I. C�MO SOMOS Y POR QU� SOMOS COMO SOMOS

LA RADIACI�N ionizante es at�mica o subat�mica. Proviene principalmente de los �tomos y de sus componentes. Tambi�n sus efectos se dejan sentir en los �tomos y en sus partes. Por eso no es posible hablar de radiaci�n sin antes haber visto aunque sea de manera general c�mo es la estructura de la materia y c�mo se comporta en el nivel m�s elemental. Habr� que aclarar que la descripci�n que sigue s�lo pretende ser un punto de partida para analizar la radiaci�n. Una descripci�n pict�rica puede ser �til para visualizar los fen�menos, aun cuando no se apegue estrictamente al entendimiento actual de la f�sica. El que quiera profundizar en el tema podr� consultar los abundantes libros especializados de f�sica y qu�mica para estudiar en detalle el asunto espec�fico que le interese. Sin embargo, las leyes de la naturaleza se siguen investigando en la actualidad; por eso, ninguna explicaci�n ser� completa. El verdaderamente curioso podr� dedicar la vida entera a su investigaci�n, y probablemente nunca llegue a comprenderlo en su totalidad. Baste entonces con que hagamos una descripci�n somera, inevitablemente incompleta, de lo que hoy en d�a se sabe de la estructura de la materia, conforme a lo que necesitamos, para abordar luego el tema de la radiaci�n.

A lo largo de la explicaci�n surgir�n t�rminos tal vez nuevos para el lector, y es posible que �stos se vayan sumando hasta volverse una mara�a confusa. Por esta raz�n, a este cap�tulo se le ha dado una forma escueta, casi como de glosario, sin entrar en explicaciones que no sean pertinentes para el posterior desarrollo del libro. Los t�rminos m�s importantes aparecen en cursivas para que el lector pueda despu�s f�cilmente recurrir a sus definiciones.

Comencemos con el �tomo, originalmente pensado como indivisible, y que es la unidad m�s peque�a de un elemento que puede existir sola y conservar las propiedades qu�micas del elemento. Los �tomos son extremadamente peque�os: miden aproximadamente 10^-8 cm, y pesan alrededor de 10^-24 g. Es claro entonces que cualquier objeto de uso com�n contiene un enorme n�mero de ellos: una moneda de un gramo tiene cerca de 10²⁴.

Para el lector que no est� familiarizado con la notaci�n exponencial, diremos que el n�mero 10 elevado a un exponente significa el n�mero 1 seguido de tantos ceros como indica el exponente. Por ejemplo, un mill�n (1 000 000) se puede escribir como 10⁶; mil (1 000) como 10³. Cinco millones ser�a 5 X 10⁶; ocho mil, 8 X 10³. Esta notaci�n nos permite escribir en forma abreviada cantidades tan grandes como el n�mero de �tomos en una moneda, 10²⁴, con poco gasto de papel. Un exponente negativo como en 10^-8 cm, el tama�o de los �tomos, significa la fracci�n 1/10⁸, o sea 1/100 000 000 de cent�metro. Usaremos esta notaci�n frecuentemente.

Regresando a los �tomos, cada uno de ellos esta formado por un n�cleo y varios electrones; el n�mero de estos puede llegar a sobrepasar los cien. Casi todo el peso, o m�s correctamente la masa, del �tomo esta concentrado en el n�cleo, en el centro, por lo que la posici�n del n�cleo determina la posici�n del �tomo. El n�cleo tiene carga el�ctrica positiva, y los electrones negativa. Es la fuerza el�ctrica (las cargas opuestas se atraen) la que mantiene a los �tomos como unidad; y siendo m�s ligeros los electrones, �stos giran alrededor del n�cleo (v�ase la Fig. 1).

Figura 1. Una concepci�n del �tomo.

Los n�cleos est�n formados por protones y neutrones, juntos como en un racimo de uvas. Los protones tienen carga positiva; el n�mero de protones (Z) en un n�cleo determina de qu� elemento qu�mico se trata. Los neutrones no tienen carga el�ctrica; su presencia en los n�cleos en n�mero N contribuye a la masa nuclear. Protones y neutrones se llaman gen�ricamente nucleones; el n�mero de nucleones (A) en un n�cleo es igual a la suma del n�mero de protones (Z) y el n�mero de neutrones (N): A=Z+N.

Los n�cleos atraen el�ctricamente a cuantos electrones se requieran para balancear su carga. Ahora bien: las cargas de protones y electrones son de igual magnitud, pero de signo opuesto, as� que un �tomo neutro tiene tantos electrones como protones.

Cuadro 1. Los elementos de la naturaleza.

Elemento

Simbolo

Z

Elemento

Simbolo

Z

Elemento

Simbolo

Z

Elemento

Simbolo

Z

Elemento

Simbolo

Z

Hidrógeno

H

1

Titanio

Ti

22

Tecnecio

Tc

43

Gadolinio

Gd

64

Astatinio

At

85

Helio

He

2

Vanadio

V

23

Rutenio

Ru

44

Terbio

Tb

65

Radón

Rn

86

Litio

Li

3

Cromo

Cr

24

Rodio

Rh

45

Disprosio

Dy

66

Francio

Fr

87

Berilio

Be

4

Manganeso

Mn

25

Paladio

Pd

46

Holmio

Ho

67

Radio

Ra

88

Boro

B

5

Fierro

Fe

26

Plata

Ag

47

Erbio

Er

68

Actinio

Ac

89

Carbono

C

6

Cobalto

Co

27

Cadmio

Cd

48

Tulio

Tm

69

Torio

Th

90

Nitrógeno

N

7

Niquel

Ni

28

Indio

In

49

Iterbio

Yb

70

Protactinio

Pa

91

Oxígeno

O

8

Cobre

Cu

29

Estaño

Sn

50

Lutecio

Lu

71

Uranio

U

92

Fluoro

F

9

Cinc

Zn

30

Antimonio

Sb

51

Hafnio

Hf

72

Neptunio

Np

93

Neón

Ne

10

Galio

Ga

31

Telurio

Te

52

Tantalio

Ta

73

Plutonio

Pu

94

Sodio

Na

11

Germanio

Ge

32

Iodo

I

53

Wolframio

W

74

Americio

Am

95

Magnesio

Mg

12

Arsénico

As

33

Xenon

Xe

54

Renio

Re

75

Curio

Cm

96

Aluminio

Al

13

Selenio

Se

34

Cesio

Cs

55

Osmio

Os

76

Berkelio

Bk

97

Silicio

Si

14

Bromo

Br

35

Bario

Ba

56

Iridio

Ir

77

Californio

Cf

98

Fósforo

P

15

Kriptón

Kr

36

Lantano

La

57

Platino

Pt

78

Einstenio

Es

99

Azufre

S

16

Rubidio

Rb

37

Cerio

Ce

58

Oro

Au

79

Fermio

Fm

100

Cloro

Cl

17

Estroncio

Sr

38

Praseodinio

Pr

59

Mercurio

Hg

80

Mendelevio

Mv

101

Argón

Ar

18

Itrio

Y

39

Neodinio

Nd

60

Talio

Tl

81

Nobelio

No

102

Potasio

K

19

Circonio

Zr

40

Promecio

Pm

61

Plomo

Pb

82

Lawrencio

Lw

103

Calcio

Ca

20

Niobio

Nb

41

Samario

Sa

62

Bismuto

Bi

83

Escandio

Sc

21

Molibdeno

Mo

42

Europio

Eu

63

Polonio

Po

84

Se llama n�mero at�mico (Z) al n�mero de protones en el n�cleo o al n�mero de electrones en el �tomo neutro. Nos identifica al elemento y sus propiedades qu�micas. El �tomo del elemento m�s sencillo, el hidr�geno (Z = 1), consta de un prot�n y un electr�n. En el siguiente, el helio (Z = 2), tiene el n�cleo 2 protones y 2 neutrones (4 nucleones) y, por lo tanto, 2 electrones. As� sucesivamente se va conformando la tabla de los elementos, en donde Z va desde 1 hasta m�s de 100 (v�ase el cuadro 1).

Las propiedades qu�micas de los elementos, o sea, su capacidad de unir sus �tomos a otros compartiendo electrones, est�n determinadas por la estructura de capas de los electrones en los �tomos (Fig. 2). La primera capa, llamada K, la m�s cercana al n�cleo, admite s�lo dos electrones, por lo que se dice que el helio (Z = 2) es de capa cerrada y no tiene actividad qu�mica. El siguiente elemento, el litio (Z = 3), tiene la capa K llena y el electr�n adicional est� en la capa L. Este electr�n, m�s alejado del n�cleo y m�s suelto, es f�cilmente compartido con otros �tomos, lo cual da lugar a reacciones qu�micas. La capa L se llena con 8 electrones, que sumados a los 2 de la capa K nos dan un total de Z = 10, el ne�n, otro elemento inerte. No viene al caso aqu� hacer un tratado de qu�mica, as� que baste con indicar en el cuadro 2 las capas m�s importantes y c�mo est�n distribuidos los electrones en los elementos m�s ligeros.

Figura 2. Estructura de las tres primeras capas electr�nicas de los �tomos.

Cuadro 2. Configuraci�n de las capas electr�nicas de algunos elementos.

elemento	Z	número de electrones en capa K	número de electrones en capa L	número de electrones en capa M
H	1	1
He	2	2
Li	3	2	1
Be	4	2	2
B	5	2	3
C	6	2	4
N	7	2	5
O	8	2	6
F	9	2	7
Ne	10	2	8
Na	11	2	8	1
Mg	12	2	8	2
Al	13	2	8	3
Si	14	2	8	4

Los electrones que se encuentran m�s cercanos al n�cleo (por ejemplo los de la capa K) est�n, por esta cercan�a, fuertemente ligados a �l. En t�rminos t�cnicos, decimos que tienen una gran energ�a de amarre, lo que equivale a decir que para separarlos necesitamos mucha energ�a. La ionizaci�n es la acci�n de separar completamente a un electr�n del resto del �tomo; requiere energ�a. La unidad de energ�a que se usa en estos casos es el electr�n-volt (eV), que es la energ�a cin�tica que adquiere un electr�n al atravesar por una diferencia de voltaje de 1 volt. Por ejemplo, la energ�a de amarre del electr�n en el hidr�geno es de 13.6 eV; para ionizar el �tomo de hidr�geno debemos impartirle esta energ�a o m�s. En elementos m�s pesados (Z mayor) los electrones de la capa K tienen energ�as de amarre mayores. El hierro tiene 7.1 x 10³ eV, o sea 7.1 keV (kiloelectr�n-volts); el uranio, 115.6 keV.

Figura 3. Podemos imaginarnos a los electrones muy amarrados como si estuvieran en un pozo muy profundo, un electr�n suelto estar�a en un pozo poco profundo.

A veces se hace la analog�a de una cubeta en un pozo. Si la cubeta est� a gran profundidad cuesta mucho trabajo sacarla del pozo; si el electr�n tiene gran energ�a de amarre se necesita mucha energ�a para ionizar. Cuanto m�s pesado es el elemento, la atracci�n el�ctrica de n�cleo y electrones es mayor, por lo que el pozo es m�s profundo. La figura 3 muestra este s�mil.

La acci�n de ionizar un �tomo rompe su equilibrio el�ctrico. Queda un electr�n suelto por un lado y por otro un �tomo al que le falta un electr�n y por lo tanto tiene carga neta positiva; se le llama ion positivo. De inmediato se puede ver que este desequilibrio el�ctrico afectar� las uniones con otros �tomos, o sea, las propiedades qu�micas.

La esencia de la que hemos llamado radiaci�n ionizante es precisamente que tiene la capacidad de ionizar la materia. Para ionizar, la radiaci�n debe llevar energ�a y poder transmitirla a la materia. Los principales cambios que se producen en la materia son en sus propiedades qu�micas.

La presencia de capas se debe a que en un �tomo dado s�lo pueden existir ciertas energ�as de amarre; cualquier otra es imposible. �ste es un resultado de la teor�a cu�ntica de los �tomos. Se dice que la energ�a est� cuantizada, y se habla de niveles de energ�a. En el pozo del cual hablamos, equivale a que la cubeta s�lo puede estar en ciertos pelda�os, y el cambio de energ�a de amarre s�lo puede hacerse de un pelda�o a otro bruscamente. Cada elemento tiene su propia estructura de niveles o pelda�os, por lo que identificar los niveles de energ�a equivale a identificar el elemento.

En un �tomo dado los electrones pueden brincar de un nivel a otro. Si el nivel original es m�s bajo que el final, se requiere energ�a para lograr la transici�n. El paso de un nivel bajo a uno m�s alto se llama excitaci�n electr�nica. Inversamente, el paso de un nivel alto a uno m�s bajo se llama desexcitaci�n, y en este proceso sobra energ�a. La figura 4 muestra esquem�ticamente los niveles de energ�a de un �tomo y algunas transiciones tanto de excitaci�n como de desexcitaci�n. La energ�a necesaria para excitar (� para ionizar) un �tomo se obtiene generalmente de absorber radiaci�n; la energ�a que sobra cuando se desexcita se va en forma de radiaci�n u otros mecanismos semejantes. Esta radiaci�n que emiten los �tomos puede ser infrarroja, visible, ultravioleta o de rayos X.

Figura 4. Las transiciones de un nivel at�mico a otro son como pasos bruscos
entre pelda�os del pozo.

Habiendo visto c�mo se acomodan y reacomodan los electrones en los �tomos, regresemos ahora al n�cleo, con sus Z protones y N neutrones. Si el radio de un �tomo es como de 10^-8 cm, el de un n�cleo es de 10^-12 cm, o sea 10 000 veces m�s peque�o. Esto equivale a que el volumen que ocupa un n�cleo es 10¹² veces m�s peque�o que el que ocupa un �tomo. La fuerza que mantiene unidos a los protones v neutrones en el n�cleo no es el�ctrica, pues por un lado los neutrones no tienen carga, y por el otro los protones m�s bien se rechazan entre s� por tener todos cargas iguales (positivas). Esta nueva fuerza se llama fuerza nuclear, y es por lo menos suficientemente intensa para contrarrestar la repulsi�n el�ctrica entre protones.

El n�mero de protones (Z) y de neutrones (N) es variable en los distintos n�cleos. Para empezar, Z y N suelen ser parecidos, especialmente en los elementos ligeros; en los m�s pesados N es mayor que Z. Esto se puede ver en la figura 5, que es un ordenamiento, respecto de Z y N, de los n�cleos ligeros hasta el ox�geno. En la escala vertical aumenta Z, as� que cada rengl�n corresponde a un elemento. En la escala horizontal est� N. Cada cuadro corresponde a un tipo de n�cleo, con sus correspondientes Z y N. El n�mero en cada cuadro es el n�mero total de nucleones, A = Z + N. La notaci�n que se usa internacionalmente para identificar los n�cleos es la siguiente: por un lado se usa el s�mbolo qu�mico que identifica al elemento y determina su n�mero at�mico Z (el rengl�n en la Fig. 5); adem�s, se pone un n�mero peque�o en la esquina superior izquierda, que es el n�mero A. Por ejemplo, el carbono m�s abundante es el ¹²C, que corresponde a Z = 6 y N = A - Z = 6. Tambi�n se encuentra en la naturaleza el ¹³C, con Z = 6 y N = 7.

En la misma figura 5 se puede ver que a cada elemento (rengl�n) corresponden varios cuadros. Cada uno de �stos se llama is�topo, y cada elemento puede tener varios is�topos. Por ejemplo, el carbono tiene varios is�topos conocidos, del 9 a1 18. De todos �stos, �nicamente el ¹²C, el ¹³C y el ¹⁴C existen en la naturaleza; los dem�s s�lo se conocen por haberse creado artificialmente en los laboratorios. La generalidad de los is�topos naturales, que aparecen con un c�rculo en la figura 5, son estables; es decir, una vez que se produjeron al formarse la Tierra, no se han transformado en otro elemento. Existen en proporciones bien definidas; por ejemplo, de todos los n�cleos de carbono que hay en la Tierra, 98.89% son ¹²C y 1.11% 13C.

Figura 5. Tabla de los is�topos de los elementos ligeros. Cada rengl�n corresponde a un elemento. El n�mero de cada cuadro es el n�mero total de nucleones A. Los c�rculos indican is�topos naturales.

En cambio, los is�topos que no tienen c�rculo son inestables o radiactivos, lo cual significa que con cierta rapidez sufren cambios, siempre con emisi�n de radiaciones. �stos no se encuentran en la naturaleza porque de haberse formado alguna vez, r�pidamente hubieran deca�do y desaparecido. Por eso s�lo se conocen producidos artificialmente, en aceleradores o en reactores nucleares. De hecho, se conocen m�s is�topos artificiales: unos 1 850, contra 320 naturales.

El ¹⁴C merece una menci�n especial; es natural, pero a la vez decae. Lo que sucede es que est� en constante producci�n a causa de la radiaci�n c�smica que nos llega; pero tambi�n decae, de manera que se equilibran su creaci�n y su desaparici�n, manteni�ndose siempre en la Tierra una peque��sima cantidad. Lo mismo sucede con el tritio, que es el is�topo pesado del hidr�geno, el ³H. Por otro lado hay algunos is�topos que se formaron con la Tierra hace miles de millones de a�os, pero decaen tan lentamente que todav�a est�n con nosotros. Ejemplos son el ⁴⁰K y los is�topos 234, 235 y 238 del uranio.

Podemos preguntarnos ahora qu� sucede cuando un n�cleo radiactivo decae. No puede simplemente desaparecer, pues tiene masa y carga el�ctrica que no se pueden destruir. Lo que pasa es que se transforma en otro n�cleo al emitir part�culas alfa o beta, o rayos gamma.

Veamos la mec�nica del decaimiento alfa (a) con un ejemplo conocido, el del ²³⁵U. Este is�topo tiene la particularidad de que f�cilmente puede emitir part�culas alfa, y al mismo tiempo se transforma en un nuevo n�cleo. La part�cula a est� formada de dos protones y dos neutrones, como un n�cleo de ⁴H_e; entonces el nuevo is�topo que queda despu�s de la emisi�n est� disminuido en este n�mero de part�culas. Se representa como sigue: . La part�cula a es despedida con energ�a de algunos Mev (1 Mev es 10⁶ eV), energ�a que proviene de la transformaci�n de masa en energ�a, seg�n la conocida f�rmula de Einstein: E = mc². Aqu� E es la energ�a con que sale la part�cula a, m es la masa que sobr� entre el is�topo original ( ²³⁵U ) y los fragmentos finales (²³¹Th + a), y c² es el cuadrado de la velocidad de la luz. N�tese que el proceso s�lo puede suceder si sobra masa (energ�a). Adem�s constituye una verdadera transmutaci�n de elementos.

El segundo tipo de decaimiento, el decaimiento beta (b) , implica la emisi�n de una part�cula b, que es un electr�n pero que puede tener carga positiva o negativa. Como la masa del electr�n es 1 840 veces m�s peque�a que la de los nucleones, la emisi�n b no implica cambio en A. Sin embargo, Z s� cambia. Si un n�cleo emite una beta negativa (b^-), perder una carga negativa implica ganar una positiva y su Z aumenta. En cambio, si emite una beta positiva o positr�n (b⁺) disminuye su Z. Un ejemplo es el ⁶⁰Co, que se usa ampliamente para irradiar: . El decaimiento b siempre va acompa�ado de la emisi�n de una nueva part�cula, el neutrino, que no tiene carga ni masa, pero que s� comparte la energ�a sobrante con la b.

El decaimiento gamma (g) es un mecanismo que tienen los n�cleos de expulsar energ�a cuando sobra �sta despu�s de un decaimiento a o b. Esta expulsi�n es en forma de un fot�n, que es la unidad de radiaci�n electromagn�tica, como la luz, los rayos ultravioleta e infrarrojos y los rayos X. Al igual que en el �tomo, en el n�cleo existen niveles de energ�a. La desexcitaci�n de un nivel alto a un nivel bajo en este caso va acompa�ada de la emisi�n de un rayo g.

Muy recientemente se han encontrado pruebas de una nueva emisi�n radiactiva natural. El radio ²²³Ra emite part�culas de ¹⁴C, perdiendo en el proceso 6 protones y 8 neutrones en forma de racimo. Esta radiactividad nueva es muy rara; se necesit� un experimento que dur� 600 d�as para observarla.

Definitivamente el decaimiento m�s violento es la fisi�n nuclear, en que un n�cleo se divide en dos partes casi iguales. Los dos fragmentos salen despedidos con gran velocidad. Estos procesos son tambi�n muy raros en la naturaleza, pero pueden ser inducidos en el laboratorio. Los fragmentos casi siempre son n�cleos inestables que a su vez luego decaen por emisiones b y g. Adem�s de los dos fragmentos de fisi�n, salen 2 o 3 neutrones.

Aparte de los decaimientos nucleares que suceden espont�neamente en la naturaleza, el hombre se las ha ingeniado para inducir artificialmente transformaciones de unos n�cleos en otros, mediante reacciones nucleares. En este caso se lanza un proyectil sobre un n�cleo y se observan los n�cleos que salen de esa uni�n. Por ejemplo, en ¹⁸O + p ® a + ¹⁵N se lanza un prot�n energ�tico sobre un n�cleo de ¹⁸O y se observa que el producto de esta reacci�n es un ¹⁵N y una part�cula a. Las reacciones nucleares han sido la herramienta m�s poderosa para estudiar la f�sica de los n�cleos.

A medida que se han perfeccionado las t�cnicas para la investigaci�n nuclear, se han descubierto muchas part�culas m�s, que s�lo mencionaremos de paso, pues si bien son fundamentales en el entendimiento de la estructura de la materia, para nuestro objetivo desempe�an un papel secundario. As�, tenemos los mesones m o mu�n, p o pi�n, K o ka�n, y h o eta, todos de masa intermedia entre el electr�n y el prot�n. M�s pesados que el prot�n y el neutr�n son los hiperones L, S, X, W (lambda, sigma, xi y omega). Por otro lado, se sabe ahora que los nucleones est�n formados cada uno por tres cuarks.

Habiendo visto las partes del �tomo y, a su vez, del n�cleo e incluso de los nucleones, vayamos ahora en la direcci�n opuesta: c�mo se agregan los �tomos para formar los materiales. La forma m�s elemental en que se unen los �tomos es por parejas, como, por ejemplo, el ox�geno, en que dos �tomos se unen, compartiendo electrones, para formar una mol�cula. En el agua la mol�cula est� formada por dos �tomos de hidr�geno y uno de ox�geno, H₂O, que es la unidad m�s peque�a de este compuesto qu�mico que se puede encontrar. En virtud de los enlaces qu�micos, las mol�culas pueden contener hasta muchos miles de �tomos, como en el caso de los pol�meros, que consisten en gran n�mero de repeticiones de una unidad b�sica, en forma de cadenas, las cuales a su vez pueden entrelazarse, unirse y trenzarse. La materia org�nica est� formada por estas cadenas, en que el eslab�n principal es el �tomo de carbono.

La mayor�a de las substancias inorg�nicas est�n formadas por apilamientos regulares de �tomos llamados cristales, en que los �tomos se acomodan guardando entre s� una posici�n que se repite en todas direcciones, como si estuviesen en los v�rtices de la estructura de acero de un gran edificio. Hay 14 diferentes tipos de estructura en que se pueden acomodar. Esta regularidad explica por qu� en los diamantes, por ejemplo, o en los granos de arena, se notan facetas bien definidas.

Es de notarse que todas las propiedades macrosc�picas, y por lo tanto las posibilidades de uso de los materiales, est�n determinadas por las estructuras que hemos mencionado, tanto at�micas y subat�micas como multiat�micas. Peso, color, estabilidad dimensional, conductividad el�ctrica, dureza, elasticidad, densidad, fosforescencia, magnetizaci�n, reactividad qu�mica, brillo, radiactividad, porosidad, transparencia y muchas caracter�sticas m�s: todas vienen a final de cuentas de la estructura. Una vez comprendido c�mo somos y por qu� somos as�, vayamos ahora a lo que nos trae aqu�: la radiaci�n.