Spain

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.

La radiactividad fue descubierta en 1986 por Henri Becquerel mientras trabajaba con rayos X. En aquel entonces se pensaba que los materiales que contenían uranio absorbían luz del sol y emitían rayos X. Becquerel había diseñado un experimento para demostrarlo empleando una placa fotográfica, ya que se sabía que los rayos X oscurecían este tipo de placas. El día del experimento el cielo estaba cubierto, así que Becquerel dio por hecho que el experimento había sido un fracaso. Afortunadamente aún así decidió revelar la placa fotográfica y descubrió que el compuesto había emitido radiación a pesar de no haber habido sol, refutando su teoría anterior. Su siguiente tarea fue descubrir si era debido a rayos X o a una forma diferente de radiación. Para ello puso la fuente de radiación en una cámara de vacío en la presencia de un campo magnético y una placa fotográfica como se ilustra en el diagrama. Se sabe que los rayos X son neutros así que no pueden curvarse en un campo magnético. Sin embargo al revelar la placa fotográfica mostró que la radiación sí que se había curvado por el campo. Al cambiar la fuente de radiación descubrió que se desviaba en la dirección contraria, o no se desviaba nada, dependiendo de la fuente. De este modo se demostró que existían tres tipos de radiación emitida por la materia: con carga eléctrica positiva, negativa y neutra.
Ilustración del experimento de Becquerel con indicación del campo magnético (5), placa fotográfica (1), colimador (2), elemento radiactivo (3) y la dirección de la bomba (4).
Muchos científicos dedicaron su carrera investigadora a estudiar este nuevo fenómeno, incluyendo Marie y Pierre Curie, que descubrieron los otros elementos radiactivos de polonio y radio. Rutherford, el científico del que ya hemos dicho que era el responsable del descubrimiento del núcleo de los átomos, también trabajó en la radiactividad, investigando los diferentes tipos de fuentes y sus propiedades. Fue Rutherford el que acuñó los nombres para sus diferentes tipos -alfa, beta y gamma- siguiendo las letras del alfabeto griego. Ya hemos mencionado las partículas alfa al describir que fueron las utilizadas por Rutherford para explorar el interior de los átomos de oro, pero ahora vamos a examinarlas con más detalle. Pero antes, sabemos que encontramos radiactividad en fuentes tales como los compuestos de uranio, pero ¿dónde más se puede encontrar y qué es?

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.

En la tierra

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 figura nos presenta la abundancia del uranio en las rocas. Muestra un peso de 10 kg comparado con tres alambres con un peso combinado de 30 miligramos. Esta es la proporción de la abundancia del uranio en las rocas en nuestro planeta.
Por este motivo podemos detectar el uranio en las rocas y esta radiación contribuye en una gran medida a lo que llamamos fondo radioactivo ambiental. Es algo, proveniente del ambiente que nos rodea, a lo que nos enfrentamos durante toda la duración de nuestras vidas. Nuestros organismos han desarrollado métodos para poder convivir con la radioactividad ambiental, como demostraremos más adelante. 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.

Del espacio

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.

Es prácticamente imposible medir radioactividad muy poco intensa en la superficie de la tierra, ya que esta estará completamente “enmascarada” por la radiación cósmica. Esto es lo que provoca que algunos experimentos se lleven a minas a aproximadamente un par de kilómetros de profundidad, siempre tratando de evitar el granito con gran cantidad de uranio. Un experimento que requiere este tipo de medidas es la detección de una partícula fundamental de la que hablaremos mas adelante y que se denomina neutrino.

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).

En el mar

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.

En el aire

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.

En nosotros

El alimento que ingerimos cada día contiene de dos a tres gramos de potasio. Esto significa que, por cada kilogramo de peso corporal, aproximadamente ¡50 átomos de potasio se desintegran cada segundo y emiten partículas radiactivas en nuestro organismo! Recordemos también que cuando comemos plantas (o animales que las hayan comido) absorbemos carbono-14 que es también radiactivo. Se pueden encontrar también trazas de otros elementos radiactivos, incluso uranio. Si, por accidente, en la playa, tragas un poco de agua de mar, habrás tomado una pequeña cantidad de uranio contenida en esta agua. Hemos discutido ya la producción de carbono-14 por los rayos cósmicos y su absorción, en primer lugar por las plantas para producir hidratos de carbono y posteriormente por los animales al ingerir estas plantas y por nosotros mismos. El carbono-14 entra entonces en la cadena alimentaria y de esa manera todos los seres vivos están expuestos a él.

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.

En la sección anterior hemos explicado brevemente qué es la radiactividad: es la desintegración de átomos inestables y la subsecuente emisión de una partícula o de energía. Ahora nos centraremos en explicar qué hace que un átomo sea inestable y cómo se comportan los distintos tipos de radiación.

Los Isótopos

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?

Estabilidad

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.

En ella aparecen tres posibles mecanismos de desintegración, que se localizan en diferentes regiones de esta gráfica. Cuando un núcleo es deficitario en protones, este experimenta una desintegración beta. Sin embargo, si el núcleo es deficitario en neutrones su desexcitación procede de forma opuesta, es decir por desintegración del positrón (fenómeno conocido como desintegración beta más). Existe otro fenómeno, llamado captura electrónica en el que el núcleo absorbe un electrón y que tiene consecuencias idénticas a la desintegración beta más. En el caso de núcleos muy masivos, resulta favorable perder masa en el proceso de desintegración. Estos núcleos se desintegran emitiendo partículas alfa (con dos protones y dos neutrones), transformándose en núcleos más ligeros y por lo tanto más estables. Cuando los átomos se desintegran por vía alfa o beta, el número de protones de sus núcleos varía transformándose en otros elementos en un proceso que llamamos transmutación. Es posible que hayas oído hablar de la alquimia estudiada por los científicos antes de que se conociese la naturaleza de los diferentes elementos. Los alquimistas trataban de transformar unas sustancias en otras, principalmente en oro, transmutándolas al igual que hacen los núcleos inestables, en sucesivas iteraciones hasta convertirse en elementos estables. En la siguiente sección describiremos cada uno de los mecanismos de desintegración con más detalle.

Energía de enlace

El concepto de energía de enlace juega un rol fundamental en la física nuclear. Hay diferentes tipos de energía de enlace, pero aquí nos centraremos en la energía de enlace nuclear. Se trata de la cantidad de energía necesaria para conseguir que los nucleones de un núcleo superen la atracción que experimentan y se separen en nucleones individuales. Otra forma de explicar porque los núcleos están ligados es porque la energía de enlace de un núcleo es menor que la suma de sus constituyentes. Energéticamente a los nucleones les resulta más favorable (la energía asociada es menor) permanecer ligados en un núcleo a existir como especies separadas. Otro concepto relacionado es el de la energía de enlace por nucleón (que es la energía de enlace del núcleo normalizada por el número de nucleones que lo constituyen.

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.

En la desintegración alfa el núcleo pierde masa, al emitirse una partícula alfa o núcleo de helio, ganando por ello en estabilidad. El núcleo emisor pierde cuatro nucleones, dos protones y dos neutrones. Al perder dos protones, se transmuta en otro elemento. Las partículas alfa que mencionamos aquí son las mismas que utilizó Rutherford en su experimento de difusión para demostrar la existencia del núcleo atómico. La desintegración alfa, sólo es posible cuando la energía de enlace por nucleón no toma su valor mínimo. Esto se cumple estrictamente para núcleos más pesados que el níquel, aunque la desintegración alfa solo se ha observado para núcleos mucho más pesados, por encima del telurio. La desintegración alfa puede considerarse un ejemplo de penetración de barrera cuántica por efecto túnel. El núcleo crea un pozo de energía potencial, tal y como muestra la figura, que captura la partícula alfa (que existe previamente en el núcleo). La energía de la partícula tiene que ser superior a la altura del pozo de potencial para que ésta pueda escapar del núcleo. Según los principios de la mecánica clásica, la desintegración alfa no tendría lugar ya que las partículas alfa no tienen energía suficiente para escapar del núcleo. Por el contrario, la mecánica cuántica permite que la partícula escape de la barrera de potencial por efecto túnel y exista fuera del núcleo, asociando a este fenómeno una pequeña probabilidad estadística.

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.