Me propongo, con esta serie de entradas, tratar de explicar por encima qué es la radiactividad y cómo nos afecta en nuestra vida cotidiana. Esta primera entrada puede ser un poco aburrida, pero es necesario que entendáis algunos conceptos muy básicos para posteriormente poder las demás entradas (creedme, valdrá la pena), que hablarán de:
Señal de riesgo por radiación Ionizante. Crédito: Wikipedia.
El origen de la radioactividad natural y otras generalidades.
El funcionamiento de las centrales nucleares y el ciclo del combustible.
Algunos de los accidentes nucleares mas importantes (posiblemente serán: Detonación Bravo, MAYAK, satelite SNAP-9A, Palomares, Three Mile Island y Chernobil).
Residuos radioactivos y cómo gestionarlos.
Usos de la radioactividad.
Historia de la radioactividad (No es seguro).
No sé aún cuantas entradas ocupará ni como lo dividiré. En esta primera entrada me centraré en tratar de explicar qué es la radiactividad y por qué se produce. Antes de leer esto, un par de aclaraciones: no es el objetivo de esta entrada explicar muy profundamente determinados fenómenos que se producen durante las desintegraciones radioactivas de los elementos, sino dar una visión general. Tampoco es el objetivo de esta serie dar argumentaciones a favor o en contra del uso de la energía nuclear con finalidades civiles.
La principal finalidad de esta entrada es que el público comprenda que la radioactividad es un fenómeno natural y que continuamente estamos expuestos a radiación; cuando te comes una patata de un supermercado, ésta ha sido irradiada previamente, igual que un yogur. Cuando estás en un hotel con un detector de humo, allí hay una fuente de radioactividad, igual que cuando conduces por una carretera en ella se usó una fuente radioactiva para saber su espesor.
Al igual que pasa con ciertas moléculas, no todos los átomos son “estables”; así, existen isotópos en los cuales pueden darse, de forma estocástica, fenómenos físicos que permiten al átomo tener un menor nivel energético. Como casi todo, el núcleo del átomo también tiende al menor nivel energético posible. Es algo similar a lo que pasa cuando tenemos un electrón excitado en un átomo, tiende a pasar a un estado de menor energía liberando en el proceso un fotón. Pues en el caso de la radioactividad liberarán un fotón, un electrón, núcleos de Helio, etc… simplemente para tender a un menor estado energético.
Es importante tener presente que de los 1700 isótopos que se conocen sólo 260 son estables. El isótopo mas estable que existe es el Hierro-56, debido a que su núcleo tiene la mas alta energía de enlace por nucleón[1]. Es un elemento tremendamente especial, ya que es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión.
Dicho mal y rápido, podemos partir o unir todos los demás núcleos para obtener energía salvo del Hierro. Información gratuita: El elemento mas ligero sin isotópos estables es el Tecnecio.
Estabilidad de los isótopos dependiendo de su número másico y su número atómico. Crédito: Wikipedia.
Pero volvamos a la estabilidad: si ponemos en un gráfico todos los isotopos que existen dependiendo de su número atómico y su número másico, obtenemos esta gráfica. En ella podemos comprobar que la mayor estabilidad no se produce cuando el numero de protones y neutrones es similar, sino que cuanto mas pesado es el átomo mas neutrones hacen falta para contrarrestar las fuerzas repulsoras de tanta carga positiva; sin embargo, existe una tendencia y los que se alejan de esta tendencia son más inestables, los que están en el centro son más estables.
Hablemos de los procesos que permiten al átomo aumentar la energía de enlace por nucleón de su núcleo. Hablaremos de dos tipos:
Desintegración radioactiva estructural: Es aquella en la que el átomo varía su estructura interna para ser más estable. Dentro de ella hay varios tipos:
Desintegración radioactiva alfa: En la desintegración alfa, un elemento pesado ( el Uranio-238, por ejemplo) libera un núcleo de helio para ser más ligero y estar más cerca de la estabilidad, dando como resultado un isotopo con un número atómico dos veces menor y uno másico cuatro veces menor (en nuestro ejemplo anterior, obtendríamos Torio-234 + He-4).
Desintegración Beta+: Se trata de un tipo de desintegración en la que un protón del núcleo atómico se convertirá en neutrón, como consecuencia se libera un positrón (que se lleva la carga positiva y parte de la energía) y un neutrino. Es altamente probable que el positrón colisione con algún electrón cercano, anulándose ambos y liberándose dos fotones con la energía de un electrón cada uno. Ejemplo: Potasio-40 —-> Argón-40.
Desintegración Beta-: Similar al proceso anterior salvo que sucede al revés, un neutrón se convierte en protón liberando un electrón (que se lleva la carga negativa) y un antineutrino (el antineutrino aparece por la necesidad de conservación del movimiento lineal). Ejemplo: Cobalto-60 —> Níquel-60.
-Captura electrónica: En la captura electrónica, un protón del núcleo captura un eletrón de las capas mas internas para convertirse en neutrón (necesita anular las cargas). Se libera un neutrino. Luego también veremos que se liberan fotones con energías características de cada elemento, que provienen de la recolocación de los electrones en la corteza del átomo. Daos cuenta de que la captura electrónica y la desintegración Beta+ son producen el mismo efecto en el núcleo, por esta razón las llamaremos competitivas. Ejemplo: Hierro-55 ——> Manganeso-55.
Fisión: En esta desintegración radioactiva, un átomo se divide en dos átomos más o menos la mitad de pequeños, liberando dos neutrones con cantidad de energía. Como en las anteriores desintegraciones, el cuándo se producirá es una cosa que depende totalmente del azar. Sin embargo, se puede provocar si un netutrón colisiona con un átomo. Y puesto que la reacción libera dos neutrones, esto permite las reacciones en cadena (ya que cada átomo puede activar a dos más, que a su vez activaran a dos más cada uno).
Desintegración radioactiva no estructural: Existe otro tipo de fenómeno que resulta de la emisión de radiación por parte del núcleo de un átomo. Se trata de la desintegración radioactiva no estructural: en muchas de las reaciones de desintegración radioactiva estructural, es muy posible que uno de los nucleones quede en un estado excitado (similar a los electrones en los orbitales atómicos, excepto que con mucha mas energía). Este nucleón, para volver a un estado no excitado de energía, libera un fotón muy energético que es lo que se conoce como radiación gamma.
No explico la fusión porque no es un proceso de desintegración radioactiva. El objetivo de esta primera entrada es que conozcáis los mecanismos a través de los cuales los isotopos consiguen ser más estables. Es importante tener presente que es más probable que los elementos mas pesados se desintegren según el proceso alfa que el beta, ya que al perder 4 nucleones se avanza mas rápidamente hacia la estabilidad.
Radiaciones ionizantes y no ionizantes. Crédito Wikipedia.
Ahora trataré de explicar su peligrosidad. Para entender por qué la radiación es peligrosa, debemos comprender como interacciona con la materia. Hay dos tipos de radiación: la no ionizante y la ionizante. La radiación ionizante es la peligrosa porque interactúa con la materia, la no ionizante, digamos que es “invisible” a la materia ya que como mucho puede excitar algún electrón de las capas mas externas de los átomos.
Pero, ¿qué significa “ionizar”? Muy bien, imaginaos un electrón “a toda leche” aproximándose a una placa de Tungsteno; el electrón ira rebotando en todo lo que encuentre por el camino hasta perder toda su “inercia” (energía) y detenerse completamente. Pero si es radiación ionizante, es decir si tiene la suficiente “inercia”, cada vez que choque contra otro electrón para frenarse lo arrancará de su órbita, dejando un ión donde antes existía un átomo neutro. Un solo electrón puede producir cientos de miles de ionizaciones antes de frenarse.
Ahora imaginemos que, en lugar de tener una placa de Tungsteno en un laboratorio, estamos nosotros con nuestras preciosas tiroides expuestas al Yodo-131 (El Yodo en general se acumula en las tiroides). El Yodo-131 es un emisor Beta, esto significa que libera electrones a saco en nuestras tiroides. Cuando estos electrones impacten continuamente contra nuestras células ionizaran átomos que forman proteínas, cadenas de nucleotidos, etc. rompiéndolos y muy probablemente terminaremos con cáncer de tiroides.
Ahora que comprendemos los mecanismos por los cuales la radiación ionizante nos daña, trataremos de razonar cual y por qué es las más dañina. ¿Que radiación suele ser la que tiene mayor “inercia”? La radiación alfa (tranquilos, vuestra intuición no os falla, la gamma es la mas peligrosa). Sin embargo, al ser núcleos de Helio se trata de una partícula muy, muy grande (comparada con un electrón) que interacionará rápidamente con toda la materia causando muchas ionizaciones en muy poco espacio. Si ponemos una hoja de papel entre nosotros y una fuente emisora alfa estaremos 100% protegidos, porque el papel frenara toda la radiación que no haya frenado ya el aire.
Eso sí, la radiación alfa es muy muy peligrosa cuando la ingerimos o nos vemos contaminados con ella, ya que produce mucho daño en una zona súper-localizada. La radiación beta es un poco más peligrosa, pues al ser una partícula mas pequeña es más difícil que colisione contra algo y por lo tanto que se frene antes de chocar contra nuestro cuerpo. Este mismo echo es el responsable de que no sólo nos dañe la piel, sino que algunos electrones lleguen hasta los pulmones, corazón, etc…
Así pues, la radiación gamma es la mas peligrosa de todas, puesto que al ser un fotón, por muy energético que sea tiene una baja probabilidad de interactuar con la materia, por lo tanto el daño que haga estará muy repartido, y esto es malo para nosotros porque nos va a costar “blindarnos” de sus efectos. Como comenté antes, con un papel es suficiente par detener la radiación alfa; para la Beta necesitaremos 1-5cm de aluminio, y para la gamma varios centímetros de plomo.
También es importante destacar que, al igual que comenté antes, su peligrosidad depende de si la fuente esta en nuestro cuerpo o fuera de él. Invirtiéndose el orden de peligrosidad en caso de estar contaminados (se entiende por irradiado haber estado expuesto a radiación y por contaminado tener una fuente dentro del cuerpo).
Soy plenamente consciente que esta entrada hay muchas cosas que tratan por encima, como por ejemplo, ¿cómo puede un protón convertirse en neutrón? (ya que no tienen ni la misma masa ni la misma carga), pero tenéis que ser conscientes que ese tema es de otro campo de la física (Física de partículas) y que no es el objetivo de esta entrada explicarlo. Os puedo recomendar que os leáis Cuántica sin fórmulas del profesor Pedro, puesto que el efecto túnel es la clave teórica para explicar muchas de estas desintegraciones y porqué se producen al azar, pero como he repetido la idea es transmitir conocimientos generales de la radioactividad. Tenéis a vuestra disposición los comentarios y el foro para preguntar y felizmente responderé a las preguntas de las cuales conozca las respuestas. Si te ha gustado esta entrada y tienes mas sed de conocimiento, lee la siguiente entrada, Radioactividad (II): Un mundo radioactivo.
- Este hecho es fundamental para entender las supernovas, y fue mencionado en http://eltamiz.com/2007/12/06/la-vida-privada-de-las-estrellas-supernovas-de-tipo-ii/ [↩]
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{ 10 } Comentarios
Muy bueno el artículo, y muy interesante.
A ver, preguntas:
Muchas gracias y ánimo con la serie que promete un montón.
@Sergio la radiaciones son dañinas por su capacidad para ionizar átomos. Crean una especie de cascada de electrones que salen disparados en todas direcciones y que mueven otros electrones. (Imaginároslo así). Bien, la radiación alfa que emite núcleos de Helio (2p+2n, no moléculas, supongo que debías estar pensando en elementos
) tiene mucha capacidad para ionizar la materia, pero pesa demasiado y el aire la frena. En cambio la gamma atraviesa con facilidad el aire, y nosotros somos suficientemente densos como para que se tope con nuestros electrones. Ahora bien, tu razonas correctamente en el caso en que la fuente emisora de la radiación este en nuestro interior, entonces la mas letal es la alfa (ya que causa mucho daño), y la menos la gamma, ya que nos atraviesa con mayor facilidad y no causa un daño tan localizado.
Muy interesante este tema de las radiaciones y las desintegraciones. Hacía tiempo que esperaba que Pedro escribiera al respecto, pero veo que elcedazo la ha salido redondo
Una preguntita: los rayos X… ¿qué pasa con ellos? ¿no tienen nada que ver con el tema?
Hay un “echo” que me ha dolido a la vista leerlo. Por lo demás me ha parecido un buen artículo. Sigue así.
Sergio: aparte de lo que te ha explicado Belerofot, como no puede ser de otra forma intentaré explicarlo a mi modo teniendo solamente en cuenta las fuentes de emisión externas… La cuestión está en que un átomo de Helio tiene un tamaño realmente considerable respecto de un fotón gamma. El radio de acción de un átomo de Helio muy energético está alrededor de los 140 picómetros, mientras que un fotón gamma tiene una longitud de onda de hasta un picómetro (puede ser menor del picómetro). Es decir, el helio tiene una probabilidad 140 veces mayor que un fotón gamma de chocar contra algo antes de encontrarse contigo, y en caso de que el helio llegue hasta ti, te afectará de manera superficial (en tu dermis y epidermis) y poco más. Para un fotón gamma, sin embargo, ten en cuenta los Rayos X, que tienen una longitud de onda mayor pero solo la densidad de tus huesos es capaz de frenarlos. Teniendo en cuenta también que los haces de rayos gamma transportan una cantidad mucho mayor de particulas que los haces de rayos alfa (simplemente por los tamaños de las partículas) es mucho más probable que un rayo gamma excite un electrón de un átomo de tu cuerpo (y este electron, a su vez, a otros, produciendote un cancer) a que un rayo alfa haga lo mismo. Eso si, en una desintegración alfa solo se emite un átomo de Helio-4, y en una desintegración gamma solo se emite un fotón gamma…
Así pues, un átomo de helio tiene mucha más energía que un fotón gamma (al fin y al cabo es un átomo, y por lo tanto tiene masa que supera con creces el MeV de un fotón) pero el fotón es más dificil de frenar. Eso significa que mientras el átomo de Helio-4 chocará contra tu piel, el fotón puede chocar con cualquier celula del interior de tu cuerpo, e incluso puede atravesarlo sin más.
A pesar de eso, se especula que Marie Curie, que murió de anemia (falta de glóbulos rojos), fue víctima de la radiactividad que tanto estudió, y trabajaba sobretodo con Uranio y sus derivados, Torio Radio y Polonio (a los últimos dos les puso el nombre ella). Los cuatro tienen desintegración Alfa, por lo que la especulación es que el helio ionizado le dañó varios organos internos e incluso la médula osea de varios huesos (que es donde se producen la mayoría de los glóbulos rojos). Claro que la tipa estuvo bastante tiempo expuesta a radiaciones Alfa, pero en caso de ser cierto que murió por su exposición a la radiactividad, fue ese tipo de radiación Alfa la que llegó a dañarle los huesos. Aunque, por otra parte, la anemia puede producirse por bastantes causas, por eso es una especulación…
@joel El tema de los rayos X, no es que este totalmente a parte, pero igual que pasa con la fusión, no son producto directo de la Desintegración radioactiva. Y esta entrada se centra en tratar de explicar las radiaciones emitidas por las desintegraciones radioactivas. Los rayos X, son fotones de menor energía que los rayos gamma y no son emitidos por los núcleos de los átomos. En el caso de la captura electrónica se emiten rayos X, pero esto se debe a que un electrón es capturado por el núcleo y la reorganización de los electrones de las capas produce rayos X (Como queda un lugar vacio cerca del núcleo los electrones mas externos lo ocupan emitiendo fotones de energías determinadas, características de cada elemento). Los rayos X también se producen cuando un electrón pasa cerca de un núcleo sin colisionar con él, entonces se frena y como pierde energía la emite en forma de radiación.
@David Tened paciencia con mi ortografía. Hago un esfuerzo de verdad.
@ Manuko Gracias por complementar mi explicación. El tema de Marie Curie es un poquito mas complicdo. Como veremos en la próxima entrada, uno de los problemas de los elementos radioactivos es que no se desintegran y ya esta, sino que se convierten en otro elemento radioactivo que a su vez se convierte en otro elemento radiuoactivo que a su vez… formano lo que se llaman cadenas de desintegración natural (Existen 4, aunque en la Tierra solo quedan 3 porque una tiene un tiempo de vida mas corto que la edad de la Tierra). Los elementos que investigo Marie Curie eran en su mayoría Alfa, pero los elementos en que estos de desintegraban no, era beta, gamma y alfa. Esto ha echo que Marie Curie este en un ataúd con 50Cm de espesor de plomo. Cuando escriba la ultima entrada sobre historia de la radioactividad, dedicare un espacio a los Curie. Mas dudas ya sabeis.
@ Belerofot, si piensas escribir sobre los Curie debes leer “Historias de la ciencia” http://www.historiasdelaciencia.com/, sino lo has leído ya, vamos.
Belerofot, buen comienzo y muy instructivo para irnos “desaznando” sobre algunas creencias equivocadas sobre la radiación, aunque también para ir aprendiendo dónde están los mayores peligros. Aunque no lo dices, por ser objetivo, se va perfilando por el conocimiento y ese es el camino correcto.
Joel, aunque tu pregunta no corresponde al tema específico de esta entrada, creo a pesar de eso que tu propuesta es sumamente importante. Se ha comprobado – creo que desde la década de los 60 – que es posible fracturar el cromosoma mediante rayos X, con lo cual la célula afectada variará su propia estructura genética en la mitosis futura de toda la generación de células que tengan, como punto de partida, la célula afectada. Por ese motivo, los rayos X pueden causar cáncer. Y por eso, hoy la medicina busca no exponer innecesariamente a las personas a las radografías aunque los equipos se han perfeccionado mucho. O sea, se sale del tema pero es importante.
este es un ma que debe de ser mas tratado paa tomar mas encuenta sus consecuencias tamto como las causa debemos de tomar en cuenta de que es un tema dificil de explicar pero muy importante como nos explica en este pequeño pero muy bien explicado tiene comsecuencia grabiisimas La radiación beta es un poco más peligrosa, pues al ser una partícula mas pequeña es más difícil que colisione contra algo y por lo tanto que se frene antes de chocar contra nuestro cuerpo. Este mismo echo es el responsable de que no sólo nos dañe la piel, sino que algunos electrones lleguen hasta los pulmones, corazón,
“Los fotones “rebotan” ionizando atomos” Es una simplificacion o es eso exactamente, porque leyendo el tamiz me parecio entender que los fotones son absorbidos por los electrones que se excitan y emiten un foton distinto al anterior.
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