La sección anterior trataba del tamaño de los objetos, en particular de la escala nanométrica y de lo
que conocemos sobre átomos y moléculas. Una vez que entendemos la estructura del átomo, y de su núcleo en
particular, podemos estudiar alguno de los aspectos más interesantes del mismo.
Uno de las mayores campos de estudio de la física nuclear es la radiactividad, un fenómeno natural de algunos
núcleos. La radiactividad está en todas partes a nuestro alrededor: en el suelo, en el espacio... y hasta en
nosotros mismos. Estamos constantemente expuestos a radiación, no sólo cuando nos hacemos una placa de rayos
X. De modo que es vital entender cómo funciona.
En esta sección describiremos el descubrimiento de la radiactividad, y después veremos qué la causa, de dónde
viene y finalmente cómo interacciona con el mundo que nos rodea.
Hemos visto que algunos elementos son radiactivos, mientras que otros no lo son. Esto implica que la
radioactividad se genera al nivel atómico, por lo que hay que examinar los átomos, en concreto los núcleos,
para entenderla mejor.
Hay tres tipos de radiación resultantes de los átomos radiactivos: alfa, beta y gamma. Consiste en la emisión
de partículas, o energía, desde el núcleo del átomo cuando el núcleo es inestable. Podría decirse que es la
desintegración de los átomos debido a su inestabilidad.
Entonces, ¿por qué algunos átomos son inestables y otros no?
Esto se aborda en una sección posterior, pero por el momento digamos que se debe al diferente número de
nucleones en el núcleo, y en particular la razón entre protones y neutrones. Los diferentes tipos de
radiación se emiten para distintos tipos de inestabilidad. Por eso diferentes
fuentes emiten radiación diferente.
La inestabilidad no se limita a ciertos núcleos. Los neutrones se desintegran e incluso los protones se
acaban desintegrando, ¡pero al cabo de un tiempo de aproximadamente 1034 años! De manera que a la escala
de la vida humana sobre la Tierra, los protones se consideran estables.
Ahora que ya tenemos una idea de lo que es la radiación, podemos ver dónde la podemos encontrar en la práctica.
La radioactividad no sólo se limita a esos elementos peligrosos que hemos descubierto como el uranio o el radio. Estas son las fuentes naturales mas fuertes que conocemos, pero la radioactividad también se encuentra en menores cantidades en otros lugares. La radiación que Becquerel descubrió que provenía de las sales de uranio, también se puede encontrar en rocas, en el espacio exterior, en el aire que respiramos, en el agua que bebemos, en el mar en que nadamos y en nuestros propios cuerpos. Es posible que le sorprenda aprender que usted y que todas las personas que conoce son radioactivas, y quizás puede hasta que piense que esto ha sido causado por el mundo tecnológico moderno que hemos desarrollado con reactores nucleares, ordenadores y equipos médicos de rayos X, pero en realidad usted está equivocado. Desde que existe la vida en la tierra, todas las plantas y animales que han vivido en el planeta han sido radioactivas. Esto es parte de la historia de la vida en la tierra. Veamos entonces donde hemos encontrado radioactividad con mayor detalle.
Se pueden encontrar elementos radioactivos a nuestro alrededor en todas partes en la tierra. Minerales como el granito contienen algunos compuestos del uranio. En realidad el uranio es tan abundante en el suelo y en las rocas como otros metales como el estaño, el zinc o el tungsteno. Sin embargo hay otros compuestos radioactivos que son más comunes, como por ejemplo el torio, que es aproximadamente tres veces mas abundante que el uranio en la Tierra. En el siglo XIX, antes de que la iluminación con luz eléctrica dejara obsoleta la iluminación por gas, el óxido de torio se utilizaba en las lámparas de gas para que éstas brillaran mas intensamente. Puede que en el siglo XXI el torio se convierta en un posible combustible para las centrales nucleares.
La imagen del mapa nos muestra la radiación ambiental de fondo en Europa. La diferencia entre las distintas áreas proviene principalmente de los diferentes tipos de rocas que componen los territorios de los distintos países. Por ejemplo en el centro oeste de la Península Ibérica el suelo contiene principalmente granito, lo que provoca que la radioactividad ambiental en esta región sea mas elevada que en otras partes de España, donde las rocas mas abundantes están formadas por caliza y arenisca. Áreas del centro de Francia pueden presentar elevados niveles de radiación, en este caso proveniente del radón de las rocas. Pero a parte de las rocas, existen otras fuentes de radiación a las que estamos expuestos.
En la inmensidad del espacio existen fuentes variadas de radiación, que incluyen chorros superlumínicos (con velocidades aparentes superiores a la de la luz) de radio galaxias, agujeros negros y hasta los mismos planetas de nuestro sistema solar. Los astrónomos utilizan telescopios especiales para estudiar estos tipos de radiación que incluyen la radiación gamma y rayos X. Estas fuentes de radiación emiten en todas direcciones y aunque pueden encontrarse a distancias de cientos de miles de años-luz, la radiación proveniente de ellas puede alcanzarnos. Lo que detectamos como fuentes errantes de radiación proveniente del espacio, es conocido como rayos cósmicos. Se pueden detectar en mayor número a medida que escalamos mayores alturas. En la cima de una montaña se pueden detectar muchos más que a nivel del mar, ya que tienen que atravesar menos capas de la atmosfera. Es difícil evitar la radiación cósmica y en ocasiones son una molestia para los científicos. En ocasiones es necesario medir radioactividad muy débil. Esto puede ocurrir por ejemplo cuando estamos interesados en medir fuentes gamma muy débiles, a gran distancia, que emiten muy débilmente en nuestra dirección o incluso cuando queremos estudiar el fondo de radiación de microondas producido por la expansión del universo.
En la imagen de la derecha se puede ver un detector que está situado a 1,4 km bajo la cima de la montaña, en Italia (Laboratori Nazionali del Gran Sasso).
A medida que los ríos fluyen sobre el suelo y las rocas, arrastran consigo todo tipo de sales
disueltas en el agua. A veces, con el paso del tiempo, el agua se evapora por la acción del sol y las sales
se concentran. Como casi todas las rocas contienen uranio, no es sorprendente que el mar contenga uranio
también. Esto hace al mar algo radioactivo, pero no sólo eso. El mar también contiene
40K (se pronuncia potasio 40). Esta sustancia es la mas importante entre las que hacen
nuestro cuerpo radioactivo.
En promedio, el agua de mar contiene aproximadamente 3 miligramos de uranio por cada 1000 litros, o
sea por metro cúbico de agua. No es mucho, pero se comenta que si el coste de la extracción del uranio del
agua de mar se redujera en un factor 10, entonces la producción de uranio a partir del mar podría ser
rentable. Si las fuentes de uranio actuales se agotan, los reactores nucleares podrían funcionar con el
uranio extraído del agua del mar.
El aire que respiramos contiene una pequeña cantidad de una forma radiactiva de carbono conocida como 14C (que se pronuncia “carbono catorce” y se puede encontrar en algunos libros escrita como carbono-14). Los átomos de carbono-14 se producen en las interacciones de los rayos cósmicos en la atmósfera. Los rayos cósmicos son responsables de muchas reacciones entre las que se pueden incluir la producción de neutrones térmicos. Estos neutrones interactúan con los átomos de nitrógeno-14 presentes en la atmósfera mediante una reacción nuclear que produce protones y átomos de carbono-14. Éstos últimos forman moléculas de dióxido de carbono que son extraídas del aire por las plantas en el proceso de fotosíntesis fabricando azúcar y celulosa y absorbiendo por tanto carbono-14. Éste pasa entonces a nosotros cuando comemos plantas o, incluso, animales que las han ingerido previamente. El hecho de que todos los seres vivos absorban carbono-14 hasta el día de su muerte puede utilizarse para datar los restos de éstos, enterrados durante cientos o miles de años. Este proceso requiere tener conocimiento de la vida media de los átomos radiactivos; tema que cubriremos más adelante.
Una dosis alta de radiactividad puede ser mortal; miles de personas han muerto a causa de la radiación
recibida procedente de las bombas nucleares lanzadas en Japón en 1945. Más recientemente, en 1986, murieron
31 personas por radiación en el accidente de la central nuclear de Chernobyl en Ucrania. En las secciones
Beneficios y Riesgos e Historia se puede leer más sobre este tema.
Se conoce que la cantidad de radiación que puede producir daños en la salud es mucho mayor que el fondo
originado por los rayos cósmicos, rocas, etc. Cualquiera de nuestras células que fuera dañara por estas fuentes
de radiación podría repararse por sí misma, de manera que sólo unas pocas resultarían realmente afectadas. Para
una dosis alta de radiación habrá un gran número de células que permanecen dañadas, lo que puede ser
peligroso.
Sabemos que las plantas y los animales han estado viviendo y evolucionando con radiactividad durante miles de millones de
años. Así que el hecho de que la radiactividad sea peligrosa depende de cuánto se reciba. ¡Incluso
demasiada sal común puede matar, siendo ésta la razón por la que una persona perdida en el océano puede morir
de sed! Como se suele decir, demasiado de cualquier cosa es malo.
La pregunta entonces es ¿cómo sabemos cuánto de radiación es “demasiado”? En primer lugar necesitamos
comprender los distintos tipos de radiación y cómo de peligroso es cada uno de ellos. Descubriremos qué nivel
de radiación se considera peligroso en nuestra sección sobre actividad e interacción con la materia.
Sabemos que los átomos contienen núcleos, formados por protones y neutrones, con electrones
orbitando a su alrededor. También sabemos que los átomos son eléctricamente neutros, mientras que los iones, que son
átomos que han perdido o ganado electrones, están cargados. La clave para comprender el fenómeno de la
radiactividad reside en el concepto de isótopo.
Explicábamos que el carbono-14 es radiactivo, mientras que el carbono más común, el carbono-12 es estable.
¿Qué es lo que diferencia al carbono-14 del carbono-12? Pues bien, la diferencia está en sus núcleos. Ambos
átomos, tienen el mismo número de protones, y por lo tanto el mismo número atómico. El número de protones
caracteriza los elementos. Si cambiamos el número de electrones convertimos el átomo en un ión. ¿Pero qué
ocurre si cambiamos el número de neutrones?
Decimos que el carbono-14 es un isótopo del carbono-12, siendo la única diferencia entre ellos que el primero
tiene dos neutrones más en su núcleo y por lo tanto, aún siendo el mismo elemento, tiene una masa mayor.
Para cada elemento existen varios isótopos. Un ejemplo conocido es el deuterio, un isótopo del hidrógeno formado por un
protón y un neutrón. El deuterio se utiliza para hacer agua pesada, utilizada en aplicaciones muy
interesantes entre las que se encuentra la detección de neutrinos o la moderación de neutrones en
reactores nucleares.
Los isótopos inestables se utilizan también en aplicaciones médicas. Su empleo es seguro ya que en estos
casos utilizamos isótopos con una vida corta, lo que quiere decir que transforman rápidamente en estables.
Las sustancias que contienen isótopos inestables no se encuentran de forma natural en la tierra sino que
tienen que producirse artificialmente. Por ejemplo, en los propios hospitales con máquinas llamadas
ciclotrones, que aceleran átomos a mucha velocidad. Para ello los átomos describen trayectorias circulares
en el interior del ciclotrón a través del empleo de electro imanes. Hay ciclotrones de muchos tamaños en
función del uso y del tipo de isótopo que producen. En estas máquinas, los núcleos estables colisionan con otras
partículas cargadas produciendo así los radioisótopos, término que se utiliza para describir isótopos que son
radiactivos.
Los isótopos más estables de cada elemento son los que aparecen en la tabla periódica, y son los que se
encuentran de forma natural en la tierra, siendo además los isótopos más abundantes de ese elemento. La
abundancia está ligada al concepto de estabilidad; el resto de isótopos inestables de ese elemento se han
desintegrado y transformándose en los isótopos estables del mismo.
Entonces, ¿qué es lo que hace que un isótopo sea más estable que otro?
Cuando hablábamos de los núcleos decíamos que los nucleones se mantenían cohesionados debido a la acción de
la fuerza fuerte que es capaz de superar la repulsión electrostática entre protones. En esto reside precisamente
la clave para entender la estabilidad nuclear. Tanto los protones como los neutrones sienten la fuerza
fuerte, pero mientras que los protones se repelen entre ellos, los neutrones, al no estar cargados son insensibles a
la repulsión electrostática, actúan reforzando la cohesión nuclear.
En base a este argumento podríamos pensar que cuantos más neutrones tenga un núcleo mayor será su
estabilidad. Sin embargo esto no es así. Los núcleos son estables únicamente para determinadas proporciones
del número de protones a neutrones que poseen, que pueden oscilar entre 1 a 1,6. Fuera de este dominio,
los núcleos son inestables y se desexcitan. El nitrógeno es estable cuando la proporción de protones a neutrones
es 1, es decir con 7 protones y 7 neutrones, mientras que en el otro extremo de la horquilla se encuentra el
plomo, que es estable cuando la proporción entre el número de protones a neutrones es de 1,54, lo que ocurre
con 82 protones y 126 neutrones.
La figura siguiente muestra la conocida como región de estabilidad en función del número de protones y
neutrones.
Existe un límite en la masa de los núcleos para el cual la fuerza fuerte ya no es capaz de mantener
ligados más nucleones. El mayor núcleo conocido es el uranio, con un total de 238 nucleones. Este núcleo es
muy inestable, se trata de un núcleo radiactivo y que por tanto experimenta un proceso de desintegración.
Entre las propiedades que nos permiten diferenciar los distintos tipos de radiación ser encuentra el
poder de penetración que esta tiene en diferentes materiales. Las partículas alfa son relativamente pesadas y
poseen una pequeña velocidad. Esto aumenta su probabilidad e interaccionar con cualquier partícula con la que
entren en contacto. Como consecuencia de esta interacción tan solo pueden avanzar, antes de perder toda su
energía, en pocos centímetros de aire o en una delgada lámina de aluminio.
Entre las fuentes radiactivas alfa más conocidas se encuentra el uranio, que se desintegra emitiendo una
partícula alfa (α) para transmutarse en torio:
238U → 234Th + α
Este es el primer paso en la cadena de desintegración del uranio, que recorre muchos elementos antes de llegar a uno estable. En esta reacción el átomo de helio es en realidad un núcleo de hélio, o un ión 2+ de helio, ya que ha perdido dos electrones quedando cargado con dos cargas positivas.