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)
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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.
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| 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. |
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
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| El ciclotrón empleado en el descubrimiento del Curio y del Americio |
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.
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