V. �DE D�NDE VIENE?

AL IGUAL que cualquier otro fen�meno f�sico, la radiaci�n ionizante debe tener un origen, una procedencia, que es importante conocer porque es la primera etapa de su vida, generalmente ef�mera. Conocer los m�todos distintos de producci�n de las radiaciones nos permite, a su vez, tomar los pasos necesarios para producirla de prop�sito cuando se requiere. En realidad, de alg�n lado tiene que salir. Adem�s, debe adquirir energ�a de alguna manera para ser considerada como radiaci�n ionizante.

La mayor parte de la radiaci�n que recibimos cotidianamente existe por la misma naturaleza. Como tal, se ha producido y seguir� produci�ndose durante toda la vida del universo; y as� como existe en nuestra Tierra, tambi�n existe en el Sol, en los otros planetas y en las galaxias mas lejanas. Tan forma parte de la naturaleza, que est� estrechamente ligada con el equilibrio de energ�a en la misma formaci�n de las estrellas y dem�s cuerpos celestes. Pudo haber desempe�ado un papel importante en el origen de la vida y en la evoluci�n de las especies. No hay ninguna manera en que podamos evitar recibir radiaci�n natural, y nuestros cuerpos est�n adaptados a peque�as cantidades de ella.

Veamos algunos ejemplos de radiaci�n natural. Comencemos por la radiaci�n c�smica. Como su nombre lo indica, proviene del espacio exterior, lo cual es evidente porque es m�s intensa a grandes alturas y, en cambio, disminuye considerablemente si se mide en t�neles subterr�neos o bajo agua donde es absorbida al pasar por materia. Los rayos c�smicos que llegan a las capas externas de la atm�sfera constan de n�cleos at�micos (de carga positiva), principalmente protones y part�culas alfa. Constituyen un continuo bombardeo a nuestro planeta, aparentemente desde todas direcciones, excepto por un efecto producido por el magnetismo terrestre, que disminuye su intensidad cerca del ecuador y que, por tanto, nos indica que se trata de part�culas con carga el�ctrica. A medida que penetran en la atm�sfera van sufriendo choques con los n�cleos at�micos de los gases. En estos choques se producen nuevas radiaciones, parte de las cuales llega a la bi�sfera. Una fracci�n de �stas est� constituida por electrones, positrones y rayos gamma; otra, por mesones.

Es interesante notar que la observaci�n y medici�n de los rayos c�smicos llev� al descubrimiento de los mesones, part�culas de masa intermedia entre protones y electrones, y que hab�an sido predichas te�ricamente. Cuando se observaron por primera vez los mesones, no hab�a dispositivo artificial que proporcionara suficiente energ�a para producirlos, pero pocos a�os despu�s se comenzaron a construir aceleradores capaces de producir mesones y muchas otras part�culas en el laboratorio. T�picamente, el bombardeo c�smico produce mesones p o piones, que posteriormente decaen en mesones m o muones, que luego se desintegran en electrones y positrones.

Las energ�as que alcanzan algunos de los rayos c�smicos primarios pueden ser de 10¹⁷ eV. Estas energ�as son demasiado altas para que las part�culas puedan provenir de reacciones nucleares, por lo que se piensa que adquieren su energ�a en campos magn�ticos y el�ctricos que var�an lentamente, empujando a las part�culas hasta que adquieren altas velocidades. Luego viajan enormes distancias y algunas de ellas llegan por casualidad a la Tierra.

Al llegar se encuentran de inmediato con n�cleos at�micos de nuestra atm�sfera y se producen reacciones nucleares y reacciones entre part�culas. Podemos describir estas reacciones por ejemplo como sigue: p⁺ + p⁺ � p⁺ + n + p⁺, en que un prot�n con carga positiva choca con otro prot�n, resultando del choque un prot�n, un neutr�n y un pi�n positivo. Este pi�n posteriormente puede decaer en un mu�n y un neutrino, como sigue: p⁺+ � u⁺ + n; y el mu�n a su vez en positr�n, neutrino y antineutrino: m⁺+ ® e⁺ + n + n. �stos son s�lo algunos ejemplos de c�mo una part�cula con alta energ�a es capaz de producir verdaderas cascadas de muchas otras, algunas de las cuales atraviesan la atm�sfera y llegan hasta la superficie, a la cual bombardean continuamente.

Algunas de estas reacciones producen neutrones, y algunos de �stos producen la reacci�n nuclear ¹⁴N + n � p + ¹⁴C con el nitr�geno de la atm�sfera. El ¹⁴C producido se mezcla con el resto del carbono en el bi�xido de carbono de la atm�sfera y pasa finalmente a formar parte integral de todo ser vivo. Como es radiactivo, pues emite part�culas b, y adem�s tiene larga vida media, se transforma en una importante fuente natural de radiaci�n a la que todos estamos expuestos.

El tritio es otra fuente de radiaci�n natural. Se trata del is�topo m�s pesado del hidr�geno, ³H, tambi�n formado como resultado de la radiaci�n c�smica y a veces en el laboratorio y en los reactores y explosiones nucleares. Existe en cantidades min�sculas (solo un tritio por cada 10¹⁷ n�cleos de hidr�geno), pero como est� en forma de gas y sufre las mismas reacciones qu�micas que el hidr�geno normal, se encuentra ampliamente diseminado. Tambi�n decae por emisi�n de part�culas b.

Hay otros elementos que son fuentes naturales de radiaci�n, pero que, en vez de ser producidos por los rayos c�smicos han existido en la Tierra desde su formaci�n, habi�ndose creado sus n�cleos por los mismos procesos por los que fueron creados todos los dem�s elementos. Se trata de elementos como el potasio ⁴⁰K y el uranio. Son elementos s�lidos que se encuentran en mayor o menor proporci�n distribuidos en todos los suelos y otros materiales a base de tierras o rocas, como el concreto u hormig�n, tabiques, cer�micas, adobe, yeso, etc. Aproximada mente uno de cada 10 000 n�cleos de potasio es ⁴⁰K, emisor de rayos b.

El uranio es de especial inter�s, no s�lo por ser fuente natural de radiactividad, sino por su empleo como combustible nuclear. De los tres is�topos que se encuentran en la naturaleza, el ²³⁸U, el ²³⁵U y el ²³⁴U, hay 99.27%, 0.72% y .006% respectivamente. Todos emiten part�culas a. Aunque el uranio se encuentra ampliamente diseminado en suelos, hay algunos lugares en que se encuentra en mayor concentraci�n, suficiente para que se pueda extraer para combustible. Algunos de estos yacimientos se encuentran en el norte de la Rep�blica Mexicana, pero los m�s conocidos est�n en Zaire, Canad�, los Estados Unidos, la URSS y Australia.

El uranio desempe�� un papel importante en la historia de la ciencia, pues en 1896 A. H. Becquerel descubri� la radiactividad natural emitida por sales de uranio, lo cual abri� las puertas para la era nuclear. Tambi�n es importante por su asociaci�n con el radio (Ra), elemento cuya radiactividad ha encontrado m�ltiples usos. El radio es uno de los elementos que se produce por la desintegraci�n del uranio, as� que donde existe uno existe el otro. Fue descubierto en 1898 por Pierre y Marie Curie.

El uranio y el radio se encuentran en forma s�lida corno parte de la corteza terrestre, por lo que la radiaci�n que emiten la absorbe en buena parte la tierra o se distribuye en forma de polvos. Pero el ²²⁶Ra decae en otro elemento, el rad�n (Rn), gas inerte que no forma compuestos qu�micos y que, por lo tanto, escapa al aire, donde puede ser respirado. Emite part�culas a y tiene una vida media de 3.82 d�as, suficiente para moverse distancias importantes antes de transformarse en otro elemento, el polonio (Po), que a su vez es radiactivo. La figura 26 muestra la cadena de decaimiento del ²³⁸U, en donde aparecen el radio, el rad�n y el polonio.

El rad�n atmosf�rico constituye como una tercera parte de la radiaci�n ambiental que recibimos. Desde luego, su abundancia var�a de lugar a lugar, siendo mayor cerca de donde hay m�s uranio, o en lugares mal ventilados. En sitios volc�nicos se ha observado que la actividad volc�nica generalmente va acompa�ada de la emisi�n de rad�n, por lo que en la actualidad se mide sistem�ticamente la radiactividad del aire en sitios potencialmente peligrosos para predecir terremotos o erupciones. La emisi�n de rad�n que acompa�� la erupci�n del volc�n Chichonal en el Estado de Chiapas fue detectada a 400 kil�metros de distancia.

Las radiaciones y fuentes de radiaci�n descritas hasta aqu� son parte de la naturaleza, y constituyen casi la totalidad de la radiaci�n que incide sobre una poblaci�n que no recibe servicios m�dicos radiol�gicos. Pero tambi�n podemos producir nuestra propia radiaci�n.

Si se recuerda que las radiaciones de distintos tipos son part�culas subat�micas o son producidas por ellas, y uno mira a su alrededor para ver qu� part�culas de �stas podr�an emplearse como radiaciones, se concluye que para empezar contamos s�lo con los n�cleos y electrones at�micos. Para que puedan tener los efectos t�picos de la radiaci�n, necesitan alta energ�a, o sea, moverse a grandes velocidades. C�mo aislar a los electrones o n�cleos y c�mo acelerarlos a altas velocidades constituyen las bases para la creaci�n artificial de radiaci�n.

Habr� que recordar que los n�cleos tienen carga el�ctrica positiva y los electrones la tienen negativa, por lo que se atraen entre s� para formar �tomos. Pero lo que se requiere son part�culas aisladas, as� que habr� que romper la liga entre ambos. Por otro lado, n�cleos contra n�cleos se repelen, y electrones contra electrones tambi�n. Si queremos aislar cualquiera de estas part�culas y tenerlas libres suficiente tiempo para poder luego acelerarlas, lo debemos hacer en un espacio enrarecido, para que no se recombinen otra vez por sus cargas el�ctricas. Necesitamos que puedan viajar ciertas distancias sin encontrarse otras que las desv�en o las anulen el�ctricamente. Para esto se requiere un alto vac�o, que es una atm�sfera enrarecida hasta 10¹² veces, es decir, un bill�n o mill�n de millones de veces. La tecnolog�a del alto vac�o ha sido piedra angular en el desarrollo de los aceleradores (v�ase la Fig. 27).

Figura 27. Sistema de ultraalto vac�o que se emplea para producir recubrimientos muy delgados.

Ahora bien: las part�culas m�s sencillas de acelerar son los electrones. Algunos metales u �xidos met�licos los sueltan con un simple calentamiento. Esto sucede en los filamentos de los bulbos de los radios antiguos o en los cinescopios de televisi�n. Una corriente el�ctrica los calienta como la resistencia de una plancha, y encontr�ndose en vac�o, emiten electrones. Una vez libres, los electrones pueden ser acelerados mediante un alto voltaje.

En la figura 28 se muestran los componentes b�sicos de un acelerador. El filamento F se calienta con la fuente de alimentaci�n A, y entonces emite electrones E; �stos se dirigen a la placa P, a la cual se le aplica un alto voltaje positivo mediante la fuente de alimentaci�n B. Filamento, placa y electrones est�n dentro de un recipiente al alto vac�o. La energ�a cin�tica que adquieren los electrones al acelerarse depende del voltaje aplicado seg�n la f�rmula E=eV, o sea, es el producto de la carga del electr�n (e) y el voltaje aplicado (V). Por ejemplo, un electr�n acelerado por un voltaje de un volt adquiere una energ�a de un electr�n-volt. Si el voltaje es de un mill�n de volts, la energ�a de los electrones ser� de un mill�n de electr�n-volts (l0⁶ eV, o 1 MeV). Si su velocidad no es muy alta, puede calcularse con la f�rmula de la energ�a cin�tica, E = 1/2mv² (m es la masa de la part�cula), o bien despejando, . Si la velocidad se acerca a la velocidad de la luz, la f�rmula cambia, pero siempre con mayor energ�a, mayor velocidad. Con objeto de tener una idea sobre las magnitudes de energ�a podemos mencionar que para ionizar �tomos de hidr�geno se necesitan 13.6 eV; para producir rayos X de tungsteno se requieren 70 000 eV (70 keV); para inducir reacciones nucleares, millones de eV (MeV); para crear mesones p, 1.4 X l0⁸ eV (140 MeV).

Veamos algunos ejemplos de aceleradores de electrones. Los bulbos de los radios tienen los componentes b�sicos de un acelerador (Fig. 28). En ellos el prop�sito no es producir radiaci�n, sino controlar una corriente el�ctrica. Efectivamente, el haz de electrones que va del filamento a la placa constituye una corriente el�ctrica que se mide en amperes o fracciones de ampere. En general, los bulbos tienen por lo menos un electrodo adicional intermedio para controlar el haz de electrones y con ello la corriente.

Figura 28. Elementos principales de un acelerador. El filamento F lleva una corriente el�ctrica proporcionada por la fuente de alimentaci�n A; los electrones E que emite son acelerados hacia la placa P por el voltaje B.

Muchos tenemos en casa un acelerador de electrones, aunque no lo llamamos as�: lo llamamos televisor. Tiene los elementos b�sicos, adem�s de uno que hace que el haz de electrones ejecute un rastreo r�pido sobre la pantalla cuando llegan a los materiales llamados f�sforos que est�n depositados en la parte interior de la pantalla del cinescopio, se produce la luz que nos da la imagen.

Algunos m�dicos y dentistas usan otro acelerador de electrones, aunque tampoco lo llaman as�; se trata del generador de rayos X. En �ste el prop�sito s� es el de producir radiaci�n. Si el alto voltaje del generador es de unas decenas de miles de volts, al bombardear los electrones la placa (en este caso llamada antic�todo), �sta emite rayos X. Por su gran capacidad de penetraci�n, los rayos X pasan las paredes del recipiente hacia el aire, y por ello se pueden emplear para sacar radiograf�as o para radioterapia.

Avanzando en energ�a y en complejidad, tenemos los aceleradores electrost�ticos, que pueden alcanzar varios millones de volts. De ellos emergen los electrones casi a la velocidad de la luz; son capaces de penetrar hasta varios cent�metros de material produci�ndole un gran da�o y calentamiento. Si se pone una placa de un metal pesado como blanco, el bombardeo produce grandes cantidades de rayos X. Estos aparatos est�n dise�ados precisamente para producir mucha radiaci�n, cuyos efectos pueden emplearse de varias maneras, por ejemplo, para esterilizar productos m�dicos, para la conservaci�n de alimentos sin necesidad de refrigeraci�n, para desinfestar productos agr�colas, vulcanizar hules, polimerizar pl�sticos, curar tintas y pinturas y muchas m�s. Es tal la cantidad de radiaci�n que pueden producir los aceleradores electrost�ticos, que puede ser letal simplemente entrar al recinto de bombardeo. Requieren de edificios especiales con paredes gruesas que absorban la radiaci�n, y sistemas de seguridad en las puertas para apagar la m�quina si �stas se abren accidentalmente.

Para los aceleradores electrost�ticos desde luego es esencial la fuente de alto voltaje. Las primeras fuentes fueron inspiradas por el deseo de estudiar la estructura de la materia. Por un lado R. Van de Graaff, en la Universidad de Princeton, y por otro J. D. Cockroft y E. T. S. Walton, en Cambridge, Inglaterra, desarrollaron fuentes de alto voltaje, con las que se llevaron a cabo las primeras reacciones nucleares sin usar fuentes naturales de radiaci�n. El acelerador de Van de Graaff (v�ase la Fig. 29) alcanz� altos voltajes por medio de una banda aislante m�vil que transportaba cargas y las depositaba en la terminal. El de Cockroft y Walton consist�a en una serie de rectificadores el�ctricos que s�lo permit�an corriente el�ctrica en una direcci�n. Despu�s de ellos se construyeron otros aceleradores electrost�ticos, como el Dinamitr�n, que se parece al Cockroft-Walton pero trabaja a altas frecuencias, y el Peletr�n, que transporta la carga por una cadena m�vil de peque�os barriles met�licos unidos por aisladores. En la actualidad el Instituto de F�sica de la UNAM posee dos aceleradores de electrones para investigaci�n, un Van de Graaff de 2 MeV (Fig. 30) y un Dinamitr�n de 3 MeV. En la Universidad de Guanajuato se construy� un Van de Graaff de 0.6 MeV.

Figura 29. Esquema de un acelerador tipo Van de Graaff. La fuente de alimentaci�n A transmite carga el�ctrica a la banda B, que es accionada por las poleas P; transporta la carga y deposita en la terminal de alto voltaje T. El filamento F produce electrones, que el tubo acelerador TA enfoca y dirige, adem�s de acelerarlos a altas velocidades.

Figura 30. Acelerador Van de Graaff de 2 MeV de electrones en el Instituto de F�sica de la UNAM. En la parte inferior se observa el motor que acciona la polea. Los 44 platos equipotenciales van conectados en el interior al tubo acelerador. Se retir� la cubierta de la terminal de alto voltaje para poder ver parte de los circuitos del filamento.

El microscopio electr�nico (Fig. 31), tan ampliamente utilizado, es otro aparato que tiene las caracter�sticas b�sicas de un acelerador. En �l se produce un haz de electrones m�s fino que cualquier rayo de luz. Despu�s de atravesar la muestra, se amplifica usando lentes magn�ticos en lugar de �pticos, y as� se obtienen amplificaciones hasta miles de veces mayor que las de los microscopios �pticos. Los electrones se proyectan sobre una pantalla fluorescente que permite ver y fotografiar la imagen. Si adem�s se induce un rastreo del haz sobre la muestra y se registran los electrones dispersados, se tiene un microscopio electr�nico de barrido, que produce im�genes como las de las figuras 32, 33 y 34.

Figura 31. Microscopio electr�nico de transmisi�n y de barrido en el Instituto de F�sica de la UNAM.

Figura 32. Fotograf�a de la cabeza de una mosca, tomada con el microscopio electr�nico de barrido del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM. Se logra un detalle y una profundidad de campo que ning�n microscopio �ptico es capaz de proporcionar.

Figura 33. Detalle del ojo de la misma mosca.

Figura 34. El microscopio electr�nico de barrido se usa frecuentemente para estudiar propiedades de materiales. Aqu� se observa con claridad la estructura c�bica de la red cristalina de un mineral.

En radioterapia con electrones se usan los aceleradores llamados lineales. En vez de aplicar un voltaje muy alto una sola vez, el principio de su funcionamiento es el de aplicar altos voltajes modestos repetidamente. Mejor a�n: en la actualidad se usa la t�cnica de empujar un conjunto de electrones con una onda el�ctrica de velocidad creciente, algo as� como un deslizador que se acelera montado sobre una ola frente a la playa.

Si uno quiere acelerar n�cleos at�micos en vez de electrones, hay dos diferencias esenciales en la t�cnica requerida: a) el alto voltaje debe ser positivo para repeler la carga positiva de los n�cleos, y b) en vez de filamento se necesita una fuente de iones, en la cual se ioniza un gas para separar los n�cleos y luego poderlos acelerar. Por lo dem�s los aceleradores de iones positivos se parecen mucho a los de electrones. Tal vez podr�a mencionarse una diferencia en los tama�os de imanes requeridos para desviar unos y otros: un lanzador de martillo necesita mucha m�s fuerza para girar la bola que si uno amarrara una canica a un hilo y la hiciera dar vueltas; an�logamente, siendo los iones positivos miles de veces m�s pesados que los electrones, se necesitan imanes mucho m�s grandes para desviarlos. Casi siempre los aceleradores de iones van acompa�ados de imanes de hierro de varias toneladas (Fig. 35).

Figura 35. Electroim�n de dos toneladas que va conectado al acelerador Van de Graaff de 700 keV del Instituto de F�sica de la UNAM. Las tuber�as de la derecha son salidas para el haz de iones positivos.

Los mismos modos ya mencionados de obtener altos voltajes se aplican a los aceleradores de iones. Estos se volvieron tan f�ciles de adquirir que en las d�cadas de los a�os 50 y 60 la mayor�a de las grandes universidades del mundo pose�an uno con el prop�sito principal de investigar la estructura de los n�cleos mediante reacciones nucleares. El Instituto de F�sica de la UNAM cuenta con un Van de Graaff de 700 keV, y se est� instalando otro de 5.5 MeV. Una variedad interesante del acelerador electrost�tico es el llamado Tandem, uno de los cuales se encuentra en el Centro Nuclear de Salazar. En �l se usa un m�todo ingenioso de manipulaci�n de �tomos para duplicar la energ�a. As�, con 6 000 000 de volts se logran energ�as de protones de 12 MeV.

El ciclotr�n fue uno de los primeros aceleradores de iones positivos. En �l se usa el principio de los aceleradores lineales de aplicar un voltaje repetidas veces a la part�cula. Para poder usar s�lo dos electrodos, todo se pone dentro de un campo magn�tico para que regresen y pasen de uno a otro, cada vez con m�s energ�a y �rbita m�s amplia (v�ase la Fig. 36). Tras los ciclotrones surgieron los sincrociclotrones, los sincrotrones y otros, cada uno con m�s energ�a y por lo tanto m�s grande.

Figura 36. Esquema simplificado de un ciclotr�n. Una fuente de alimentaci�n A aplica un voltaje alterno a los dos electrodos en forma D. Todo est� dentro de un campo magn�tico perpendicular al papel, as� que los iones que salen de la fuente de iones F siguen trayectorias curvas. Al pasar alternadamente de un electrodo a otro, son acelerados.

La f�sica nuclear y la f�sica de las part�culas elementales necesitan informaci�n de experimentos con proyectiles cada vez m�s energ�ticos. Cuanto m�s profundamente se indaga dentro del n�cleo, m�s energ�a se necesita. Por eso la tendencia es hacia aceleradores m�s grandes. En la actualidad se trabaja con instalaciones verdaderamente gigantescas. Por ejemplo, el Tevatron II de Fermilab, en los Estados Unidos, produce proyectiles de 800 GeV, o sea, 800 X 10⁹ eV; tiene un di�metro de 2 km., y en el interior del anillo pasta una manada de b�falos. En el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) ubicado en Suiza se tiene un acelerador que hace chocar dos haces de part�culas, cada uno de 300 GeV, para un total de 600 GeV; su di�metro es de 2.2 km. Estas instalaciones rebasan totalmente las posibilidades de las universidades, por lo que muchos de los experimentos de f�sica nuclear y f�sica de altas energ�as se efect�an ahora en grandes laboratorios nacionales o multinacionales. Estos laboratorios est�n abiertos a cient�ficos de todo el mundo interesados en usarlos para sus experimentos.

En la actualidad se est� trabajando en el proyecto de lo que ser� el goliat de dos aceleradores. Se trata del SSC (Superconducting Super Collider ), un doble anillo cuyo di�metro ser� de entre 30 y 60 kil�metros. En cada anillo se acelerar�n protones en sentidos opuestos para finalmente hacerlos chocar con energ�a de 40 TeV (40 X 10¹² eV). Una estimaci�n de su costo, incluyendo equipo perif�rico, es de 4 000 millones de d�lares; podr�a subir hasta 6 000 millones.

Vale la pena ahora preguntarse cu�l ser� el siguiente paso. De construirse el SSC seguramente se obtendr� una cantidad nueva de informaci�n que nos ayude a esclarecer a�n m�s los secretos de la naturaleza. De antemano nadie sabe cu�ntos descubrimientos habr� y si estos descubrimientos ser�n acordes con la visi�n actual de la materia y las fuerzas, o habr� que producir nuevas teor�as que a su vez requieran de m�s informaci�n para probarse. �Habr� l�mite? Hasta ahora, siempre que se ha pensado haber llegado ya al final de la explicaci�n, han surgido nuevos fen�menos. Por ejemplo, cuando se consideraba al �tomo como la part�cula indivisible, surgi� la radiactividad y los rayos X, que no se pod�an explicar. Considerados en un principio como rarezas, llevaron, sin embargo, al descubrimiento de los electrones y los n�cleos. De ah� a los protones y neutrones, a los mesones y neutrinos, y a muchas part�culas m�s, hasta los cuarks y los gluones. Algunos cient�ficos sienten que no hay raz�n para pensar que �ste ser� el final.

Seguramente llegar� el tiempo en que la demanda de medios para seguir con la b�squeda rebase las posibilidades econ�micas de cualquier pa�s o grupo de pa�ses. M�s que conformarse, los cient�ficos seguramente buscar�n nuevas opciones, pues la curiosidad humana no tiene l�mites. Una posibilidad ser�a desarrollar nuevos conceptos y tecnolog�as para la fabricaci�n de aceleradores que fuesen m�s sencillos y baratos. Otra ser�a aprovechar nuevamente el gran acelerador que es el universo, que con sus campos en continuo cambio, nos bombardea con rayos c�smicos todav�a de mayor energ�a que el SSC. Sin embargo, esta �ltima opci�n est� limitada por la peque�a cantidad de rayos c�smicos que nos llega.

La verdad es que la tecnolog�a de aceleradores siempre ha estado estrechamente ligada con el desarrollo, y los pa�ses industrializados han sabido aprovechar esta tecnolog�a en multitud de aplicaciones que a su vez propician el desarrollo. Podemos mencionar, como ejemplos, la tecnolog�a de los altos vac�os, la microelectr�nica, los campos magn�ticos, la computaci�n, las altas frecuencias, los detectores de radiaci�n y la radioterapia. Los aceleradores de iones positivos de energ�as menores (de los keV a los MeV) se usan ahora en toda una serie de aplicaciones y tambi�n en investigaci�n b�sica.

Un ejemplo es la implantaci�n de iones. Como su nombre lo indica, con esta t�cnica se toman iones energ�ticos producidos en un acelerador y se lanzan sobre un s�lido. Su alta energ�a hace que penetren cierta distancia en el s�lido, y luego quedan inm�viles a una profundidad determinada, constituyendo una imperfecci�n en el material. La implantaci�n de iones escogidos apropiadamente, y a una profundidad tambi�n seleccionada, permite crear nuevos materiales o cambiar las propiedades de los materiales conocidos. La aplicaci�n m�s notable de la implantaci�n se encuentra en la electr�nica moderna, en la creaci�n de microcircuitos, gracias a los cuales se pueden hacer cosas cada vez m�s complejas y a un costo que se reduce cada vez m�s. Por ejemplo, una computadora que hace 30 a�os ocupaba un cuarto grande completo ahora equivale a una calculadora de mano. Los microcircuitos que han permitido esto est�n hechos de silicio al cual se le han introducido, por implantaci�n de iones, peque�as cantidades de �tomos extra�os para darle sus propiedades de semiconductor. Las superficies de metales, por su lado, tambi�n mejoran en cuanto a dureza, resistencia al desgaste y fricci�n, si se les implantan �tomos apropiados.

Otro uso que se da en la actualidad a los aceleradores es como instrumentos anal�ticos, por ejemplo, para producir la activaci�n con neutrones. En esta t�cnica se producen reacciones nucleares que generan grandes cantidades de neutrones. �stos, al incidir sobre una substancia, la vuelven radiactiva, gracias a lo cual se pueden despu�s identificar los elementos de la substancia por los rayos g caracter�sticos que emiten. Otro modo de analizar la substancia en cuesti�n es bombardearla directamente con un haz de protones; �stos ionizan al material, que luego emite rayos X. Nuevamente, los rayos X son caracter�sticos del material y se pueden identificar los elementos que lo componen.

M�s adelante tendremos oportunidad de describir otras t�cnicas anal�ticas que se apoyan en los aceleradores. Pero por el momento volvamos a la descripci�n de otras fuentes de radiaci�n. Una fuente muy importante es el reactor nuclear, que adem�s de tener capacidad de producir energ�a que se usa comercialmente, genera radiaci�n, por lo cual forzosamente hay que cumplir con requisitos muy especiales en el dise�o de los reactores y sus edificios.

En realidad, en un reactor nuclear la radiaci�n no es un producto secundario indeseado, sino que es parte integral de su operaci�n, sin la cual no funcionar�a. Los reactores nucleares trabajan a base de fisionar (o sea romper en dos partes) n�cleos pesados, como el de uranio o plutonio. La ecuaci�n de Einstein E = mc² rige el comportamiento de una fisi�n nuclear, y como la masa del n�cleo original (v. gr., el uranio) es mayor que la suma de las masas de los fragmentos que salen, el sobrante se convierte en energ�a cin�tica de los fragmentos. �stos calientan el material del derredor al atravesarlo (v�ase la Fig. 37). En una planta nuclear este calor se convierte en electricidad.

Figura 37. En una fisi�n nuclear el núcleo de de uranio es partido por un neutr�n. Los fragmentos que resultan se reparten la energ�a excedente.

La reacci�n de fisi�n es provocada por un neutr�n. De hecho existe la fisi�n espont�nea, pero es muy rara, as� que para provocarla artificialmente se usa una fuente de neutrones. Ahora bien: fortuitamente la fisi�n nuclear produce neutrones de alta velocidad adem�s de los dos fragmentos pesados, y estos neutrones pueden ser forzados a producir nuevas fisiones en otros n�cleos de uranio. Se produce as� la llamada reacci�n en cadena, que permite que un reactor produzca de manera controlada gran n�mero de fisiones y, por lo tanto, mucho calor para generar electricidad. Se dice que un reactor es cr�tico cuando una vez encendido mantiene su operaci�n continua en base a la reacci�n en cadena (v�ase la Fig. 38).

Figura 38. Una reacci�n en cadena. Los puntos representan neutrones y los c�rculos n�cleos fisionados. Si de cada fisi�n salen dos neutrones, y cada uno produce una nueva fisi�n, el n�mero de fisiones se duplica en cada paso: 1, 2, 4, 8, 16, 32, etc�tera.

El dise�o de un reactor nuclear es muy complicado, pues hay que garantizar varias cosas. Para empezar se necesita que haya suficientes n�cleos de uranio fisionable (masa cr�tica). El mineral de uranio contiene 99.27% de ²³⁸U y s�lo 0.72% de ²³⁵U pero el is�topo que se fisiona es el 235. Esto obliga a separar los is�topos en el mineral y enriquecerlo en el 235. La tecnolog�a del enriquecimiento de uranio es b�sica para el desarrollo de la energ�a nuclear. Se han usado varios m�todos para lograrlo; entre ellos, la separaci�n magn�tica, la difusi�n gaseosa y las ultracentr�fugas. La masa cr�tica de uranio es la cantidad que garantiza la reacci�n en cadena sostenida en un reactor.

En segundo lugar, se requiere que haya suficientes neutrones para sostener la reacci�n en cadena. Por cada neutr�n que produce una fisi�n salen dos o tres, as� que parecer�a que el proceso est� asegurado. Sin embargo, se deben cuidar varios aspectos. Uno es que los neutrones no se vayan; es decir, que los que escapan deben ser reflejados otra vez hacia el coraz�n del reactor, donde est� el uranio. Otro es evitar que desaparezcan al ser absorbidos por los materiales circundantes, lo cual restringe los elementos y su pureza que se pueden usar en un reactor. Tambi�n sucede que los neutrones producen fisiones preferentemente cuando tienen baja velocidad, o sea, cuando son t�rmicos, por lo que se requiere un material moderador que en unos cuantos choques les reduzca la energ�a.

Un reactor debe tener tambi�n un mecanismo de control para regular su nivel de operaci�n. Esto se logra con barras de un material que absorba gran cantidad de neutrones, como el cadmio, y que puedan introducirse o sacarse seg�n se desee frenar o permitir la reacci�n en cadena. Estas barras de control tambi�n pueden apagar el reactor en caso necesario, por ejemplo, si la temperatura se eleva demasiado.

Los reactores de potencia necesitan, adem�s, un medio que pueda conducir el calor producido, por ejemplo, para mover las turbinas generadoras. En la mayor�a de los reactores este medio es agua o vapor a alta presi�n y alta temperatura. Este medio envuelve al uranio y necesariamente afecta a los neutrones que se producen, as� que debe tener propiedades acordes con la operaci�n del reactor.

Finalmente, entre los factores m�s importantes del dise�o de un reactor est� la selecci�n de los materiales que soporten la alta temperatura y la radiaci�n intensa. El uranio generalmente se usa en forma de peque�os cilindros de �xido de uranio contenidos dentro de una vaina de una aleaci�n a base de zirconio. Un conjunto de estas barras forma el coraz�n del reactor. Cuando el uranio se agota, pueden ser substituidas una por una. Estos materiales, adem�s de encontrarse a alta temperatura, est�n sujetos a una enorme cantidad de radiaci�n, la cual les produce da�os estructurales que dan lugar a deterioro, corrosi�n y fallas mec�nicas. El estudio de da�os por radiaci�n en materiales resulta de gran importancia.

Aunque de un reactor a otro hay diferencias de dise�o importantes, las partes b�sicas se muestran esquem�ticamente en la figura 39.

Figura 39. Esquema de un reactor nuclear t�pico.

�Cu�les son entonces las radiaciones que salen de un reactor nuclear? En primer lugar, los neutrones. Los reactores de potencia est�n dise�ados para que los neutrones est�n confinados en el �rea central del reactor donde sostienen la reacci�n. En los reactores de investigaci�n se tienen tubos evacuados por los que se permite la salida de un haz de neutrones para hacer experimentos de f�sica nuclear. Incluso se emplean dispositivos llamados monocromadores que seleccionan su energ�a, dejando pasar neutrones monoenerg�ticos. �stas son las fuentes m�s intensas y controladas de neutrones; con ellas se hacen experimentos de difracci�n de neutrones en s�lidos, de an�lisis por activaci�n, de reacciones nucleares, de radiograf�as con neutrones y muchos m�s. Estas instalaciones, junto con los aceleradores de part�culas, constituyen las herramientas m�s poderosas para la investigaci�n nuclear.

Otra radiaci�n importante en los reactores es la producida mediante la activaci�n por bombardeo de neutrones. Ciertos elementos los pueden absorber, y con ello se transforman is�topos radiactivos. Esta es la t�cnica para producir radiois�topos, que han tenido diversos usos. Sin embargo, se quiera o no, en las inmediaciones del coraz�n de un reactor hay un intenso bombardeo de neutrones sobre todos los materiales, y algunos de ellos se activan, como el gas arg�n (Ar) del aire, que activ�ndose forma ⁴¹Ar, emisor de part�culas b de vida media de 109 minutos. El dise�o del edificio de un reactor debe estar provisto de sistemas para impedir el escape de substancias activadas.

Finalmente, los reactores producen radiaci�n porque los productos de fisi�n generalmente son radiactivos. Estos fragmentos de la fisi�n del uranio quedan en los elementos combustibles despu�s de que se gast� el uranio y hay que extraer las barras. La gran mayor�a son de vida media muy corta, pero hay algunos, como el ⁹⁰Sr y el ¹³⁷Cs, que tienen vidas medias de alrededor de 30 a�os, y cuya actividad, por lo tanto, persiste largo tiempo. Se tiene que disponer de estas barras usadas de manera que no constituyan un peligro ni en el presente ni en el futuro.

Las explosiones nucleares producen de manera no controlada gran cantidad de productos de fisi�n y productos de activaci�n nuclear. En los a�os 50, en que las pruebas de explosiones se hac�an al aire, estas substancias radiactivas entraban a la atm�sfera y luego a la estratosfera para despu�s caer lentamente y diseminarse sobre todo el globo terrestre. Esta precipitaci�n radiactiva se evita en la actualidad, pues los pa�ses que detonan bombas lo hacen bajo tierra, y por lo tanto la contaminaci�n es s�lo local.

Como ya lo dijimos, los reactores nucleares tienen la capacidad de producir radiois�topos, que a su vez son fuente de radiaci�n. Si uno coloca de prop�sito ciertos elementos en el coraz�n de un reactor, el bombardeo los puede volver radiactivos. Por ejemplo, un compuesto de sodio puede sufrir la reacci�n ²³Na (n, y) ²⁴Na, y el ²⁴Na es radiactivo: emite part�culas b con vida media de 14.8 horas. La t�cnica permite obtener gran variedad de radiois�topos de diversos usos, como el ³²P, el ⁶⁰Co, el ¹³¹I, el ¹⁹⁸Au, y muchos otros. Los radiois�topos tienen la particularidad de que pueden ser transportados al sitio donde se usan. Pueden servir para registrar flujos de l�quidos, con lo cual se evita el empleo de grandes aparatos. Pueden inyectarse al organismo para diagn�stico m�dico. Se puede tener en una c�psula peque�a una radiaci�n grande, circunstancia que les da gran utilidad pero que tambi�n los vuelve peligrosos si se les da mal uso.

Tambi�n es posible obtener fuentes radiactivas tan s�lo aislando qu�micamente elementos que aparecen en la naturaleza, como el radio o el americio; los primeros trabajos de investigaci�n sobre radiaci�n fueron hechos con este tipo de fuente.

Comentemos ahora sobre un aspecto que parece trivial, pero que puede ser de gran importancia. No es posible apagar los radiois�topos como las otras fuentes de radiaci�n artificial. Una vez creado el radiois�topo, decae con su propia vida media, y nada lo puede impedir, salvo una nueva transformaci�n nuclear (caso poco probable). Por ejemplo, el ⁶⁰Co de un irradiador de hospital continuamente emite rayos g. Se le coloca dentro de un recipiente con blindaje de plomo con una compuerta que se abre para dejar salir la radiaci�n en el momento que se desee, pero el cobalto nunca deja de emitir. Esto lo hace sumamente confiable como fuente de radiaci�n, pero al mismo tiempo exige atenci�n constante para impedir que por equivocaci�n se abra la compuerta, o peor a�n, que la fuente sea extra�da indebidamente de su recipiente blindado. Esta clase de accidente ha sucedido y ha costado vidas. Los aceleradores, en cambio, pueden apagarse, con lo cual cesa al instante toda la radiaci�n; basta con desconectarlo. Su radiaci�n puede ser letal, pero es posible interrumpir su operaci�n en el momento que se desee.

No ser�a completa nuestra descripci�n de fuentes de radiaci�n sin mencionar las fuentes port�tiles de neutrones en contraste con las fuentes fijas, que son los aceleradores y los reactores. Se trata de fuentes radiactivas que emiten part�culas a, como el radio o el americio, en forma de polvo, que se mezclan con polvo de berilio para provocar la reacci�n ⁹Be (a, n) ¹²C, que tiene una copiosa producci�n de neutrones. La c�psula es peque�a y se puede transportar para estudios de campo; por ejemplo para medir, la humedad del subsuelo o la presencia de hidrocarburos mediante la dispersi�n de neutrones.

Cuadro 7. Fuentes y radiaciones que producen

Fuente	Radiación producida
radiación cósmica	e-, e+, g, p, n, p, m
minerales radiactivos y sus subproductos	a, b±,g
aceleradores	p, e, iones pesados, a, b±,g, n, X, p, otras partículas elementales
reactores nucleares	n, productos de fisión, b, g, radioisótopos
radioisótopos	a, b±,g, (n)

Por todo lo aqu� expuesto, resulta evidente que por un lado estamos inevitablemente expuestos a cierta cantidad de radiaci�n del medio ambiente, y por otro lado el hombre se las ha ingeniado para crear muchas fuentes distintas de radiaci�n. El cuadro 7 es un resumen de algunas de las fuentes y el tipo de radiaci�n que producen. Esta radiaci�n, bien usada, puede producir m�ltiples beneficios a la humanidad.