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)
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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.

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.

Rayos X y rayos gamma

¿alguna vez os habéis preguntado de dónde salen los rayos X de la máquina de radiografías del hospital?
La mayoría de la gente no tiene claro qué son y en que se diferencian los rayos X y los rayos gamma. Incluso muchos profesores, pues en muchas ocasiones he visto mal explicado esto en libros de texto. Un ejemplo de definición absolutamente incorrecta sacada de unos “apuntes” de 2º de Bachillerato:

Rayos gamma: son similares a los rayos X pero con mayor poder de penetración.

Voy a intentar explicaros que son y en que se diferencian:

– Ambos son de la misma naturaleza: fotones energéticos. Es decir, luz, como la que vemos, pero de mayor energía e invisible a nuestros ojos. Es decir, fisicamente, los rayos X y los rayos gamma son la misma cosa.

– Los rayos X son un fenómeno debido a la corteza electrónica de los átomos: cuando un átomo recibe el impacto de una partícula (alfa emitida por el americio-241 en nuestro caso), el choque hace “saltar” un electrón de un nivel a otro de mayor energía. Se dice que es “excitado”. Cuando el electrón vuelve a su estado llamado “fundamental”, devuelve la energía que absorbió por el choque en forma de fotones: son los rayos X.

-Los rayos X, al ser un fenómeno electrónico, tienen una energía limitada: su rango va de 1 a 100 KeV aproximadamente.

-Los rayos gamma son un fenómeno debido al núcleo de los átomos: cuando un atomo radiactivo se desintegra, se transforma en otro elemento, emitiendo radiación. El nucleo del nuevo elemento formado esta en un estado excitado. Los neutrones y protones del nucleo se colocan entonces en una posición mas cómoda ,volviendo a su estado fundamental y emitiendo el exceso de energía en forma de fotones: son los rayos gamma. Al ser un fenómeno nuclear, su rango energético es mayor, entre unos pocos KeV a varios MeV. Un ejemplo es la emisión gamma del Am-241 a 59 KeV. Esta emisión se corresponde a la “relajación” del núcleo del átomo de neptunio formado debido a la desintegración del americio. Es decir, es una emisión asociada a la desintegración, que vuelvo a poner aquí:

Am241 –> alfa + Np-239*—> gamma + Np-239
Si lo habéis entendido, entonces cuando veais la máquina de rayos X os imaginaréis como se producen: la máquina tiene una “lampara” de rayos X que consiste en un tubo de vacío. Un electrodo genera un haz de electrones que impacta contra un cátodo, normalmente de cobre. El impacto de los electrones excita los átomos de cobre. Cuando éstos se desexcitan, emiten la diferencia de energía en forma de rayos X:
Cu + electrones acelerados –> Cu* –> Cu + rayos X
La gracia es que el metal no emite los rayos X de cualquier forma. Solo emite una energía determinada. Digamos que es como si emitiera un solo “color”. Por ejemplo, el cobre emite rayos X a una energía de 8 KeV, que es la energía que se corresponde a uno de los “saltos” electrónicos permitidos para el cobre. Los químicos denominamos a este salto de energía la “banda K-alfa del cobre”. 
K-alfa y la Ley de Moseley

La mayoría de la gente no ha oído hablar de K-alfa. Seguramente les suene a griego o las cosas de los raritos y frikis como un servidor. Pero K-alfa esta todos los dias en su vida y gracias a K-alfa tenemos muchos fármacos, avances médicos, conocemos los minerales y metales… quizá la emisión de K-alfa y otras que la acompañan constituya uno de los fenómenos mas importantes de la química para la sociedad.

Denominamos K-alfa a una energía concreta de emisión de rayos X por parte de un elemento químico. Todos los materiales emiten rayos X cuando los átomos de los elementos que los componen son excitados por partículas muy energéticas, como radiaciones alfa, beta, electrones, protones o rayos X energéticos. Entonces, un electron “salta” desde la capa interna llamada K hacia una capa superior de mayor energía y mas externa del átomo, que llamamos L. Este estado de excitación no aguanta mucho y cuando el electrón vuelve a su sitio y se relaja, emite el exceso de energía en forma de rayos X. Si recordais las clases de Bachillerato, en el caso de un metal como el cobre por ejemplo, la emisión K-alfa se corresponde con un salto de un electrón en el orbital 1s a un orbital 2p. Cuando el electron vuelve al orbital 1s, la difererencia de energía se emite como un fotón con esa energía. Seguimos con el recuerdo de Bachillerato, en el átomo de hidrógeno, la equivalente a K-alfa es la alfa de la serie de Lyman. La gracia es que la energía de ese salto depende de la posición en la Tabla Periódica. Es decir, podemos usarla para identificar elementos.

La emisión mas fácil de observar es la K-alfa. Hay varias mas (K-beta, L-alfa, L-beta…). Por ejemplo, el cesio emite K-alfa a una energía de 31 kiloelectronvoltios (KeV).

Gracias a este fenómeno tenemos radiografías: los rayos X de los hospitales estan producidos por una máquina que dispara electrones a un trozo de cobre. El cobre emite K-alfa a 8 KeV y es esta radiación la que atraviesa nuestros cuerpos para obtener la imagen de rayos X.
Igual que podemos obtener radiografías de nuestros cuerpos, se pueden obtener de cristales de minerales y otras cosas, lo que permite obtener datos de sus estructuras químicas. Observando las lineas K-alfa que vienen del espacio exterior, hemos podido averiguar muchos datos de importancia para la cosmología, como por ejemplo que el centro de la galaxia emite rayos X con la energía de la K-alfa del hierro.

 Gracias a K-alfa se han conocido las estructuras del ADN y las proteínas y eso ha implicado enormes avances en medicina, farmacología, biología…. Y esto debería recordarse, pues a veces financiar el estudio de la física o la química conlleva importantes avances en otros campos, como la medicina.

Las emisiones K-alfa de los elementos se calculan con mucha facilidad segun la ley de Moseley:

K-alfa (electronvoltios) = 10.2 [(Z-1)^2], donde Z es el número atómico del elemento.

Por ejemplo, en el caso del cobre, con Z=29, la transición K-alfa sería 7.99 KeV.  

Este resultado es muy importante, ya que, en su descripción mas general, establece la relación entre las propiedades periódicas de los elementos de la Tabla Periódica y sus propiedades físicas. Moseley encontró la lógica física de la ordenación química de los elementos de la Tabla Periódica. 
Henry Moseley
Moseley probablemente era uno de los científicos mas brillantes de la primera mitad del siglo XX. Quien sabe hasta dónde podría haber llegado si no hubiera muerto con tan sólo 27 años, en la Batalla de Gallipoli, en la Primera Guerra Mundial. 

  

Convirtiendo un detector de humos en un instrumento de análisis

 Hemos visto como un elemento produce rayos X característicos cuando se estimula con partículas como rayos alfa, electrones, etc. Ahora vamos a usar el americio-241 como fuente para estimular la producción de rayos X. Para ello, debemos separar la plaquita de Am-241 de un detector de humos. Este experimento es “high school grade”, por lo que los profes de bachillerato igual os podeis animar a prepararlo como proyecto con los alumnos.
 Son fáciles de reconocer por su aspecto. Yo he montado la plaquita de esta forma:

Veis la plaquita que contiene 1 microcurio de Am-241, que he pegado a un pequeño cilindro de polietileno y que, a su vez, he fijado con cola termofusible a un portamuestras de aluminio para SEM. Se trata de tener una fuente que “apunte” a la muestra, “disparando” sus rayos alfa contra ella.
Luego, con ayuda de un disipador de calor para electrónica, fabricado con aluminio, monto el “portamuestras”:

La gracia es que quede lo mas caserote posible. Veis la plaquita de americio. Delante de ella situaremos la muestra, muy pegada a la placa. ¿por que?, porque la principal desventaja de este invento es el aire. La radiación alfa tiene muy poco alcance en aire, porque choca contra sus moléculas.

Una vez ideado el modo de que la radiacion alfa emitida por la plaquita choque contra una muestra, tenemos que detectar los rayos X emitidos por ella. Para ello yo he usado un detector de centelleo de NaI(Tl) normal y corriente conectado a un analizador multicanal para generar el espectro. La ventaja de este sistema es que es mas asequible, pero la desventaja es que solo podremos ver elementos por encima del arsénico-selenio.

Este es el invento. La muestra va dentro de este “horno” de paredes de plomo (es opcional. Realmente la radiación de fondo no va a molestar demasiado a estas energías tan bajas). El cilindro metálico es el detector de centelleo.

Voy a probarlo analizando una muestra del mineral barita (sulfato de bario). Para ello, tomo un pequeño cristalito y lo sujeto con una bolita de masilla delante de la plaquita de americio, a una distancia no mayor de 1 cm. Si la cosa funciona, debería detectar los rayos X emitidos por el bario que contiene la barita. Los átomos de bario se excitan con la radiación alfa y se relajan emitiendo su K-alfa característica, que se sitúa a 32 KeV de energía:

Este es el resumen del proceso: las partículas alfa emitidas por el americio 241 impactan contra el cristal de barita, excitando los átomos, que emiten rayos X al relajarse. Este es el resultado:

donde se visualiza claramente el bario contenido en el mineral, a través de los rayos X característicos emitidos al estimularlo con 1 microcurio de Am-241.
 Esta técnica de análisis se denomina APXS (‘Alpha Particle X ray Spectrometry’) y constituye una importante aplicación de isótopos radiactivos como el americio en el análisis no destructivo de minerales y metales. La APXS es un subtipo de las técnicas PIXE (Particle Induced X-ray Emission).

 Marte


Marte tiene una atmósfera mucho menos densa que la nuestra, por lo que allí el APXS es un instrumento ideal de análisis. Así, ha sido empleado en diversas misiones de exploracion, usándolo en el análisis de minerales de las rocas marcianas.

 El pionero de los rovers marcianos, el Sojourner, iba equipado con un APXS, que veis en en centro de la imagen. El aparato consistía en 6 fuentes radiactivas de curio-244, que se acercaban a la roca con un brazo robótico. Unos detectores determinaban la composición de la roca en base a la radiación emitida como he explicado antes. Para el espacio se prefiere el curio al americio debido a que el Cm-244 tiene un periodo de semidesintegración mucho mas bajo (18.1 años) y tiene muchísimo mas rendimiento energético, con lo que el espectro producido es mas intenso.

Ahora, el rover Curiosity  esta realizando un intenso trabajo científico en Marte. También va equipado con un instrumento similar, que fué diseñado en un laboratorio canadiense:

Credito de la imagen: NASA/JPL-Calltech/Cornell/Max Planck Institute für Chemie/University of Guelph

Se ven las seis fuentes de curio-244, que son los círculos del centro. La abertura del aparato se acerca a la superficie de la roca a analizar y los detectores situados en la parte de atras hacen el resto.

Imagen: NASA/JPL-Calltech/MSSS

Aqui veis el aspecto del APXS en la torreta del rover Curiosity, en un autorretrato que se ha realizado en su zona de trabajo de Marte.  Se ven bien las seis fuentes de curio-244. Y además funciona de maravilla:

Imagen: NASA/JPL/University of Guelph

Espectro de rayos X  de la roca “Jake Matijevic” obtenido por el APXS del Curiosity. Cada pico es una K-alfa característica de cada elemento. Estos datos, junto con los de los otros instrumentos del Curiosity, que le convierten en un geólogo y geoquímico robótico muy completo, nos están proporcionando una información muy valiosa sobre nuestro planeta “hermano”, que, de momento, es mas estéril de lo que podríamos haber pensado. Mucho hemos aprendido desde que, en 1877, el astrónomo Giovanni Schiaparelli descubrió los “canales de Marte”, inciando el deseo de la humanidad por viajar a ese planeta y explorarlo.
La imaginación no tiene límites y Percival Lowell propuso que eran canales de irrigación usados por una civilización asombrosa, compuesta, como no podría ser de otra forma…por chicas guapas asombrosamente sexys. Bueno, esto último fué idea de Edgar Rice Burroughs, pero estoy convencido de que la mayoría de los señores de la época soñaron con un Marte lleno de..:

Dejah Thoris, la Princesa de Marte…

Pronto se vió que los canales no eran mas que una ilusión óptica, que Marte es un desierto volcánico reseco y, ahora, los rovers equipados con instrumentos como el que os he descrito, lo exploran en profundidad para revelar la mayor parte de sus secretos.

Si no fuera porque tener a tu disposición 30 milicurios de curio-244 y un detector de rayos X adecuado no es nada fácil… un instrumento portátil como éste podría ser muy util en infinidad de aplicaciones. Y ya veis que no es demasiado dificil construir una versión mas “casera” de la tecnología con la que estamos explrorando Marte. Basta un simple detector de humos.

 Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Química, acogido por el blog Roskiencia,  que escribe Ismael

6 Comments

  1. 2º post, y 2ª maravilla para el Carnaval de Química. Post increíblemente buenísimo. Estoy en 3º ESO pero, igual que el 9º post del Carnaval de Mecánica Cuántica (que por cierto me encantó), este lo he entendido. He buscado información complementaria en otras fuentes a la vez que he ido leyendo, para así comprenderlo más o menos.

    Me ha gustado mucho, has reflejado el elemento 95 desde sus orígenes en la Historia (pasando por varios personajes muy importantes) hasta el planeta vecino. Me encanta, César.

    Un saludo,
    Roskiencia.

    PD.: Sigue viciándote, y cuánto más peligroso…más interesante :-)))

    1. Genial, me alegra que se haya entendido bien. El elemento 95 es muy interesante y uno de los transuránicos mas importantes…el estudio de su química cerró la forma actual de la Tabla Periodica…
      Sigue asi, si en 3º de ESO vas asi, igual tendremos un fururo físico o químico de los buenos, no?

  2. Genial!!! Me he reído mucho con la referencia a Greenpeace xD Justo al preparar mi entrada sobre el elemento 114, leí que los científicos de Dubna especulaban acerca de sus usos, comparándolo con el americio en medicina y en detectores de humo, ¡a ver! (Por cierto, la historia de los científicos de la Segunda Guerra Mundial es una de mis debilidades). Y me encanta que nos mandes “deberes” en forma de experimentos, me encantaría fabricarme uno como el de las fotos jeje 😉

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