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Radioactividad (II): Un mundo radioactivo.




En Oklo se encuentra el reactor mas antiguo del mundo. 2 millones de años de antiguedad. Estubo funcionando cientos de años.

En Oklo se encuentra el reactor conocido más antiguo del mundo: tiene 2 millones de años de antiguedad. Estuvo funcionando durante cientos de años.

En la anterior entrada de la serie traté de explicar qué era la radioactividad propiamente dicha (como producto de la desintegración radioactiva). Recordaréis, por ejemplo, que dejé fuera la fusión y los rayos X, por no ser radiación cuyo origen sea directamente la desintegración nuclear. Muy bien, en esta entrada trataré de explicar en primer lugar un par más de generalidades acerca de la radioactividad (Incluyendo los rayos X), y seguiré con el origen de la radioactividad natural que uno puede detectar (con los instrumentos adecuados) en nuestro planeta, haciendo especial hincapié en las “cadenas de desintegración radioactiva”.

Dos advertencias. Es bastante aconsejable leerse la primera entrada, puesto que intervienen conceptos que, si bien no son complejos, pueden resultarte desconocidos. Olvida las ideas que evocas al pensar en radioactividad y reescríbelas con esta serie. En segundo lugar NUNCA trataré de abordar en esta serie el tema de si la energí­a nuclear es viable, posible o medioambientalmente dañina. No sólo no lo haré por la complejidad del debate (complejísimo sin duda) sino simplemente porque no es la finalidad de la serie. Aunque sí ofrezco herramientas para decidir por uno mismo la viabilidad del uso de la energía nuclear con finalidades civiles (no sé exactamente si esa es mi intención), o mejor dicho una pequeña porción de la información necesaria para tomar esa decisión.

Para comprender cosas de ahora en adelante es importante que comprendáis el concepto de actividad. Hay muchas unidades para describir la actividad, pero yo usaré los becquerels. Un Bq es una desintegración radioactiva, ya sea α (Alfa), β (Beta) o γ (gamma) por segundo. La actividad es una medida independiente de la energía que emite la radiación, simplemente nos da una medida de el número de átomos que se desintegran cada segundo.

Recordad que en el exterior de nuestro cuerpo –como vimos en la entrada anterior– el orden de peligrosidad es γ, β, α, y que en el interior es el mismo, pero invertido. Así, cuando afirmo que una fuente tiene una actividad de 80 Bq, me refiero a que se produce la desintegración de 80 átomos en la muestra cada segundo, pero eso no basta. Si esa fuente es Uranio-235, se estará produciendo la emisión de 80 α cada segundo. Lógicamente si dijésemos que hemos ingerido un alimento con una actividad de 10 Bq, hace falta complementarlo: ¿de qué tipo de radiación hablamos?. Pese a sus limitaciones, los Bq son muy útiles para hacernos una idea de la velocidad de desintegración de una muestra.

Ahora describiré los rayos X. Si os acordáis de la primera entrada, había un tipo de radiación que emitía rayos X al producirse, la captura electrónica. En ella, el núcleo capta un electrón y emite energía. Pues bien, el núcleo capta ese electrón de las capas mas internas de la corteza del átomo. El resultado es que queda un “hueco” de muy poca energía libre. Y eso es extremadamente suculento para los electrones mas alejados del núcleo, es un lugar privilegiado. Así que, rápidamente, un electrón cercano “cae” desde el nivel de energía superior y ocupa la vacante, emitiendo un fotón. Pero claro, el lugar en el que estaba el electrón queda ahora libre, con lo que lo ocupará otro electrón de un nivel superior, creando una cascada de fotones, denominados rayos X, cuya energía es característica de cada isótopo[1].

En las desintegraciones radioactivas se puede dar la emisión de rayos X de una segunda manera. Cuando se produce una desintegración radioactiva  β, se emite un electrón disparado a toda velocidad. Este electrón puede que antes de colisionar con algo, pase cerca de un núcleo, se sienta atraído por su carga positiva y se desvíe, frenándose. Como se frena, pierde energía, y emite la energía que ha perdido como un fotón[2] . Así que normalmente la radiación β va acompañada de rayos X de distintas energías, dependiendo si el electrón se frenó mucho o poco (pasó más o menos cerca del núcleo).

Hogar de Poe. Crédito: Wikipedia.

Bien, ya tenéis las herramientas para comprender los artículos venideros. ¿Qué pensarías si te dijera que sólo el carbono-14 del que estás formado tiene una actividad de 1.700 Bq, ¿qué pensarías de mi? Probablemente que estoy mintiendo, pero estarías equivocado. Aunque tu actividad no es de 1.700 sino mucho mayor. El potasio-40 que te forma tiene una actividad de 4.400 Bq. (que con el carbono suman 6.100 Bq), pero  además en tu cuerpo hay Radio, Torio, Uranio, Tritio (Hidrógeno-3), con actividad. Sí, eres radioactivo. Pero no te alarmes, no sólo tu eres radioactivo, un plátano cualquiera tiene una actividad de 170 Bq por kilo. Las paredes, el aire, el suelo, tu esposo/a, tus hijos, etc. todo es radioactivo. Esto es un hecho y no se puede cambiar. ¿Por qué es todo radioactivo? Porque en el Universo siempre ha habido y siempre habrá radioactividad. ¿De donde viene esta actividad? Esto es lo que os explicaré en este artículo. A toda la radioactividad que no es de origen humano la llamamos radioactividad natural.

La radioactividad natural proviene de muchos sitios distintos:

- Radiación cósmica: ¡del espacio exterior se colisionan con la Tierra entre 2-3 partículas por cm2 y segundo!! Esta radiación está formada por todo tipo de partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. La mayoría son protones y partículas α que provienen del Sol, pero los cinturones de Van Allen y el campo magnético terrestre nos protegen, desviándolas. Cuando estas partículas entran en el la Tierra interaccionan con la materia chocando contra ella, produciendo lo que se conoce como productos de espalación.

- Productos de espalación: Cuando la radiación que proviene del espacio interacciona con la atmósfera y produce una serie de reacciones nucleares. Si tenemos un neutrón “a toda leche”, que colisiona con un núcleo de Nitrógeno-14 de la atmósfera, es probable que forme carbono-14 + un protón. Este protón también saldrá a gran velocidad e interaccionará con otra partícula, creando una cascada de reacciones nucleares que pueden llegar a formar 1011 nuevas partículas. Los productos de espalación son muy importantes debido a que se forman a un ritmo constante y en una proporción constante, y esto permite datar cualquier sedimento o elemento terrestre.

Un ejemplo es el mítico carbono-14: como su proporción en la atmósfera ha sido constante mientras ha habido seres vivos, y éstos forman sus estructuras con carbono, podemos saber con precisión que edad tiene un fósil. Imaginad una situación hipotética: hace entre 150 y 75 millones de años, durante el Cretácico estuvo viviendo Poe (un pequeño mamífero cuyos descendientes darían lugar a las orcas comunes actuales). Poe estaba constituido por dos isótopos del carbono, el 14 y el 12. Sin embargo, sus células no podían distinguirlos y lo usaban indistintamente para componer su estructura. La proporción de Carbono-14/Carbono-12  ha sido constante a lo largo de la historia, así que la conocemos. Un martes lluvioso, un derrumbe de lodo en el lago de la imagen dejó a Poe en el fondo, recubierto completamente por lodo. Murió ahogado. El cadáver de Poe permaneció allí sin posibilidad de ser descompuesto correctamente durante unos 150-75 millones de años, en el transcurso de los cuales se fosilizó.

Un miércoles de Mayo, Isabelina, que es ambientóloga (actualmente se dedica a la ecopaleontología) decidió datar el fósil de Poe. Mientras Poe estaba fosilizándose, el carbono que formaba su cuerpo no cambió, ya que al no estar vivo no tenia nuevas fuentes de carbono; sin embargo los átomos de C-14, con el paso de los siglos, se fueron desintegrando, alterando la proporción de Carbono-14/Carbono-12 inicial. Como Isabelina conoce con exactitud la velocidad a la que el Carbono-14 se desintegra, pudo calcular cuanto hace que Poe murió gracias al el carbono-14 que aún quedaba en Poe. El único inconveniente de esto es que los productos de espalación nos permiten datar muchas cosas, pero sólo las anteriores a la segunda mitad del s. XX. ¿Por qué solo hasta la segunda mitad? Decídmelo vosotros o esperad a una de las próximas entradas.

- Radionúcleos primordiales sin cadena: Hace mas tiempo del que soy capaz de imaginar, se crearon en el Universo los primeros átomos, y algunos de ellos ya eran inestables, como el tritio.  Estos elementos ligeros se unieron y formaron estrellas “limpias” (ninguna contenía elementos pesados, simplemente porque no los había). A medida que se consumían, creaban elementos mas pesados y al morir explosionaban y los repartían por el espacio. Entonces se formaron todos los elementos pesados (incluyendo los radioactivos). La mayoría de isótopos radioactivos que conocemos provienen de entonces, y apenas se forman nuevos a nuestro alrededor. A medida que se vayan desintegrando irán desapareciendo. De estos elementos primordiales distinguimos dos grandes grupos — los que llamamos “sin cadena” y los que llamamos “con cadena”. Los llamados sin cadena son elementos que una vez se desintegran se convierten en un elemento estable. Un ejemplo es el potasio-40.

Las explosiones de las primeras estrellas diseminaron los primeros elementos pesados del universo, permitiendo la aparición de planetas y nuevas estrellas. Crédito: Wikipedia

- Radionúcleos primordiales con cadena: Como comenté, no todos lo elementos creados durante el periodo de nucleosíntesis cuando se desintegran dan lugar a un isotopo estable; algunos de ellos lo hacen dando lugar a otro isótopo inestable que a su vez da lugar a otro inestable que a su vez da lugar a otro inestable, etc., hasta que llegan a un isótopo estable del plomo. Son elementos muy pesados y se desintegran mediante partículas alfa. Existen 4 cadenas. Y solo pueden existir 4 cadenas ( a ver esto es fácil pero complicado de explicar, dadme una oportunidad). Como se desintegran por α (que, como recordaréis, constan de dos protones y dos neutrones), las únicas combinaciones posibles son 4n, 4n +1, 4n+2 y 4n+3, ya que si pusiéramos otro n (las n hacen referencias a nucleones y no neutrones), regresaríamos a la primera cadena. ¿Lo veis?

Lo ejemplificaré: tenemos un elemento X-300 que tiene 300 nucleones; al desintegrarse libera 4n (una α) y da lugar a Y-296. Solo pueden existir tres cadenas mas la de X-299, X-298 y X-297 ya que X-296 es producto de la cadena de X-300. En la realidad, las cuatro cadenas que existen son la del torio-323, el neptunio-237, el uranio-235 y el uranio-238. Sin embargo, la cadena del Neptunio-237 ya no existe (aunque podemos sintetizarlo en un laboratorio), debido a que se desintegra a un ritmo mayor que la edad de la Tierra, y hace miles de años que se desintegró todo.

¿Por qué son importantes las cadenas de desintegración? Por muchas razones, pero básicamente porque nos permiten trazar los movimientos de masas de agua, las corrientes marinas, los acuíferos subterráneos, etc. ¿Cómo? Es bastante complicado y no creo ser capaz de explicarlo en unas pocas lineas. Lo sabréis cuando escriba el articulo de la serie sobre usos de la radioactividad, de modo que paciencia. Sin embargo, aparte de todos los usos que tienen las cadenas, existe un gran inconveniente: el radón. El radón es el elemento radioactivo del que mas radiación recibimos durante nuestra vida (el 80%) y está por todas partes de forma continua.

El radón es un gas noble pesado cuyos isótopos inestables provienen de las cadenas del torio y el uranio-235. Es un gas inerte, con lo cual no interacciona con nada, y como el uranio y el torio del planeta se desintegran constantemente, está en continua formación, sale del suelo, del mar, de los ríos, de entre las baldosas de tu casa, entra por la ventana, de cualquier taza de váter, ¡de todas partes![3] Como está en el ambiente lo inhalamos, en nuestros pulmones se desintegra y produce polonio (que, como no es un gas, se queda en el pulmón); este polonio también es radioactivo así que se vuelve a desintegrar dando lugar al astato —>bismuto—->polonio—–>relurio—-> plomo (estable). Con cada desintegración nos hemos “comido” una α mayoritariamente, aunque también puede que alguna que otra β. Y todo porque tuvimos la mala suerte que ese átomo se desintegró precisamente en nuestros pulmones. Continuamente estamos inhalando radón radioactivo, la mayoría de las veces lo volvemos a exhalar antes de que tenga tiempo de desintegrarse, y alguna que otra vez se desintegra en nuestro interior. Por cierto, para mas inri, el plomo en que termina la cadena pasa a la sangre (recuerdo al personal que es tóxico). Información gratuita: El astato es el elemento químico menos presente en la corteza terrestre, nunca hay mas de 25g (un cucharón) simultáneamente.

Lo importante de este artículo , en mi opinión, es darse cuenta de que la radioactividad no es un invento del hombre, la radioactividad es la cosa mas natural del mundo, y está constantemente a nuestro alrededor. Nuestro mundo es radioactivo. Os he puesto la foto de la localización de Oklo, porque allí durante cientos de años existio de forma natural un reactor nuclear (como los que nostros construimos) debido a la alta concentracioón en Uranio-235. Lógicamente algo natural no significa que no sea peligroso, nada más lejos de la realidad. La radioactividad en altas concentraciones es muy peligrosa y es el hombre quien la convierte en peligrosa al concentrarla.

Una cosa es tener una radiacion que siempre ha estado allí, y otra muy distinta es tener esa radiacion concentrada cientos de miles de veces. No es lo mismo. Era mi intención hablar sobre la radioactividad de origen huamano en este articulo, pero creo que se está alargando un poco, así que lo dejo para el próximo. En el próximo episodio: Como el hombre ha conseguido domar la radioactividad. Léelo en Radioactividad III

  1. Nota del editor: Aunque tradicionalmente se hayan producido los rayos X de este modo, cualquier fotón con la frecuencia adecuada constituye rayos X, no es la fuente lo que define los rayos X []
  2. Nota del editor: cualquier carga eléctrica con aceleración emite fotones de este tipo, tanto más energéticos cuanto mayor es la aceleración []
  3. Nota del editor: En los EE.UU. son muy comunes los detectores de radón en las casas, pero no he visto muchos en España []

Sobre el autor:

Belerofot (Xavier-Andoni Tibau Alberdi)

Ambientlologo & Ambientalista. Creo que solo una visión simultánea del conocimiento de todo lo que nos rodea nos permite entender completamente el mundo. Si solo abarcas un campo de la ciencia, tienes un rompecabezas incompleto.
 

{ 15 } Comentarios

  1. Gravatar Pedro | 18/10/2008 at 10:52 | Permalink

    Belerofot,

    Puedes enlazar a este artículo desde el anterior, para que se pueda seguir la serie fácilmente. Seguro que se me ha pasado corregir algún error tipográfico, de modo que, si no te importa, hazlo tú según te vayan avisando (si lo hacen, claro) ;)

  2. Gravatar Lorien | 18/10/2008 at 12:12 | Permalink

    Gran artículo. Se preve una gran serie.

    Solo una dudilla: “- Radiación cósmica: ¡del espacio exterior se colisionan con la Tierra entre 2-3 partículas por cm2!” Creo que me falta una unidad de tiempo para entender esto :P ¿hay 2-3 partículas por cm^2 en cada instante (se desintegran al mismo ritmo que llegan), por cada segundo?, año? …?

    Por lo demás, clro y grande!!

  3. Gravatar cruzki | 18/10/2008 at 02:42 | Permalink

    Pos ahora no lo encuentro, pero el otro día leí en

    http://lacomunidad.elpais.com/apuntes-cientificos-desde-el-mit/posts

    que las bombas atómicas que se habían lanzado durante la guerra fría en la atmósfera habían cambiado la concentración de isótopos radioactivos (unido a la catástrofe de Chernobil y compañía) pos hará que las medidas estén un poco contaminadas. De todas formas como se conocía este hecho, se podían usar para datar con altísima precisión muestras de esta época, pero que la concentración de isótopos volvería a niveles “normales” a finales de la próxima década. O algo así.

  4. Gravatar Belerofot | 18/10/2008 at 03:25 | Permalink

    @Lorien Corregido :) @cruzki Exactamente.

  5. Gravatar guannais | 19/10/2008 at 06:01 | Permalink

    A parte de arruinar el método de datación de restos biológicos por carbono-14 también había leído que se reflotan buques y submarinos hundidos anteriormente a las explosiones atómicas para obtener acero libre de radiactividad, ya que al parecer se usa una gran cantidad de aire en su fabricación y su radiactividad se transfiere al acero. Para colmo este acero se usaría luego en instrumental científico como por ejemplo ¡detectores de radiactividad!

    La verdad, no tengo ni idea de cómo se fabrica el acero, pero no me parece una historia nada descabellada. ¿Sabes algo de esto?

  6. Gravatar Macluskey | 20/10/2008 at 09:01 | Permalink

    Muy buen artículo, Belerofot.

    Pero… ¿150.000 Millones de años? Muchos son, me parece a mí. El Poe ése debía ser no del Cretácico, sino del pre-big-bangáceo…

    Y sí, guannais, es cierto, se usa el acero de los barcos hundidos (sobre todo de la Armada Alemana de Guillermo I hundidos en Scapa Flow por su propia tripulación al final de la Primera Guerra Mundial, en 1918 ó 1919), porque desde entonces, las pruebas atmosféricas que se han ido haciendo han contaminado TODO el hierro y el acero con una radiactividad elevada, que lo hace inservible para ciertos instrumentos de máxima precisió (sobre todo para instrumentos a enviar al espacio, según creo recordar).

    Saludos

  7. Gravatar Belerofot | 20/10/2008 at 09:17 | Permalink

    @ Guannais

    Si es cierto, como bien dice Macluskey, el acero quedó contaminado por las detonaciones nucleares atmosféricas, realizadas durante la segunda mitad del s. XX. En realidad como veremos no solo el acero se contaminó sino TODO. De hay el tratado de no detonaciones atmosféricas. Otro dato curioso es que cuando se hayan yacimientos de la época romana, o anterior, que contengan plomo, si su importancia es pequeña (o no se entera un arqueologo), ese plomo se funde porque no quedan isótopos radioactivos y lo usan como protección para los detectores de radiación. Para minimizar la radiación de fondo.

    @Macluskey

    Se me ha ido la olla i se me han colado 3s ceros. Ya está corregido. Gracias.

  8. Gravatar Kent Mentolado | 21/10/2008 at 10:54 | Permalink

    Impresionante! Me ha encantado el artículo. Explica cosas muy interesantes, que por lo menos a mi nunca me contaron en mis clases, y además de manera sencilla de seguir. Enhorabuena.

  9. Gravatar Belerofot | 21/10/2008 at 07:54 | Permalink

    gracias. Se agradece.

  10. Gravatar Gencianal | 01/11/2008 at 02:42 | Permalink

    No sabía nada de la contaminación del acero… debida a isótopos liberados por las bombas nucleares, me ha chocado leerlo.

    Cuanto tiempo tardarían en descontaminarse?? Como estén en la misma escala que los residuos radiactivos, mal negocio.

  11. Gravatar Gencianal | 01/11/2008 at 11:31 | Permalink

    Una duda que me ha surgido releyendo el artículo: ¿el Carbono 14, por su corto periodo de semidesintregración, no se utilizaba para datar materiales recientes, que no tuvieran más de 100.000 años? ¿Qué isótopos se utilizan para datar materiales más antiguos?

  12. Gravatar Belerofot | 08/11/2008 at 10:01 | Permalink

    @ Genencial. Perdona por tardar en contestar, pero he estado fuera. También por eso tardo tanto en escribir la tercera entrada. Vamos a ver el Carbono-14 tiene un periodo de semidesintegración largo. Nosotros ponemos el tope en 30 años. como vereis en la entrada de gestión de residuos, mas de 30 años significa que necessitas 300 para que desaparezca. Esto también lo contaré en la entrada sobre utilidades de la radioactividad. Pero para que te hagas una idea, lo que queremos datar no depende tanto del isotopo usado sino de sus propiedades geoquimicas. Es decir si queremos datar una roca basaltica (para concer la edad de las islas canarias, o la zona de la Garotxa), usaremos un isotpo que sepamos como se comporta en el magma. Si lo que queremos es saber cuanto tiempo tarda una gota de agua desde que caé en un monte y se infiltra hasta que sale subterraneamente al mar, usaremos un isotpo del que conocamos su comportamiento en agua. Isotopoas hay miles, con tiempo de vida muy diverso, lo complicado es saber con certeza como se comportan para llegar a la conclusión correta. Y finalmente, respondiendo a tu pregunta, para datar la Tierra se usan normalmente los elementos de la cadena que sabemos con certeza que estan desde su inicio, Como el Uranio o el Thorio. (ten presente que el Neptunio desapareció por tener menor tiempo de vida que la Tierra).

  13. Gravatar Scarbrow | 15/11/2008 at 12:25 | Permalink

    Buen artículo, Belerofot

    Me está gustando mucho tu serie. Sin embargo, creo que se puede explicar mejor (o más sencillo) lo de que sólo pueden existir 4 cadenas.

    Tú escribes: “Existen 4 cadenas. Y solo pueden existir 4 cadenas ( a ver esto es fácil pero complicado de explicar, dadme una oportunidad). Como se desintegran por α (que, como recordaréis, constan de dos protones y dos neutrones), las únicas combinaciones posibles son 4n, 4n +1, 4n+2 y 4n+3, ya que si pusiéramos otro n (las n hacen referencias a nucleones y no neutrones), regresaríamos a la primera cadena. ¿Lo veis?”

    Yo sugeriría: “”Existen 4 cadenas. Y además solo pueden existir esas 4 cadenas, porque como se desintegran por α (que, como recordaréis, constan de dos protones y dos neutrones), las únicas combinaciones de número de nucleones posibles son las que son divisibles por 4 (4n), las 4n +1, 4n+2 y 4n+3, ya que si pusiéramos otro nucleón (las n hacen referencias a nucleones y no neutrones), regresaríamos a la cadena 4n. ” Y a continuación un pequeño ejemplo, que me temo que no puedo aportar yo, sobre cómo al añadir otro nucleón a un elemento de la serie 4n+3 se convierte en un miembro de la serie 4n.

    Dicho sea de paso, me entra curiosidad por saber exactamente cuáles son las 4 cadenas.

  14. Gravatar Sergio B | 15/06/2010 at 10:30 | Permalink

    Buen articulo, y de hace bastante tiempo para este comentario, pero bueno, he leido todos cuando has publicado el ultimo y hay un detalle que me apetece comentar. Cuando hablas de radiacion cosmica, este termino se suele reservar para la radiacion que llega del espacio, segun recuerdo producto de explosiones de supernovas o en general de fenomenos bastante mas singulares que una estrella normal, y sobre los que el campo magnetico no ejerce proteccion alguna. A la radiacion procedente del sol, se le suele llamar, obviamente, radiacion solar, mucho mas abundante pero de la cual nos protege el campo magnetico (incluidos los sucesos de electrones, no recuerdo si el nombre es correcto pero de vez en cuando el sol escupe radiacion de una manera bestial que en un viaje interplanetario es practicamente el mayor peligro que existe). Que yo recuerde los cinturones de Van Allen son un producto de la iteraccion del campo magnetico con la radiacion solar, pero no ayudan a evitar que esta llegue a la tierra (segun suelen ir estas cosas, es de esperar que los cinturones tengan un efecto opuesto al campo magnetico, el autentico escudo, asi que es mas problabe que empeoren la situacion a que ayuden, pero esto es pura especulacion mia).

  15. Gravatar Belerofot | 16/06/2010 at 01:10 | Permalink

    @ Sergio B. Si bien es cierto, que el termino radiación cósmica se reserva para la radiación que proviene del espacio exterior, (yo considero que el sol esta en el espacio), cuando escribí el artículo no considere necesario hacer distinciones pues para lo que nos concierne (que son los orígenes de la radiación en la tierra), no es necesario hacer distinción entre cósmica y solar, se pueden poner en un mismo paquete. En lo que respecta a los cinturones Van Allen, yo creo que son una zona concreta del campo magnético de la tierra, caracterizados por contener una gran cantidad de partículas cargadas, que provienen precisamente (como dice el artículo) de atrapar la radiación cósmica/solar.

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