XI. LOS NUEVOS USOS
LAS RADIACIONES encontraron usos casi desde el momento de descubrirse, gracias a sus caracter�sticas tan especiales. Desde luego, est� su poder de penetraci�n, que dio lugar a las radiograf�as y al uso de radiois�topos como trazadores. Luego est� su poder de ionizaci�n, que permiti� la radioterapia y muchos usos industriales, como la esterilizaci�n conservaci�n de alimentos y curado de pl�sticos. Su relaci�n con la energ�a nuclear result� en los reactores de potencia y en posibilidades de energ�a ilimitada. Sus efectos en las distintas substancias abre nuevas perspectivas en la ciencia de materiales.
Por otro lado, tienen la caracter�stica de afectar regiones microsc�picas, �tomos, electrones y n�cleos. De hecho, se han convertido en la principal arma para investigar la materia, su estructura cristalina, la estructura de los �tomos, de los n�cleos y de los nucleones. Han sido piedra angular en el reconocimiento de leyes fundamentales de la f�sica, como el principio de incertidumbre, la dualidad onda-part�cula y el principio de exclusi�n. Permitieron el descubrimiento del n�cleo, la b�squeda de nuevos elementos y la demostraci�n de la estructura peri�dica de los s�lidos.
En este cap�tulo vamos a describir c�mo la radiaci�n se emplea en t�cnicas anal�ticas muy finas, que son capaces de dar informaci�n que no se puede obtener con ning�n otro m�todo. Muchas de ellas son de aplicaci�n reciente porque se basan en el desarrollo de m�todos de generaci�n, detecci�n y an�lisis, los cuales siempre est�n mejorando y cada vez son m�s precisos y sensibles. La radiaci�n est� bien colocada dentro de la espiral de alta tecnolog�a, cuyo desarrollo se da gracias a nuevos m�todos que provienen de informaci�n m�s fina, que se obtiene aplicando a su vez la alta tecnolog�a. Describiremos las t�cnicas de an�lisis por activaci�n, la fluorescencia de los rayos X, la espectroscop�a de electrones Auger, la retrodispersi�n de iones y la espectroscop�a de iones secundarios.
El an�lisis por activaci�n es un m�todo de identificaci�n de elementos qu�micos.
Con �l se pueden medir concentraciones de partes por mill�n y mucho menos. Fue
posible emplearlo cuando comenzaron a fabricarse fuentes potentes de neutrones,
como los reactores nucleares y los aceleradores. El m�todo consiste en colocar
la muestra que se desea analizar en un flujo intenso de neutrones. Estos producen
en ella reacciones nucleares de diversos tipos, y as� transforman algunos de
los n�cleos del material en otros que son radiactivos. Una vez que se retira
la muestra de los neutrones, queda activada y decae con la vida media de los
nuevos n�cleos. Vali�ndose de un detector de centelleo o de estado s�lido, se
puede medir la energ�a de los rayos g que emite,
y esto, junto con la vida media, permite identificar el elemento. La cantidad
de rayos g que se mide depende de la cantidad del
elemento que est� presente. En la figura 51 se muestra un espectro t�pico de
rayos g provenientes de una muestra activada.
Para hacer un an�lisis cuantitativo preciso, se necesita conocer bien las condiciones del experimento; por ejemplo, el flujo de neutrones y su energ�a y la probabilidad o secci�n de activaci�n. Si la vida media es corta, perder� actividad en el lapso en que se transporta la muestra de los neutrones al contador. Al contar los rayos g hay que corregir adem�s por autoabsorci�n en la muestra, por radiaci�n dispersada y por eficiencia del detector. En general las determinaciones se hacen por comparaci�n con una muestra patr�n que contiene una cantidad conocida del elemento.
Casi todos los elementos se pueden detectar por activaci�n con neutrones, aunque para algunos elementos es m�s sensible que para otros. En ciertos casos dif�ciles existen otras posibilidades tambi�n basadas en reacciones nucleares, en que la activaci�n se produce por protones, part�culas a u otros proyectiles. Todos estos m�todos se basan en que cada tipo de n�cleo at�mico tiene su propio modo de absorber radiaci�n, sufrir transmutaciones y emitir fragmentos. Ni uno solo de �stos se repite entre n�cleos diferentes, as� que constituyen una huella digital que permite identificar elementos sin duda alguna.
La pr�ctica del m�todo generalmente se hace en reactores nucleares, para aprovechar el alto flujo de neutrones. Los reactores de investigaci�n suelen estar provistos de un mecanismo neum�tico que transporta la muestra del coraz�n del reactor a los detectores con gran rapidez, para disminuir errores. Tambi�n se puede llevar a cabo en un acelerador si se producen neutrones a prop�sito mediante alguna reacci�n nuclear como 3H + 2H � 4He + n. Se fabrican aceleradores dise�ados especialmente para este uso.
Las aplicaciones del an�lisis por activaci�n son pr�cticamente ilimitadas. Es �til en cualquier caso en que se requiera un an�lisis de trazas de elementos. Esto puede abarcar muestras geol�gicas y arqueol�gicas; se puede usar en biolog�a y medicina, en estudios hidrol�gicos y para medir la contaminaci�n ambiental. Se ha usado para medir la concentraci�n de elementos en aerolitos y muestras de la Luna; tambi�n para detectar la presencia de elementos raros en minerales.
Una de las grandes ventajas de la activaci�n por neutrones, adem�s de su gran sensibilidad, es que no destruye la muestra, y esto es particularmente importante cuando se trata de muestras �nicas o irreemplazables, como las arqueol�gicas. La muestra puede quedar radiactiva, pero decae pronto, dependiendo de su composici�n, quedando esencialmente intacta. Por otro lado, tiene como desventaja su alto costo comparado con otros m�todos, y, adem�s, que no distingue compuestos qu�micos.
Aqu� vale la pena hacer una digresi�n sobre c�mo evaluar los distintos m�todos anal�ticos. El usuario de cada t�cnica tiene la tendencia a afirmar que la suya es superior a cualquier otra, en buena parte para justificarse. La verdad es que depende del caso particular y de cada problema espec�fico que se tiene que resolver. La activaci�n por neutrones, por ejemplo, puede ser muy �til para un elemento, pero poco pr�ctico para otro. En ese sentido todas las t�cnicas se complementan unas a otras. Algunas caracter�sticas que permiten averiguar qu� t�cnica es la mejor para un an�lisis espec�fico son las siguientes. La sensibilidad est� relacionada con la m�nima cantidad de un elemento que se puede detectar. Generalmente aumenta el costo si se requiere m�s sensibilidad, as� que no conviene usar un aparato que rebase las necesidades del caso particular. Por ejemplo, si una muestra contiene 10% de un elemento dado, no tiene sentido usar un equipo que detecte partes por mill�n. El nivel de precisi�n de una t�cnica nos indica los errores cometidos al aplicarla, y por lo tanto qu� tan confiables son los resultados. Tambi�n la alta precisi�n va ligada con alto costo, y vale el mismo comentario sobre la determinaci�n previa de los requisitos, a fin de no sobrepasarlos innecesariamente.
El tipo de informaci�n que se necesita de una muestra tambi�n determina qu� t�cnica es m�s �til. El an�lisis por activaci�n distingue elementos, pero no da informaci�n sobre qu� compuestos qu�micos existen, sobre c�mo son los enlaces qu�micos, ni si la muestra es cristalina o amorfa; para esto hay otras t�cnicas. La cantidad de informaci�n que da un solo an�lisis tambi�n es importante. Hay t�cnicas que analizan muchos elementos a la vez; otras que van de uno por uno, y por lo tanto son m�s tardadas. Algunos aparatos est�n dise�ados espec�ficamente para una substancia, por ejemplo, los monitores de mon�xido de carbono en la emisi�n de un motor de combusti�n interna. Algunas veces puede requerirse informaci�n m�s detallada, como la localizaci�n precisa de una impureza, la profundidad de difusi�n de un gas en un s�lido, la posici�n de un �tomo en la red cristalina o la existencia de defectos en la red; cada uno de estos casos se puede estudiar con la t�cnica apropiada.
Desde el punto de vista pr�ctico, cuentan la rapidez con que pueden obtenerse los resultados y la sencillez del procedimiento. Tambi�n la forma f�sica de la muestra es importante que sea compatible con el equipo. Un l�quido, por ejemplo, no se puede introducir a un acelerador o a un microscopio electr�nico para analizarlo con rayos X; habr�a que hacer antes una transformaci�n qu�mica para convertirlo en s�lido o en polvo, y en dicha transformaci�n se puede perder parte de la informaci�n que se necesita. Desde luego, a todo esto hay que agregar la disponibilidad del equipo y el costo, factores que muchas veces son los determinantes cuando se selecciona una t�cnica. Sin embargo, si un pa�s no quiere quedarse a la zaga del desarrollo tecnol�gico moderno, debe mantener, si no todas, por lo menos la mayor�a de las t�cnicas anal�ticas en operaci�n continua, segura y confiable. En la actualidad, en M�xico este servicio lo cubren principalmente las instituciones de educaci�n superior y las de investigaci�n, aunque en algunos casos se tiene que recurrir al extranjero.
La fluorescencia de rayos X tambi�n da la composici�n qu�mica de una muestra.
Se ha usado ya por muchos a�os para analizar minerales. Ya sabemos que cuando
un �tomo de una substancia se ioniza (lo cual puede ser provocado por part�culas
a o b, rayos X o g,
protones, electrones, o iones pesados), al perder un electr�n queda un hueco
en alguna capa electr�nica. Este hueco es llenado por un electr�n de una capa
m�s externa, menos ligado, y por lo tanto debe ceder energ�a. Un modo de hacerlo
es emitir un fot�n con la energ�a que sobra, y si la transici�n es entre capas
K, L o M, casi siempre corresponde a rayos X. La figura 52 muestra la estructura
de capas t�pica de un �tomo, y se indican las transiciones m�s importantes con
emisi�n de rayos X. Ahora bien: cada elemento tiene una separaci�n propia entre
niveles, as� que la energ�a de los rayos X que emite es una marca caracter�stica
del elemento. Uno mide entonces esta energ�a para identificar los elementos
de una muestra.
En el Instituto de F�sica de la UNAM se usa este m�todo provocando
la ionizaci�n inicial con un haz de protones (v�ase la Fig. 53). Estos proyectiles,
provenientes del acelerador Van de Graaff de 700 keV (Fig. 54), inducen la emisi�n
de rayos X, los cuales son recogidos por un detector de silicio con litio difundido,
que produce, por cada fot�n que llega, un pulso de tama�o proporcional a su
energ�a. El resultado es un espectro de energ�as como el de la figura 55, en
que cada pico corresponde a una transici�n, y permite identificar tanto los
elementos que la produjeron como su abundancia. En un solo espectro aparecen
los picos de todos los elementos presentes; el m�todo sirve para an�lisis simult�neo
de todos los elementos, desde el sodio hasta el uranio.
Figura 53. Detector de rayos X acoplado a la l�nea de un acelerador para observar los rayos producidos al ser bombardeada la muestra por el haz de protones.
Figura 54. Acelerador de Van de Graaff de 700 kV del Instituto de F�sica
de la UNAM; se emplea para estudiar superficies.
Figura 55. Espectro de energ�as de rayos X emitidos por una muestra de acero
al ser bombardeada con protones. Se distinguen con claridad los picos correspondientes
al fierro, cromo, vanadio y molibdeno.
Estrictamente hablando, se llama fluorescencia cuando la excitaci�n o ionizaci�n inicial es causada por rayos X incidentes. Este m�todo es el que se ha usado comercialmente por muchos a�os, especialmente en miner�a, para analizar las componentes de un mineral con gran sensibilidad. Se usa un tubo de rayos X y se lanzan �stos sobre la muestra que se desea estudiar. Los rayos X que �sta emite pasan luego a un cristal analizador, que separa por difracci�n las longitudes de onda y las emite a su vez en diferentes direcciones, de acuerdo con la ley de Bragg. El detector barre todas las direcciones de salida para identificar los picos. Con este m�todo se tiene mayor sensibilidad, pero la cuantificaci�n es mucho m�s dif�cil que si la ionizaci�n se efect�a con protones.
Si a un microscopio electr�nico se le adapta un detector de silicio, se pueden ver los rayos X inducidos por el bombardeo con electrones. Esto tiene la gran ventaja de que, adem�s de observar la muestra con una alta amplificaci�n, se puede saber qu� elementos contiene. Si adem�s se sincroniza la salida de pulsos del detector con el rastreo del haz de electrones, es posible saber d�nde est�n colocados los diferentes elementos. El aparato que hace esto se llama microsonda.
As� como la ionizaci�n o la excitaci�n at�mica pueden ser provocadas por distintas
radiaciones, tambi�n la desexcitaci�n puede ser causada por un mecanismo distinto
de los rayos X. Se trata de la emisi�n de electrones Auger, que se muestra en
la figura 56. En el caso mostrado la ionizaci�n inicial se produce en la capa
K. Un electr�n de la capa L pasa a llenar el hueco, pero en vez de emitir un
fot�n, la energ�a que sobra se la transmite a un segundo electr�n de la capa
L, que sale despedido con la diferencia de energ�as de las capas K y L. Este
proceso se denomina KLL porque en �l entran un electr�n K y dos L. As� como
en la fluorescencia, la energ�a con que sale el segundo electr�n L (electr�n
Auger) es propia de cada elemento. Para medirla se usa un analizador electrost�tico
(Fig. 57) que produce trayectorias curvas de los electrones y las selecciona
de acuerdo con su energ�a. Se obtiene una gr�fica como la de la figura 58, en
que los picos corresponden a diferentes elementos.
Figura 56. Mecanismo de desexcitaci�n at�mica emitiendo electrones Auger.
Figura 57. Analizador electrost�tico para medir las energ�as de los electrones
Auger. De los m�ltiples electrones que emite la muestra, s�lo los de la energ�a
correcta logran pasar hasta el detector de la derecha.
Figura 58. Espectro de energ�as de electrones Auger emitidos por una muestra de acero nitrurado. Se distinguen carbono, nitr�geno, ox�geno y fierro.
La espectroscop�a Auger tiene la caracter�stica de que la energ�a de los electrones
es relativamente baja; si se produce un electr�n Auger muy dentro de la muestra,
no logra salir. Por lo tanto, se deduce que cuando sale un electr�n, �ste proviene
de la superficie o cuando mucho de 4 o 5 capas at�micas por debajo. Este m�todo
es, pues, muy �til para identificar elementos en la superficie de cualquier
s�lido, y se ha convertido en la principal herramienta para esto. Las superficies
que manejamos normalmente est�n cubiertas por suciedad, grasa y vapores absorbidos,
que ni aun los solventes pueden eliminar f�cilmente; hasta en alto vac�o est�n
sucias. Por ello se usan presiones hasta de 10-13 de atm�sfera (regi�n
de ultraalto vac�o) para estas determinaciones. Para la ionizaci�n inicial,
en la actualidad se usa la espectroscop�a Auger en combinaci�n con el rastreo
de un haz de electrones sobre la muestra. As� puede uno tener no s�lo el an�lisis
de los elementos en la superficie, sino tambi�n su localizaci�n precisa. La
figura 59 muestra un microscopio Auger de barrido que se encuentra en el laboratorio
de Ensenada del Instituto de F�sica de la UNAM.
Figura 59. Microscopio de electrones Auger de barrido en el laboratorio de Ensenada
del Instituto de F�sica de la UNAM.
La emisi�n de rayos X y la emisi�n de electrones Auger son complementarias. En general, los elementos ligeros emiten preferentemente electrones Auger, y los pesados rayos X. De ah� que cada m�todo es m�s sensible para diferente regi�n de la tabla de los elementos.
Muchas de las t�cnicas anal�ticas que emplean radiaci�n tienen una caracter�stica especial, a saber: que el estudio se hace a golpes. Esto se realiza de la siguiente manera: se lanza un proyectil que golpea la muestra, y luego se averigua cu�les son los fragmentos que salen del choque. Es algo as� como si en boliche se colocaran los pinos en cualquier posici�n y de c�mo se dispersan al lanzarles la bola se tratase de averiguar en d�nde estaban originalmente y qu� caracter�sticas tiene cada uno. Adem�s, el jugador est� ciego, pues no sabe siquiera en qu� direcci�n lanzar la bola, ni cu�ntos pinos hay. Se recurre entonces a enviar un gran n�mero de proyectiles y hacer estudios estad�sticos.
Otro m�todo que permite hacer an�lisis qu�mico de una muestra es la retrodispersi�n
nuclear, llamada tambi�n de Rutherford, en honor de quien descubri� la existencia
de los n�cleos con este proceso. Si se lanzan proyectiles ligeros como protones
o part�culas a sobre n�cleos, rebotan en ellos. La energ�a con que emergen despu�s
del rebote depende de la masa del n�cleo: cuanto mayor sea �sta, m�s energ�a
se llevar� el prot�n. Esto se puede visualizar como un juego de canicas. Si
una canica le pega a otra igual, se reparten la energ�a, y siempre ambas se
mueven hacia adelante. En cambio, si se lanza la canica sobre una bola de boliche,
�sta se mantiene pr�cticamente inm�vil, y la canica rebota hacia atr�s casi
con la misma energ�a que llevaba en un principio. Como se cuenta con medidores
de energ�a de protones (y otros proyectiles) muy precisos, es posible de esta
manera ir relacionando elemento por elemento con la energ�a del rebote. La figura
60 muestra un espectro de energ�as de protones rebotados en una pel�cula delgada
de pl�stico; cada pico corresponde a un elemento. El m�todo es muy �til para
identificar elementos ligeros; los picos de los elementos pesados se amontonan
unos sobre otros, y esto dificulta la interpretaci�n.
Figura 60. Espectro de protones retrodispersados por una pel�cula muy delgada
de un pl�stico con cubierta de aluminio y oro.
Hay t�cnicas que, adem�s de identificar los elementos que contiene una muestra,
nos indican su localizaci�n. Desde luego, los microscopios, y especialmente
los electr�nicos y las microsondas, nos dan una imagen con muchos aumentos de
la superficie, pero aqu� nos vamos a referir a la localizaci�n por debajo de
la superficie, a cierta profundidad dentro del objeto. Una manera de hacerlo
es ir quitando capas y observar a cada paso los elementos que van apareciendo
en la superficie. Esto, sin embargo, destruye la muestra e impide otras clases
de observaciones o usos de ella. La retrodispersi�n de iones no destruye la
muestra y s� nos da informaci�n sobre su interior. Cuando los protones o part�culas
a llegan a una muestra s�lida, penetran en ella,
y con ello pierden energ�a poco a poco en el proceso. Por ejemplo, un prot�n
de 3 MeV penetra en cobre hasta 30 micras; una part�cula a
de 3 MeV, 5 micras. En un s�lido t�pico, 1 micra corresponde a unas 3 000 capas
at�micas. Cuando la retrodispersi�n sucede a cierta profundidad, el proyectil
ya perdi� energ�a, y al regresar despu�s del choque nuevamente pierde algo,
como lo muestra la figura 61. Entonces la energ�a con que se detecta la part�cula
dispersada depende no s�lo del elemento con que choc�, sino tambi�n de su profundidad
dentro del s�lido. El espectro de energ�as que se obtiene es como el de la figura
62, que es esencialmente un perfil de la muestra.
Figura 62. Espectro de energ�as de part�culas a de
2 MeV dispersadas de una muestra de titanio s�lida, con un recubrimiento muy
delgado de oro.
Desde luego, cuando uno de estos proyectiles penetra, adem�s de retrodispersarse, puede producir rayos X, electrones Auger, part�culas b, rayos g y otros productos de reacciones nucleares. Cada uno de �stos se puede observar y correlacionar con las propiedades de la muestra. Se puede determinar la abundancia, localizar impurezas y conocer perfiles, espesores de pel�culas delgadas como �xidos, profundidad de �tomos implantados y hasta estructura cristalina y da�os en la red
Ya hemos visto que una superficie se erosiona cuando es bombardeada por iones. Esta erosi�n i�nica se usa en combinaci�n con las otras t�cnicas mencionadas, porque se puede ir quitando capa por capa de manera controlada, con mucha m�s exactitud que con un ataque qu�mico o un desbastado mec�nico. Si entre capa y capa se hace un estudio, por ejemplo de electrones Auger, se puede tener un perfil muy preciso de la composici�n. Muchos equipos de estudio de superficies traen integrado un ca��n de iones para provocar la erosi�n, no s�lo para ir quitando capas, sino tambi�n para limpiar las muestras al iniciar el experimento.
Cuando se erosiona una muestra, los �tomos eyectados se pueden recoger en otra superficie para un an�lisis posterior, pero tambi�n es posible analizarlos durante su paso por el sistema de vac�o. Si se les aplican en su camino un campo el�ctrico y un campo magn�tico, se puede hacer que iones de distintas masas sigan distintas trayectorias. �ste es el m�todo tradicional con que se han medido con gran precisi�n las masas at�micas. En el caso que nos interesa, es posible identificar la masa de cada uno de los productos de la erosi�n i�nica, y con ello se obtiene la composici�n original. El proceso, llamado espectroscop�a de masas de iones secundarios, tiene una alta sensibilidad y complementa los descritos previamente.
Las t�cnicas que hemos revisado aqu� son s�lo algunas de las muchas que hay para investigar la materia. Saltan a la vista varios puntos. Primero, todas son de alta sensibilidad, y no hay otros modos de obtener la misma informaci�n. Segundo, implican �tomos individuales, los choques suceden uno por uno, aunque tal vez necesitemos millones de millones de ellos para concluir algo. Tercero, todas emplean tecnolog�a avanzada, a saber: aceleradores o reactores, fuentes de iones, ultraalto vac�o, alta precisi�n en la medici�n de campos el�ctricos y magn�ticos, detectores sensibles a distintas radiaciones, electr�nica digital y computaci�n.
