RADIACTIVIDAD: CONCEPTOS BÁSICOS Y EMISIONES NUCLEARES.

INTRODUCCIÓN: PICTOGRAMAS DE ADVERTENCIA

Las emisiones radiactivas son peligrosas ya que pueden provocar daños (sobre las personas, sobre los alimentos, sobre el suelo, etc.) a corto o mediano plazo dependiendo de las condiciones de exposición y del tipo de radiación recibida. Por lo anterior los materiales radiactivos y los lugares donde se trabaja con ellos deben estar debidamente señalizados. Tradicionalmente, y aún se sigue usando, se ha utilizado sólo el trébol de tres hojas en diferentes colores para indicar la presencia o no de fuentes radiactivas. El color del trébol es un indicador de la intensidad de las radiaciones y puede ser, de menor a mayor intensidad, gris azulado, verde, amarillo, naranja o rojo.

Dicha gama de colores nos brinda una idea del posible grado de contaminación radiactiva o, dicho en otros términos, la presencia no deseada de sustancias radiactivas en el entorno en función de parámetros preestablecidos. Si la exposición a radiaciones supera en intensidad a determinados valores los riesgos y efectos de la radiación aumentarán y será preciso entonces adoptar medidas preventivas. En el primer caso el símbolo nos advierte que existen radiaciones pero las dosis a las que se está expuesto no superarían el límite legal preestablecido por lo que es una zona vigilada que no tendría riesgos de contaminación. En el otro extremo (dado por el color rojo) se indica que es muy probable que se supere el límite antes mencionado, los efectos de riesgos sobre la salud productos de la exposición a la radiación son elevados por lo que está prohibido su acceso sin medidas precautorias: en caso de acceder a esa zona, básicamente por alguna situación de emergencia, debe hacerse con traje protector adecuado y no permanecer en el lugar más de cinco minutos.

Desde el año 2007 los pictogramas anteriores se han cambiado por la imagen que se muestra. En un comunicado la OIEA (International Atomic Energy Agency) señala que el nuevo pictograma pretende "reducir las muertes innecesarias y daños serios por la exposición fortuita a focos radiactivos". El nuevo emblema busca reforzar la advertencia de riesgo ya que la anterior imagen carecía de significados intuitivos y era de conocimiento restringido a aquellos que de alguna manera la habían aprendido con anterioridad. La nueva imagen: sobre un fondo rojo (que podría simbolizar la sangre que se ve en los accidentes) mantiene en la parte superior el símbolo anterior agregándole rayos que salen, la imagen de la muerte y una figura humana disparando (yéndose del lugar) guiado por una flecha que le ayuda a darse cuenta hacia donde debe salir. De esta manera el pictograma nuevo sería mucho más claro y llamativo, más expresivo "del peligro y del manténgase alejado" y por lo tanto más comprendida por todos.

RADIACTIVIDAD Y TRANSFORMACIONES NUCLEARES

Por definición los isótopos tienen igual número atómico (son átomos del mismo elemento) y diferente número de masa y su abundancia en la naturaleza es diferente. Además se diferencian por la estabilidad de sus núcleos: algunos de ellos ( como por ejemplo el ¹⁴₆C ) son inestables, radiactivos y mediante un proceso de desintegración espontánea emiten partículas subatómicas y radiación. Las causas de la inestabilidad nuclear son: exceso de neutrones, elevada cantidad de protones y neutrones y exceso de energía, exceso de protones (en núcleos de isótopos sintetizados por el hombre). Los isótopos que reúnen los requisitos anteriores se denominan radioisótopos  y a sus núcleos los llamaremos radionucleidos. Podemos definir entonces la radiactividad como la desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas y de radiaciones electromagnéticas (rayos γ y X).
El proceso general de desintegración nuclear podemos representarlo mediante el siguiente esquema:
Núcleo Padre (inestable, alto contenido energético)    →  Núcleo Hijo (más estable, menor contenido energético)  +  partículas o ondas electromagnéticas (α, β o γ)  +  energía.
Como veremos existen varios tipos de emisiones y según los casos estaremos frentes a diferentes cambios o trasformaciones nucleares (que se producen en forma natural o provocadas por el hombre). Brevemente y antes de analizar las diferentes emisiones, se resumen las principales características de las transformaciones nucleares: las sustancias cambian; excepto en las emisiones  γ, los elementos químicos cambian; la masa no se conserva: la masa perdida se transforma en gran cantidad de energía que se libera (durante la desintegración nuclear se emite energía).

 EMISIONES α

El esquema corresponde a la emisión de un núcleo de Radio: el de número másico 226. Este núcleo se desintegra transformándose en un núcleo de Radón ( ²²²₈₆Rn) emitiendo una partícula α.

Las partículas α son núcleos de Helio: se representan por:  ⁴₂He  o  ⁴₂α; están formados por 2 protones y 2 neutrones: en consecuencia su masa es elevada con respecto a las partículas β y se mueven a menor velocidad. Entonces: el poder de penetración en la materia es escaso y pueden ser detenidas por una hoja de papel o una lámina de plástico.

Por otro lado estas partículas tienen carga +2 y eso hace que sean las más ionizantes (y como veremos más dañinas al ingerirlas).

Por último en estas transformaciones nucleares el número másico disminuye en 4 al tiempo que el número atómico lo hace en 2.

ECUACIONES NUCLEARES

Antes de continuar con otras emisiones nucleares, indicaremos que estas trasformaciones se representan mediante una expresión llamada ecuación nuclear: a la izquierda se coloca el núcleo emisor y a la derecha la radiación emitida y el núcleo resultante (ambos miembros de la ecuación se separan mediante una flecha que indica el sentido de la transformación). Además en cada especie participante se colocan: como superíndices el número másico y como subíndice el número atómico (o la carga según corresponda de la partícula emitida). Lo anterior se debe a que la ecuación nuclear debe estar balanceada: se debe cumplir que el número total de protones y neutrones (números másicos)  y el número total de cargas nucleares deben ser los mismos en ambos miembros de la ecuación.

Así la ecuación nuclear que representa la transformación anterior es:  ²²⁶₈₈ Ra   →   ²²²₈₆ Rn   +   ⁴₂α 

 Observamos que la ecuación está balanceada: a) la suma de los números másicos (superíndices) es: 226 a la izquierda de la ecuación y 222 + 4 = 226 a la derecha de la ecuación.

 b) la suma de cargas (subíndices) es: 88 a la izquierda de la ecuación y 86 + 2 = 88 a la derecha de la ecuación.

EMISIONES β

La ecuación anterior corresponde a una emisión del núcleo de carbono-14: éste emite una partícula β y se transforma en núcleo de nitrógeno-14.

Con el ejemplo observamos que las emisiones β son electrones (⁰_-1e) saliendo del núcleo atómico y por lo tanto tienen carga -1. Los electrones son partículas subatómicas que se mueven en la periferia del átomo. Surge entonces la pregunta: ¿cómo es posible que escape un electrón de un núcleo si dicha partícula no está ahí? La respuesta es que un neutrón (¹₀n) que estaba en el núcleo se transforma en un protón (¹₁p) que queda en el núcleo y un electrón (⁰_-1e) que sale del átomo. El cambio producido en el núcleo durante una emisión β lo podemos representar mediante la siguiente ecuación:  ¹₀n   →   ¹₁p   +   ⁰_-1e.

La ecuación anterior explica además que en una emisión  β el núcleo resultante aumentará su número atómico en una unidad con respecto al núcleo emisor (asimismo mantendrá el número másico del núcleo original).

Las emisiones β al tratarse de electrones tienen masa muy pequeña y se moverán con mayor velocidad que las partículas α y en consecuencia tienen mayor poder de penetración en la materia que las mismas. Esto provocará daños más difusos en los tejidos al liberar energía en un trayecto largos (en los tejidos vivos puede llegar hasta los huesos). Esta radiación puede detenerse con una lámina de aluminio.

Por otro lado al tener menor carga que las partículas α  el poder ionizante de las emisiones β será menor que en la radiación α. 

Por último observamos que la ecuación nuclear planteada está balanceada (como debe ser).

EMISIONES γ

Consideremos 2 ejemplos de emisiones gamma (γ): correspondientes a núcleos de Tecnecio-99 y Uranio-236 como lo muestran las ecuaciones nucleares respectivas. Observamos que los núcleos resultantes han mantenido los números atómicos y los números másicos del núcleo original. Por otro lado, el núcleo emisor se ha escrito entre paréntesis y con un asterisco como superíndice. Lo anterior se debe a que en esta emisión un núcleo inestable, con exceso de energía se estabiliza emitiendo una radiaciones γ: que tienen carga y masa nula y en realidad son ondas electromagnéticas de elevada energía y de naturaleza similar a la de la luz. Una consecuencia es que estas radiaciones se desplazan a una velocidad mucho mayor que las anteriores emisiones vistas (α y β) resultando muy penetrantes: atraviesan el cuerpo humano y la protección sólo es posible con láminas de plomo o gruesos bloques de hormigón. A medida que estas radiaciones atraviesan la materia van perdiendo energía y pueden producir importantes modificaciones en la materia (en los tejidos vivos se pueden producir daños de diferentes magnitud, algunos irreparables.

Por último al no tener cargas las radiaciones γ son menos ionizantes que las emisiones vistas anteriormente.

RESUMEN DEL PODER DE PENETRACIÓN DE LAS EMISIONES VISTAS.

OTRAS EMISIONES

EMISIÓN DE POSITRONES.

La imagen nos brinda una idea de una de las aplicaciones de este tipo de emisión: es una técnica de medicina nuclear de gran utilidad que junto a otras permite obtener un diagnóstico de afecciones  oncológicas, cardiológicas, neurológicas,etc.

Un ejemplo de esta emisión es producida por el núcleo de carbono-11 según la siguiente ecuación nuclear: ¹¹₆C   →   ¹¹₅B   +   ⁰₁e. Se observa que un núcleo de carbono-11 produce un núcleo de boro de igual número másico y libera un positrón.

Un positrón es una partícula similar al electrón pero con carga positiva. 

Como se observa, en esta emisión el núcleo resultante mantiene el número másico del núcleo original y con respecto a éste disminuye su número atómico en una unidad.

En esta emisión un protón del núcleo original se convierte en un neutrón (que pertenecerá al núcleo resultante) y se libera un positrón. La ecuación que nos muestra esta conversión es la siguiente:  ¹₁p   →   ¹₀n   +   ⁰₁e.

CAPTURA ELECTRÓNICA.

En este tipo de emisión el núcleo "padre" captura un electrón de la capa interna que lo rodea (es decir de un orbital) y es "consumido" por un protón del núcleo emisor liberándose en este proceso un neutrón. La ecuación que nos muestra este cambio nuclear es la siguiente:  ¹₁p   +   ⁰_-1e   →   ¹₀n.

Un ejemplo de esta emisión está dado por los núcleos de Rubidio- 81. La ecuación correspondiente es:

⁸¹₃₇Rb   +   ⁰_-1e (electrón orbital)   →   ⁸¹₃₆Kr

Se observa que el núcleo resultante mantiene el número másico del núcleo emisor y con respecto a éste disminuye en una unidad el número atómico.

RADIACIÓN Y SALUD HUMANA

Las partículas α y β, los rayos γ, al igual que otras radiaciones (radiaciones infrarrojas, ultravioletas y visibles del Sol, ondas de radio de estaciones de televisión y radio, etc.) son perjudiciales para los humanos y otros seres vivos: tienen energía suficiente para romper enlaces químicos o para ionizar moléculas del tejido vivo. Se producen así iones (o radicales libres) que son muy reactivos y pueden romper las membranas de las células, reducir la efectividad de las enzimas y aún dañar los genes y los cromosomas.

El daño que produce la radiación depende de la actividad y energía de la misma, de la duración de la exposición y de si la fuente radiactiva está dentro o fuera del cuerpo. Fuera del cuerpo los rayos γ son particularmente dañinos porque penetran los tejidos humanos llegando hasta los órganos. En consecuencia los daños que causan estas radiaciones no están limitados a la piel. 

En cambio la piel detiene casi todos las emisiones α y las emisiones β sólo consiguen penetrar aproximadamente 1 cm de la superficie de la piel. Por tanto ni una ni otra son tan peligrosas como las emisiones γ, a menos que la fuente de radiación esté de alguna manera dentro del cuerpo humano. Dentro del organismo, las partículas α son particularmente peligrosas porque transfieren su energía al tejido circundante e inician daños considerables (poder ionizante).

Los tejidos más propensos al daño son los que se reproducen con rapidez (médula ósea, los formadores de sangre, los nódulos linfáticos). El efecto principal a una exposición prolongada a dosis bajas de radiación es la inducción de cáncer (causado por daños al mecanismo regulador del crecimiento celular lo que induce a que la célula se reproduzca sin control). La leucemia (crecimiento excesivo de glóbulos blancos) sería el principal problema de cáncer asociado a la radiación.

Por último cabe un comentario: en este párrafo hemos brindado un pequeño resumen de los efectos de la radiación basados en el poder de penetración y el poder ionizante de cada una. De la lectura del mismo surgiría que las radiaciones siempre tendrían un efecto negativo sobre la salud. Cabe preguntarse entonces si las mismas tienen alguna aplicación "positiva". La respuesta a esta pregunta es que sí: son muchas las aplicaciones en diferentes ámbitos de la radiaciones que brindan un beneficio al desarrollo de la humanidad y su contexto. Este aspecto positivo del tema quedará para desarrollar en otros trabajos pero desde ya se invita al lector a buscar de información sobre el uso de las radiaciones vistas.

EJERCICIO

Se tienen 3 tipos de galletitas como indican las figuras: una de miel (a la izquierda) contaminada con ¹⁰⁶₄₃Tc (emisor α); otra de chocolate (en el centro) contaminada con ²¹⁸₈₄Po (emisor β); y la restante de coco contaminada con ¹³⁷₅₅Cs (emisor γ).

  

Suponga que no puede "liberarse" de las radiaciones emitidas por las galletitas y está "obligado" a ingerir una de ellas: ¿cuál elegiría comer para que el daño causado a su organismo sea el menor posible? Justificar la elección.

Si dispone de una hoja de aluminio: ¿qué haría luego con las restantes galletitas para disminuir su exposición a la radiación? Justificar la respuesta.

Escribir las ecuaciones nucleares involucradas en cada caso.