Radiactividad

INTRODUCCIÓN El descubrimiento de la radiactividad es relativamente reciente. En noviembre de 1895 Röentgen, mientras experimentaba con rayos catódicos,

descubre los rayos X,

radiaciones que presentan una serie de propiedades desconocidas hasta ese momento. Se trata de ondas electromagnéticas originadas por el choque de electrones con un determinado material, en el interior de un tubo de vacío. Este descubrimiento le reportó el Nobel de Física en 1901.

Henri Becquerel en febrero de 1896, interesado en el descubrimiento de Röentgen, intenta averiguar si algunos materiales expuestos a la radiación solar son capaces de emitir rayos X. La ausencia de sol el día del experimento hace que Becquerel guarde el material a ensayar, un mineral de uranio,

en un cajón junto con unas placas fotográficas

debidamente protegidas de la luz. Al día siguiente, las placas fotográficas estaban veladas como si hubiesen estado expuestas a radiación similar a los rayos X. Dicha radiación provenía del mineral.

En este campo comienza a investigar el matrimonio Curie, los grandes protagonistas en estos inicios en el campo de la radiactividad. Así, el matrimonio Curie, hacia el año 1898, descubre nuevas sustancias con la misma propiedad y consiguen aislar nuevos elementos radiactivos a los que bautizaron con los nombres de Radio, nombre del que se deriva el de radiactividad, y Polonio, en honor a Polonia patria de Marie Curie. El matrimonio Curie recibió en 1903 junto a Becquerel el Nobel de Física por sus aportaciones al conocimiento de las radiaciones del Uranio.

Posteriormente, se le

concedió, en 1911, a Marie Curie el premio Nobel de Química por su descubrimiento sobre los nuevos elementos radiactivos que marcan el comienzo de un nuevo campo para la ciencia: la radiactividad y la energía atómica.

La evolución de la energía atómica es impulsada por los sucesivos descubrimientos entre los que cabría destacar: •

La teoría de la relatividad de Albert Einstein (1905).

•

Los trabajos de Ernest Rutherford (1911), quien por una parte consigue distinguir los tres tipos de radiaciones existentes, alfa, beta y gamma, y por otra parte propuso también un modelo atómico. En este modelo el átomo está formado por un núcleo con carga positiva donde se encuentra prácticamente toda la masa del átomo y en torno a éste, como un pequeño sistema planetario, se encuentran los electrones con carga negativa y masa prácticamente inapreciable.

•

El descubrimiento en 1934 de la radiactividad artificial por Irene y Federico-Curie a los que se otorga el premio Nobel en 1935.

•

Fisión nuclear por Otto Hahn (1939).

•

La construcción y puesta en marcha del primer reactor nuclear en 1942, denominado “Chicago I”, realizada por Enrico Fermi

A partir de esta fecha los usos y aplicaciones de la radiactividad han sido numerosas, pero también se hizo evidente que el uso de la radiactividad representa un riesgo. Existe el riesgo derivado del mal uso de este fenómeno ya puesto de manifiesto por Pierre Curie en 1903 a la recogida del Premio Nobel donde dijo: “No es difícil concebir que en manos criminales el radio pueda ser muy peligroso”. También se preguntó “sobre la utilidad del conocimiento sobre los secretos de la Naturaleza” para al final decir “Yo pienso que los nuevos descubrimientos acarrearán más beneficios que daños a la Humanidad”. Por otra parte existe un riesgo de daño biológico por el uso de la radiación ionizante, puesto de manifiesto por la aparición de cánceres y leucemias en los primeros investigadores que trabajaron con material radiactivo, en médicos usuarios de rayos X y por los efectos a largo plazo de las primeras explosiones atómicas.

PARTE 1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE RADIACTIVIDAD Llamamos radiación a la energía que se propaga a través del espacio. Dentro de este concepto se incluyen, entre otros, a las radiaciones no ionizantes, como la luz visible o infrarroja, o las ondas de radio, y a las radiaciones ionizantes.

I.1.- RADIACIONES IONIZANTES

Se define una radiación como ionizante cuando al interaccionar con la materia tiene suficiente energía para producir la ionización de la misma, es decir, origina partículas con carga eléctrica (iones). El origen de estas radiaciones es siempre atómico, se producen tanto en el núcleo del átomo como en los orbitales y pueden ser de naturaleza corpuscular (partículas subatómicas que se mueven a altas velocidades) o electromagnética, rayos X, rayos gamma (γ), caracterizada por tener una energía fotónica muy elevada.

Clases de radiaciones.

Las principales clases de radiaciones ionizantes son: •

La emisión de partículas nucleares alfa, beta y neutrones

•

La radiación electromagnética gamma de origen nuclear

•

La emisión de rayos X

Origen de las Radiaciones Ionizantes.

Dependiendo del origen podemos distinguir entre radiactividad natural y radiactividad artificial

La radiactividad natural siempre está presente en el medio ambiente, tanto de origen cósmico como procedente de los materiales radiactivos existentes en la naturaleza.

El ser humano ha estado expuesto a las radiaciones ionizantes desde el comienzo de los tiempos. El conjunto de radiaciones naturales se conoce como radiación de fondo

(Fondo),que depende de numerosos factores como el lugar de residencia, la altitud, materiales de construcción, la composición del suelo y otras. Recibimos continuamente esa radiación, ingerimos a diario productos que contienen cantidades muy pequeñas de sustancias radiactivas y todos los seres vivos acumulamos pequeñas cantidades de algunos isótopos radiactivos.

La radiactividad artificial es la que se produce por la intervención humana, aunque su fuente sea natural, para obtener beneficios que, obviamente, tienen que ser superiores al riesgo que representan. Actualmente el uso de radiaciones ionizantes se extiende a campos muy diversos: medicina, tanto en el diagnóstico como en los tratamientos clínicos, investigación, obtención de energía, radiografías industriales, en la agricultura y otros muchos.

Fuentes de Radiaciones ionizantes Las fuentes de radiaciones ionizantes son naturales, como los isótopos radiactivos y los rayos cósmicos procedentes del espacio, y artificiales, como los generadores de radiación.

Los generadores de radiación son equipos en los que partículas cargadas se aceleran mediante campos eléctricos hasta producir radiación ionizante. En unos casos el objetivo del equipo es producir la radiación, como en el caso de los equipos de rayos X y en otros muchos, como la microscopía electrónica, la radiación ionizante se produce como efecto secundario indeseable.

Del conjunto de fuentes radiactivas a las que nos encontramos sometidos el mayor porcentaje de dosis recibida procede de la radiactividad natural. La figura siguiente muestra la distribución de la dosis por las distintas fuentes.

I.2.2.- ISÓTOPOS, ISÓTONOS, ISÓBAROS e ISÓMEROS En función de las características físicas de los elementos químicos podemos distinguir entre isótopos, isóbaros, isómeros e isótonos:

Los isótopos son átomos del mismo elemento, con igual número de protones, pero distinto número másico A y por tanto distinto peso atómico.

A=N+Z Notación:

Z A

X

Z = número de protones. Número atómico.

A = número másico N = número de neutrones

Los nucleidos, así denominamos a los elementos cuando los caracterizamos por sus núcleos, que tienen el mismo número de neutrones, N, se denominan ISÓTONOS.

Los nucleidos caracterizados por tener el mismo número másico A, reciben el nombre de ISÓBAROS.

Un núcleo, de la misma forma que ocurre en el átomo, puede encontrarse energéticamente en niveles excitados que tienden a retornar al estado fundamental con vida media muy corta (10-15 a 10-13 s) emitiendo radiación gamma. Si el nivel excitado es metaestable, (vida media que puede alcanzar años) se dice que el núcleo excitado es un ISÓMERO del mismo núcleo en su nivel fundamental. Los isómeros se representan con la letra m tras el símbolo másico.

Número

Número

Número de

atómico Z

másico A

neutrones n

ISÓTOPOS

=

≠

≠

35 17

ISÓBAROS

≠

=

≠

64 29

Cu

64 28

ISÓTONOS

≠

≠

=

23 12

Mg

24 13

ISÓMEROS

=

=

=

137 m 56

Nombre

Ejemplo Cl

Ba

37 17

Cl Ni Al

137 56

Ba

I.3.- DESINTEGRACIONES RADIACTIVAS Los protones, que están cargados positivamente, se repelen y se mantienen unidos en el núcleo por la intercalación de los neutrones, que tienen masa similar a los protones sin carga eléctrica, mediante las llamadas fuerzas nucleares. No todos los isótopos son estables. A veces la relación número de protones y neutrones no es la óptima y se requieren altos niveles energéticos para mantenerlos unidos. En estos casos, los núcleos inestables se reestructuran, a veces se desintegran, y emiten el exceso de energía por distintos mecanismos para transformarse en otros isótopos que, a su vez, pueden desintegrarse hasta que al final de la cadena se llega a isótopos estables.

La radiactividad o desintegración radiactiva es un proceso complejo por el que el núcleo atómico inestable alcanza una estructura de mayor estabilidad, emite partículas o fotones y puede transformarse o no en otro elemento químico. Los nucleidos inestables que se transforman espontáneamente con el tiempo formando otros nucleidos mediante procesos de desintegración se conocen como nucleidos radiactivos o radionucleidos.

Actualmente se conocen unos 2000 nucleidos, de los cuales son estables 274.

Los isótopos radiactivos decaen por distintos mecanismos que resultan en la emisión de diferentes tipos de radiaciones ionizantes que pueden tener naturaleza

corpuscular o electromagnética. Los principales tipos de desintegraciones las agrupamos en: partículas α, partículas β , neutrones y radiación γ. En el laboratorio de investigación biológica los materiales radiactivos usados son emisores β o γ.

En la figura siguiente, correspondiente al experimento de Rutherford, se pone de manifiesto el carácter corpuscular y la carga de las partículas alfa y beta, y la naturaleza electromagnética de la radiación gamma.

α

γ

+ β

Material radiactivo

I.1.3.- DESINTEGRACIÓN α La partícula α es equivalente a un núcleo de Helio con masa cuatro y 2 protones.

Por tanto, cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número másico se reduce en cuatro unidades y su número atómico en dos unidades. Este proceso se da en átomos con un número atómico elevado. El proceso de desintegración alfa va acompañado de la emisión de una gran cantidad de energía procedente del defecto másico producido. Los emisores α, que corresponden a átomos pesados como el radio y el uranio, no se suelen usar en el ámbito de la investigación biológica.

•

A Z

X --->

A− 4 Z −2

Y+

226 86

Ra →

222 84

Rn +

4 2

He 4 2

α

Este tipo de desintegración se produce debido a la inestabilidad derivada de la repulsión coulombiana entre los protones del núcleo. Se produce en núcleos pesados con número másico superior a 140, la causa fundamental de la inestabilidad nuclear se debe al desequilibrio entre las fuerzas repulsivas, que crecen proporcionalmente a la relación Z(Z-1), y la fuerza nuclear de unión, que crece con el número másico.

La energía de las partículas α emitidas por radionucleidos naturales se encuentran

entre 1,8 MeV (

144

Nd) y 8.785 MeV (212 Po), alcanzando velocidades elevadas. Los

espectros alfas son discretos, pudiendo encontrarse espectros monoenergéticos y polienergéticos.

Z

Z

ee-

Z

Z-2

+ α

I.3.2.-DESINTEGRACIÓN BETA Consiste en la emisión de una partícula β, procedente del nucleo atómico, que tiene la masa y carga de un electrón. En consecuencia el núcleo descendiente es un ISÓBARO, distinto elemento y misma masa, del núcleo precursor. La desintegración beta se extiende a la totalidad de la carta de nucleidos.

Dentro de la desintegración β podemos distinguir: •

Desintegración β-.

•

Desintegración β+.

•

Desintegración por captura electrónica.

I.3.2.1.- Desintegración βEs la emisión espontánea de partículas negativas, electrones, que emergen del núcleo a velocidades muy próximas a la velocidad de la luz.

Los espectros energéticos de las partículas β son continuos, y se extienden desde energía cero, hasta una energía máxima o límite superior que depende del radionucleido estudiado. En la desintegración β se emite, además del electrón, una nueva partícula llamada neutrino, carente de carga y masa. La energía de desintegración se reparte entre el electrón, el neutrino y el núcleo de retroceso.

Según Fermí, dado que en el núcleo no existen electrones, la transformación nuclear que se produce será que un neutrón se convierte en un protón, en un electrón y en un neutrino, según: n

p+ + e- + ν

El esquema de desintegración vendrá dado:

A Z

X→

14 6

C→

A Z +1

Y

+

β− +υ

14 7

N

+

β−

Las energías máximas de las emisiones beta se extienden desde los emisores blandos como el tritio (3H) [Emáx = 17 KeV] y el (32P) [Emáx = 1.7 MeV]

Z

Z

β- …..(e-

Z+1

Z

Son emisores β-, los radionucleidos muy ricos en neutrones y la emisión β -, que transforma un neutrón en un protón, reduce el valor del cociente N/Z con lo que el nucleido descendiente se encuentra más próximo a la zona de estabilidad.

I.3.2.2.-Desintegración β+ Consiste en la emisión de positrones por ciertos radionucleidos. El positrón tiene una masa igual a la del electrón pero su carga eléctrica es positiva aunque con valor absoluto igual al electrón.

Al no existir positrones libres en el interior de los núcleos, el proceso que tiene lugar es el siguiente: n + e- + ν

p+

X→

A Z −1

Y

+ β +ν

Cu →

64 28

Ni

+ β +ν

A Z 64 29

Por lo que disminuye el número atómico en una unidad. e

Z

-

β+

Z

Z-1

Z-1

Al emitirse un positrón, el nucleido descendiente queda con una carga nuclear Z-1, pero con Z electrones, del que se desprende un electrón cortical. Los positrones emitidos son partículas inestables y cuando pierden su energía, mediante choques con la materia, se combinan con un electrón libre del entorno, produciendo el fenómeno llamado de aniquilación del positrón, con la emisión de dos fotones de 511 keV. De esta forma la masa de ambas partículas se convierten en energía de 511 keV que se propaga en la misma dirección pero en sentido opuesto. A esta radiación electromagnética se le denomina de aniquilación.

Los radionucleidos emisores β

+

son aquellos que se encuentran situados por

encima de la línea de estabilidad. Es decir, aquellos núcleos excesivamente ricos en protones. El espectro β+ es contínuo, desde energía nula a un valor máximo que depende del radionucleido considerado y que para las emisiones más duras alcanza el valor de unos 5 MeV.

I.3.2.3.-Captura Electrónica Los electrones de la corteza atómica en el curso de su movimiento, se aproximan en ocasiones al núcleo, y según la mecánica ondulatoria, incluso pueden penetrar en su interior. La probabilidad que esto ocurra aumenta para los electrones de la capa K. e

Z

-

Z

Z-1

Z-1

En átomos ricos en protones, estos electrones pueden ser capturados por el núcleo y se produce el proceso: n+ν

p+ + eDisminuyendo el número atómico en una unidad.

A Z

X→

64 29

A Z −1

Cu →

Y

64 28

+ν

Ni

La captura electrónica es un procedimiento competitivo con la desintegración β+.

Todo radionucleido que se desintegre mediante β+ puede hacerlo como captura electrónica. La inversa no es necesariamente cierto, debe existir un nivel umbral mínimo.

En todo proceso de captura electrónica, el átomo descendiente queda ionizado, con una vacante en la capa K, con lo que al producirse el reajuste electrónico en el átomo descendiente, se producirá la emisión de rayos X característicos.

Como ejemplo completo de desintegración beta se muestra el diagrama de desintegración correspondiente al 64Cu.

I.3.3.-RADIACIÓN γ La radiación gamma se produce en transiciones nucleares entre niveles excitados.

La

emisión de radiación gamma es un proceso mediante el cual un núcleo que se

encuentra en uno de sus niveles excitados pasa a otro de menor energía mediante emisión

de radiación electromagnética. La energía de los fotones de radiación gamma se encuentra, en los casos más habituales, entre el keV y el MeV. Las radiaciones γ producen ionización indirecta que libera electrones de los átomos con los que interaccionan, ionizándolos. El poder de penetración de estas radiaciones es grande, ya que únicamente son desviadas o neutralizadas por impacto con los electrones orbitales.

I.3.4.- RAYOS X La emisión de rayos X corresponde a la zona del espectro electromagnético por encima de la radiación ultravioleta, su intervalo energético abarca entre unos 100 eV y 250 keV.

Para que se produzca la emisión de rayos X, es necesario que se produzca una vacante electrónica, o inonización en una capa electrónica profunda, ya que los electrones de estas capas poseen una energía de ligadura muy alta.

Por lo general, los rayos X se generan artificialmente en un tubo de vacío a partir de un material que no tiene radiactividad propia, por lo que su activación y desactivación tiene un control fácil e inmediato. La energía de los rayos X y su poder de penetración son proporcionales a la tensión eléctrica utilizada para su producción, alrededor de los 100 kV para los rayos X de diagnóstico y entre 15 kV y 50 kV en los equipos para análisis.

I.3.5.- RADIACIÓN DE NEUTRONES La radiación de neutrones es la generada durante la reacción nuclear. Los neutrones tienen mayor capacidad de penetración que los rayos gamma y sólo pueden detenerlos una gruesa barrera de hormigón, agua o parafina.

La figura siguiente nos muestra el poder de penetración e ionización de los distintos tipos de desintegraciones vistas en los apartados anteriores.

I.4.- MAGNITUDES Y UNIDADES RADIOLÓGICAS El Sistema Internacional (SI) de unidades es un conjunto consistente de unidades que cubre todos las áreas de la ciencia y, de acuerdo con las recomendaciones de la Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU), ha adoptado una serie de unidades relacionadas con la radiactividad.

I.4.1.-ACTIVIDAD La actividad se define como el número de desintegraciones nucleares por unidad de tiempo. La unidad en el Sistema Internacional es el Bequerelio (Bq), que corresponde a una desintegración por segundo. El Curio (Ci) es una unidad histórica que equivale a 37 MBq. La desintegración radiactiva es un proceso espontáneo imposible predecir para un átomo pero la proporción de núcleos que se desintegran es constante a lo largo del tiempo, es una constante estadística conocida como constante de desintegración λ.

Ln N/N0 = - λ T

⇔

N = N0 e- λ T

N0 = número de átomos iniciales N = número de átomos sin desintegrar a tiempo t λ = constante de desintegración

El periodo de semidesintegración (T1/2) es el tiempo t1/2 necesario para que se desintegren el 50% de los isótopos radiactivos existentes y tiene una relación obvia con la actividad.

N = N0/2

⇒

T1/2 = ln 2/ λ

La vida media es el valor medio de duración de los átomos de una sustancia radiactiva. Es una constante característica

de cada isótopo, independiente de las

influencias del entorno. Existen radionucleidos que tienen vidas medias que duran segundos como el Po-211, días como el P-32 y miles de años como el C-14. τ = 1/λ = T1/2 / 0,693

La energía que transporta la emisión radiactiva, que se mide en electronvoltios (eV), es del orden de keV a MeV. Depende del radioisótopo y en general aumenta con el tamaño de la partícula emitida.

Es muy importante no confundir la actividad o la energía de la radiación con la dosis, que es una medida del efecto que causa la radiación sobre el receptor. La dosis depende tanto de la energía que se libera en el receptor como de la calidad de la radiación.

I.4.2.-EXPOSICIÓN Se emplea para medir la capacidad de la radiación para producir iones en el aire.

Su unidad en el sistema internacional de medida es el C/Kg

I.4.3.-DOSIS ABSORBIDA. La dosis absorbida se define como el cociente entre el valor medio de la energía cedida por la radiación y absorbida por una cantidad de masa dm,

dE J = dm kg

D=

La tasa de dosis se define como la dosis absorbida por unidad de tiempo.

D Gy D& = = t s I.4.4.-DOSIS EQUIVALENTE. La dosis equivalente, que se mide en Sievert (Sv), que equivale a 100 rems en el Sistema Cegesimal, tiene en cuenta tanto la cantidad de energía que absorbe el tejido vivo como la calidad de sus repercusiones biológicas según el tipo de partículas. En los emisores γ o β usuales en investigación, el Gray y el Sv son equivalentes y al hablar de dosis nos referimos a la dosis equivalente que se mide habitualmente en milisievert.

Dosis equivalente (Sv) = Dosis absorbida (Gy) x WR

La dosis absorbida en un tejido orgánico no determina el efecto biológico resultante, ya que intervienen otros factores tales como: •

Naturaleza de la radiación.

•

Energía y espectro de la radiación.

•

Tipo de efectos biológicos.

En la tabla siguiente se muestran los coeficientes de ponderación, WR para cada tipo y rango de energías.

TIPO Y RANGO DE ENERGÍA

WR

Fotones, todas las energías

1

Electrones y muones, todas las energías

1

Neutrones, de energía

<10 KeV

5

>10 KeV a 100 KeV

10

> 100 KeV a 2 MeV

20

> 2MeV a 20 MeV

10

> 20 MeV

5

Protones, salvo los de retroceso, de energía > 2 MeV

5

Partículas alfa, fragmentos de fisión, núcleos pesados

20

I.4.5.-DOSIS EFECTIVA La dosis efectiva, que se mide en Sievert, se define como la suma de las dosis equivalentes ponderadas en todos los tejidos y órganos del cuerpo procedentes de irradiaciones internas y externas.

En la tabla siguiente se muestran los coeficientes de ponderación, WT, para cada uno de los órganos y tejidos considerados.