XI. LOS NUEVOS USOS
L
AS 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.
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Figura 51. Espectro de rayos g del 60Co, mostrando las dos energ�as que emite.
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.
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Figura 52. Transiciones m�s importantes entre niveles de energ�a at�micos.
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.
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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.
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Figura 54. Acelerador de Van de Graaff de 700 kV del Instituto de F�sica de la
UNAM
; se emplea para estudiar superficies.
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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.
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Figura 56. Mecanismo de desexcitaci�n at�mica emitiendo electrones Auger.
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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.
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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.
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Figura 59. Microscopio de electrones Auger de barrido en el laboratorio de Ensenada del Instituto de F�sica de la
UNAM
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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.
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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.
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Figura 61. Arreglo de un experimento de retrodispersi�n de protones por un s�lido.
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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.
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