formadas en los reactores nucleares naturales, de los que seguro que Greenpeace no ha oído hablar).

Y, sin embargo, si que continuó. Y mucho. Y los elementos que la continuaron, llamados transuránicos, dieron lugar a la segunda gran gesta química de la Tabla Periódica: la de los elementos artificiales.


Hoy vamos a centrarnos de un elemento muy importante de este grupo de los transuránicos. Uno que conecta directamente la Segunda Guerra Mundial con la exploración de Marte, pasando por la industria y la medicina y que todos habéis tenido muy cerca alguna vez, y posiblemente lo sigáis teniendo: el americio. Es más, si aún lo teneis cerca, tal vez podáis usarlo para hacer un experimento muy interesante. No os asusteis, sólo seguid leyendo y os lo cuento.

(Nota: me temo que para entender esta entrada el lector debe conocer lo básico sobre radiactividad y núcleo atómico. Nivel COU del de antes y bachillerato ahora.).

Esta breve historia comienza en la Segunda Guerra Mundial. Mientras la gente moría en las ciudades y campos de batalla, se libraba otra guerra en secreto: la fabricación del arma definitiva que pondría fin a la guerra. En la investigación del famoso Proyecto Manhattan se habían llegado a grandes avances. La radioquímica del uranio se conocía muy bien y el plutonio se había convertido en un objetivo primario a partir de 1940, en una carrera contra los alemanes, que estaban en condiciones de encontrar un arma similar. Quizá si muchos físicos alemanes, en cantidad significativa de origen judío, no hubieran huído a Inglaterra o USA, la historia habría sido bien distinta (probablemente para nuestra desgracia)
.
 Las predicciones indicaban que el plutonio-239 sería un isótopo fisible y suficientemente estable como para prepararlo en gran cantidad, además de poderse preparar en 'weapon-grade' con mas rapidez y facilidad que el uranio-235. Justo lo que necesitaban para su nueva arma. En 1941, los científicos J. Kenedy, Glenn T. Seaborg, Emilio Segre y A. Wahl consiguieron obtener y separar el Pu-239. Poco tiempo despues, en agosto de 1942, en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago (USA) dirigido por Glenn T. Seaborg, se asistió a un hecho histórico: la obtención de 10 microgramos de hidróxido de plutonio puro. Seaborg relata el hecho:

Este dia memorable pasará a la historia científica jalonando la primera contemplación directa de un elemento sintético y el primer aislamiento de una cantidad ponderable de un isótopo artificial de un elemento.
Glenn T. Seaborg, codescubridor (o mas bien, coinventor) del plutonio, el americio y el curio y creador de la forma de la Tabla Periódica que manejamos hoy día. 
 Tras ello, las propiedades químicas del plutonio se investigaron a fondo, utilizando únicamente técnicas microquímicas y de microscopía química. A finales de 1942, el plutonio, desconocido apenas un año ántes, se conocía casi tan bien como cualquier elemento de la Tabla. Lamentablemente el hito científico del descubrimiento del plutonio quedó sepultado por su primer uso. En agosto de 1945 murieron mas de 80.000 personas, la gran mayoría ciudadanos no combatientes e inocentes, en uno de los actos terroristas mas decisivos y dramáticos de la historia. Este acto fue perpetrado usando a Fat Man, la primera bomba atómica de plutonio de la Historia.

Desvinculado de las necesidades militares y una vez resuelto el problema del plutonio para la guerra, Seaborg pudo seguir investigando, ya con tranquilidad, los elementos transuránicos. Para ello aprovechó la instalación del ciclotrón de 1,5 metros del Lawrence Berkeley National Laboratory para bombardear una muestra de uranio-238 con partículas alfa aceleradas y una de plutonio-239 con neutrones, esperando obtener el plutonio-241:

U238+ alfa --> Pu241 + neutrones
Pu239 + neutrones--> Pu240
Pu240 + neutrones --> Pu241

El ciclotrón empleado en el descubrimiento del Curio y del Americio
Tras estas reacciones de transmutación, el plutonio-241 se desintegraba emitiendo radiación beta y transformándose en el americio-241, el isótopo que buscaban. Este descubrimiento se anunció en noviembre de 1945 por Seaborg, Ghiorso, James y Morgan. Utilizando técnicas similares, Seaborg y sus colaboradores descubrieron poco antes el curio, que nos va a conectar nuestro americio con Marte... Seaborg recibió en 1951 el premio Nobel por sus trabajos con éstos elementos.
 El primer compuesto puro de americio, el hidróxido, fue obtenido por el químico Burris Cunningham. El descubrimiento y estudio de la química del americió llevó a Seaborg a proponer la forma actual de la Tabla Periódica, ubicando la "serie actínida", químicamente análoga a las Tierras Raras o "serie lantánida", en la forma que todos conocemos. 

El nombre de americio no viene de ningún delirio patrio, sino, simplemente, de su analogía química con la tierra rara europio. Con el estudio del americio, Seaborg cierra la estructura de la Tabla Periódica iniciada con Mendeleev. 

Actualmente, en nuestro planeta existen bastantes toneladas de americio, obtenido a partir de combustible nuclear en centrales nucleares y por envejecimiento de stocks de plutonio. Si os parece caro el oro, el precio actual del americio es de unos 1500 euros el gramo.  El isótopo mas común es el americio-241, del que, en el año 2003, segun la IAEA, se obtuvieron 87 toneladas a partir de combustible nuclear usado. 

El americio-241 tiene un periodo de semidesintegración de 432 años (!cuidado¡, no confundir con 'vida media'. En inglés, el periodo de semidesintegracion es 'half-life', de donde viene la confusión). Es decir, al cabo de ese tiempo la actividad radiactiva de una muestra de Am-241 se habrá reducido a la mitad. Mientras se va desintegrando, el americio-241 sigue este proceso:

Am-241--> Np-239* + He-4 (alfa, 5.6 MeV)

Es decir, el americio se transmuta en neptunio, emitiendo radiación alfa con una energía de 5,6 MeV. El nucleo de neptunio recien nacido esta en un estado excitado y se relaja emitiendo rayos gamma:

Np-239* --> Np-239 + foton (gamma, 59 KeV)

Si vemos el espectro de la energía gamma emitida por una fuente de americio-241, veremos esto:




El pico de 59 KeV es la principal emisión gamma producida por la relajación nuclear del neptunio recien formado. Los otros picos son el resultado de mezclar:


-Otros rayos gamma emitidos por la desintegración del americio y del neptunio (26 y 33 KeV)

-Rayos X debidos a la excitación de los átomos de neptunio por la radiación alfa (13 a 20 KeV). Estos se producen debido a que la radiacion alfa emitida en la primera ecuación es muy energética, lo suficiente para sacar de su sitio un electrón en el átomo de neptunio. Este proceso de producción de rayos X es muy importante, por lo que vamos a ver despues. Y, tambien nos dice que, si teneis una fuente de americio cerca, también teneis un poco de neptunio...


Uso del Americio

A lo mejor sois de los que pensais...bueno, y el americio...¿para que sirve?. Pues teniendo en cuenta que es un potente emisor alfa y un débil emisor gamma, resulta un elemento muy muy útil, que se usa para:


- Aplicaciones médicas: estudio de la densidad del hueso, diagnósticos diversos.
- Aplicaciones industriales: Medición de grosores en diversas aplicaciones, como en la industria del metal y en la del papel. Tests de aleaciones metálicas y radiografías de piezas, en especial analisis del aluminio. Análisis químicos por emision de rayos X, como, por ejemplo, su uso en el análisis del oro. Analisis del cemento y de minerales en minería. Estudios hidrogeológicos, en meteorologia para determinar la densidad el aire...

Pero quizá su uso mas conocido es el de los detectores de humos. Antes (ahora se han retirado en general, debido al miedo irracional a la radiactividad), los detectores de humo llevaban una pequeña fuente de americio-241. Su uso era debido a la capacidad altamente ionizante de la radiación alfa que emite. Si entraba humo en el detector, la ionización producida por la fuente disminuía, haciendo saltar la alarma. Hay que aclarar que, en la cantidad presente en un detector de humo, el Am-241 no reviste ningun riesgo, ya que la radiacion alfa tiene un alcance de apenas un par de centímetros y la radiación gamma asociada es demasiado débil.

Pero su uso mas interesante para nosotros es debido a la capacidad de la radiación alfa para generar rayos X en un material en el que impacta. Esta propiedad puede convertir nuestra pequeña fuente de americio-241 en un instrumento analítico muy divertido.


Lea el artículo completo en.

Noticias de un Espía desde el Laboratorio

Lea en los archivos de Conocer Ciencia:

La tabla periódica de los videos

 100 años después se actualiza la tabla periódica

¿Qué pasaría si todos los elementos de la tabla periódica se juntaran a la vez?

No hay comentarios.:

Publicar un comentario