IX. LAS APLICACIONES DE LA RADIACTIVIDAD
LA PROPIEDAD de los is�topos radiactivos de emitir espont�neamente radiaci�n alfa, beta y gamma ha encontrado amplia aplicaci�n, se emplea como herramienta para hacer estudios en la investigaci�n cient�fica y, desde el punto de vista pr�ctico, se utiliza en muchas �reas, como en ecolog�a, medicina, agricultura, industria y biolog�a.
La utilidad que brindan los is�topos depende de sus propiedades, en particular del tipo de radiaci�n que emiten, la energ�a de �sta y su vida media. Como ejemplo, presentamos las siguientes aplicaciones:
An�lisis de elementos que se encuentran en concentraciones muy bajas.
Trazadores en estudios de procesos f�sicos, qu�micos, biol�gicos y m�dicos.
Control del espesor de hojas y l�minas en las industrias del papel, del hule,
etc.
Control del llenado de l�quidos en frascos y latas en industrias como la cervecera
y la de envasado de alimentos.
Fuentes intensas de radiaci�n en radiograf�as industriales y de la medicina
nuclear.
Esterilizaci�n de material quir�rgico desechable.
Esterilizaci�n de productos qu�micos y biol�gicos.
La sensibilidad de las t�cnicas qu�micas en general var�a grandemente. Algunas de ellas son sensibles tan s�lo para algunos elementos, ya que no existe el m�todo perfecto para analizar todos los elementos con la m�xima sensibilidad. Ahora sabemos que los minerales de uranio tienen fracciones de menos de una parte de radio en un mill�n de partes del mineral. Es f�cil comprender la raz�n de que se desconociera la existencia del radio en el siglo pasado: no exist�a una t�cnica suficientemente sensible para analizarlo. Las t�cnicas qu�micas tradicionales se basan en los procedimientos utilizados durante mucho tiempo de separar los diversos elementos en fracciones qu�micas, como lo hizo Madame Curie, hasta dejar aislados los elementos polonio y radio. Actualmente estas t�cnicas tradicionales se usan poco, ya que aparecen cada d�a t�cnicas nuevas, la mayor�a de ellas instrumentales.
Entre estas t�cnicas se encuentra el an�lisis por activaci�n, que, teniendo una sensibilidad muy alta, puede determinar hasta cent�simas de partes por mill�n de ciertos elementos, como la plata. En esta t�cnica se produce radiactividad artificialmente, tal como lo hizo Fermi, irradiando los elementos con proyectiles, principalmente con neutrones. Las radiaciones emitidas por estos is�topos radiactivos y su vida media permiten encontrar indirectamente la concentraci�n del elemento original sometido al an�lisis.
Encontrar el elemento por los efectos que produce la irradiaci�n con neutrones es como encontrar el llavero que toca unas notas musicales cuando el distra�do due�o que lo ha perdido emite un silbido.
En esta comparaci�n, el silbido del due�o del llavero es an�logo al flujo de
neutrones, que penetran en algunos elementos con mayor probabilidad que en otros,
por lo tanto los activan y emiten radiaciones: el equivalente de las notas musicales
del llavero. El s�mil del o�do del due�o del llavero es un detector de radiaciones
que registra los elementos que se han radiactivado (Figura 33).
Figura 33. Los elementos se vuelven radiactivos cuando se les bombardea con
neutrones, y entonces se pueden identificar y medir por las radiaciones que
emiten. Esto es semejante al llavero que al percibir un silbido produce una
tonada y por este sonido se le puede encontrar.
Ars�nico en un cabello de Napole�n
El an�lisis por activaci�n ha sido muy �til para encontrar ciertos elementos en peque�as cantidades.
El cabello humano contiene peque��simas cantidades de elementos, como sodio y cobre. El an�lisis por activaci�n ha demostrado que las cantidades de estos elementos presentes en cada cabello var�an de un individuo a otro, pero son relativamente constantes en cada persona. En Canad� se acus� a una persona de asesinato porque se prob� que un cabello encontrado en las manos de la v�ctima era semejante al cabello del acusado; este resultado se obtuvo por el an�lisis de las trazas de los elementos obtenidos por la t�cnica de an�lisis por activaci�n en los cabellos tanto del acusado como de la v�ctima.
Si una persona muere por envenenamiento puede a veces determinarse con an�lisis por activaci�n la raz�n de su muerte. Dosis de ars�nico, aunque no letales, pueden detectarse en ocasiones en el cabello del individuo que lo ha tomado. Este veneno se distribuye de la ra�z del cabello a las extremidades. Cabellos aun muy antiguos pueden analizarse con �xito para determinar la presencia de ars�nico y otros residuos por medio de este an�lisis.
Unos cient�ficos ingleses descubrieron excesos de ars�nico en una reliquia consistente en cabellos de la cabeza de Napole�n. En virtud de este descubrimiento, existe ahora la sospecha de que Napole�n fue envenenado lentamente con ars�nico.
El an�lisis por activaci�n no se aplica solamente en estas actividades siniestras relacionadas con casos de asesinatos. Adem�s de facilitar la identificaci�n del cabello humano, tambi�n puede utilizarse para comparar manchas de grasa muy peque�as, part�culas de polvo invisibles a simple vista y part�culas de pintura de autom�vil, tambi�n casi invisibles, en casos de accidente. Dichos estudios se pueden hacer de dos maneras: identificando part�culas de material abandonadas en el lugar del delito por el supuesto criminal, o part�culas del lugar del crimen llevadas consigo por el presunto criminal. Otra ventaja de este an�lisis es que las muestras sometidas a examen no sufren da�o alguno y pueden, por lo tanto, admitirse como prueba en los tribunales.
IS�TOPOS RADIACTIVOS PARA MARCAR �TOMOS
Quiz�s el uso m�s importante de los is�topos radiactivos producidos artificialmente es como "trazadores", que es el nombre que se emplea m�s a menudo.
Tanto en los procesos naturales como en los artificiales, se acostrumbra marcar algunas especies de un grupo grande para estudiar sus movimientos y sus desplazamientos. Estas especies marcadas se conocen con el nombre de trazadores, y en particular nos interesan aquellos que son radiactivos.
Un trazador radiactivo en los procesos f�sicos, qu�micos o biol�gicos se puede
comparar con la marca que se coloca en la pata de un ave, que permite determinar
la ruta que siguen las aves de su especie durante sus vuelos. De una cantidad
muy grande de aves se les pone la marca s�lo a un cierto n�mero conocido de
ellas. Despu�s de que las aves se desplazan, se busca a las que tienen marcas,
y los lugares en donde se encuentran indican la ruta que van siguiendo y el
n�mero de ellas que se encuentran permite calcular el n�mero de aves que se
han desplazado. Este mismo m�todo se utiliza para determinar el n�mero de peces
de cierta especie en un lago. Se marca un n�mero determinado de peces y se dejan
libres en el lago. Despu�s de un tiempo se pesca una muestra. La proporci�n
de peces marcados y no marcados permite medir el n�mero de peces del lago. Los
trazadores radiactivos se comportan como las aves o peces marcados (Fig. 34(a)).
Figura 34 (a). Si se marcan 1 000 peces y se depositan en un estanque y un tiempo despu�s se pescan s�lo 9 de los marcados y 580 no marcados, el estanque tiene aproximadamente.
| 580 x 1 000
= 64 444. 9 |
La mayor�a de los fen�menos que se efect�an en la naturaleza y los procesos que se realizan en los laboratorios y en la industria est�n basados en el movimiento de los �tomos y de las mol�culas: por ejemplo, la corriente de los r�os, el movimiento de las masas a�reas, la fabricaci�n de productos qu�micos, la explosi�n de la dinamita, etc. Para investigar las trayectorias de un elemento y su forma qu�mica a trav�s de los procesos se necesita conocer los cambios de posici�n de los �tomos y las mol�culas. Si �stos se marcan como las aves, se puede seguir su trayectoria durante las diferentes transformaciones.
Sin embargo, surge una duda: �se pueden marcar los �tomos y mol�culas con material radiactivo como se marcan los peces en un estanque? Efectivamente, s� se pueden marcar.
Los radis�topos de un elemento son id�nticos a los is�topos estables del mismo; por lo general, qu�micamente es imposible diferenciar un �tomo radiactivo de otro que no lo es. Gracias a esto, se les ha encontrado m�ltiples aplicaciones como trazadores en la industria, en la medicina, en la agricultura, en la biolog�a y en varios campos de la investigaci�n cient�fica. Estas aplicaciones se basan en la posibilidad de detectar f�cilmente la radiaci�n emitida por una cantidad muy peque�a de un is�topo radiactivo, arrastrado por el is�topo inerte del mismo elemento, lo cual permite determinar la trayectoria de este �ltimo en determinado proceso qu�mico, f�sico o biol�gico.
Los is�topos radiactivos se emplean en varios procesos industriales. Se utilizan en algunas reacciones catal�ticas en la industria qu�mica. Los investigadores los han encontrado muy �tiles en los estudios de las mol�culas.
Peque�as cantidades de sustancias radiactivas se mezclan con los materiales
que se mueven a trav�s de sistemas complicados. Su paso a trav�s del sistema
puede ser detectado por un medidor de radiaci�n Geiger-Muller. Los trazadores
se utilizan, adem�s, para detectar fugas en tanques, v�lvulas y otros contenedores.
Tambi�n permiten determinar la cantidad de gasto al que se le ha sometido a
una parte de un equipo. Gracias a la alta sensibilidad de las t�cnicas para
medir radiaciones, se puede conocer las cantidades peque��simas de un catalizador
utilizado en el proceso si se marca �ste con un is�topo radiactivo. (Fig. 34(b)).
Figura 34 (b). Si para producir 1 000 kg de un producto qu�mico
se utiliza 1 g de un catalizador de molibdeno marcado con 10 µCi*
de molibdeno radiactivo y despu�s del proceso un muestreo indica que se recupera
9.9999 µCi de este radis�topo, entonces la cantidad de catralizador utilizado
en el proceso es:
| 10 - 9.9999
= 0.00001 g 10 |
Los sistemas vivientes tambi�n pueden ser estudiados por trazadores radiactivos. Por ejemplo, los cient�ficos agregan trazadores a los alimentos absorbidos por las plantas. Por medio de la utilizaci�n de los detectores de radiaci�n se puede seguir el paso de los alimentos a trav�s de los tejidos de la planta. Los investigadores han aprendido mucho acerca de la fotos�ntesis —la "manufactura" de alimentos en la planta con la ayuda de la luz, por decirlo as�— utilizando is�topos radiactivos de carb�n como trazadores.
Los is�topos radiactivos han hecho posible grandes avances en el conocimiento m�dico. Los trazadores han ayudado a realizar estudios sobre el c�ncer, sistemas que forman la sangre, metabolismo del hierro y actividad de las hormonas. Asimismo, han permitido conocer el funcionamiento del h�gado y ri��n. Por otra parte, con la ayuda de estos trazadores se ha podido determinar, por ejemplo, la formaci�n de vitaminas, drogas y leche.
Se han realizado gran n�mero de investigaciones en procesos bioqu�micos; por ejemplo: el estudio del metabolismo de las grasas y formaci�n del colesterol, la bios�ntesis de amino�cidos en el interior de las c�lulas y estudios de gen�tica.
El is�topo radiactivo m�s utilizado en medicina nuclear es el yodo-131, que se aplica para realizar gran n�mero de estudios en el ser humano, como la medici�n del volumen sangu�neo, detecci�n de problemas del coraz�n, h�gado, tiroides, metabolismo de las grasas, tumores cerebrales, etc.
El segundo is�topo radiactivo m�s importante en medicina nuclear es el tecnecio-99m, se utiliza para el diagn�stico de tumores; el cromo-51 tambi�n se utiliza en medicina nuclear para determinar el volumen total de eritrocitos; el ars�nico-74 para localizar tumores cerebrales; el cobalto-60 para el estudio de la anemia perniciosa, y el sodio-24 se ha utilizado para determinar el flujo sangu�neo.
En la agricultura se han empleado los radis�topos de f�sforo, nitr�geno y potasio para investigar el metabolismo y la nutrici�n de las plantas. Se descubri� que las plantas asimilan una proporci�n mayor de fertilizantes a trav�s del follaje que a trav�s de las ra�ces. Cuando se deposita el fertilizante en el suelo se pierde al ser arrastrado por el agua.
Los radis�topos han sido utilizados como trazadores para estudiar la acci�n de los herbicidas y tambi�n la relaci�n de insectos y plantas, como en el transporte del polen por los insectos y la dispersi�n de insectos ben�ficos o da�inos para la agricultura. Los is�topos radiactivos tambi�n se han utilizado como trazadores para estudiar la contaminaci�n de alimentos por insecticidas y herbicidas; en algunos casos, se demostr� que ciertos compuestos se degradan en poco tiempo y dejan de ser un peligro para la salud de los consumidores.
IS�TOPOS RADIACTIVOS COMO FUENTES INTENSAS DE RADIACI�N
Las fuentes muy intensas de is�topos radiactivos, en particular de cobalto-60, se utilizan tambi�n para varios prop�sitos. Se emplean fuentes intensas tanto para esterilizar material quir�rgico de polietileno, el cual no puede ser esterilizado con calor, como en las radiograf�as industriales.
Algunas enfermedades han sido combatidas con �xito con la ayuda de los is�topos radiactivos. Por ejemplo, varios tumores cancerosos pueden ser destruidos por la radiaci�n producida por estos is�topos; en particular, para este prop�sito, se utiliza la radiaci�n que emite el cobalto-60.
Las radiaciones intensas se han utilizado tambi�n en la agricultura para producir nuevas especies vegetales; asimismo, han resultado muy �tiles en la conservaci�n de los alimentos por una o m�s semanas, seg�n el alimento. La esterilizaci�n efectuada con dosis mucho mayores conserva algunos alimentos por meses.
IS�TOPOS RADIACTIVOS PARA MEDIR ESPESORES DE HOJAS Y L�MINAS
Las radiaciones de los is�topos radiactivos, por lo general emisores beta, se utilizan en la industria para la medici�n del espesor de hojas de papel, pl�stico y hule y otros materiales. La fuente radiactiva se coloca en un lado del material que se quiere medir y del otro lado se coloca un detector que mide la radiaci�n beta emitida por la fuente radiactiva. Como la radiaci�n beta no es muy penetrante, la indicaci�n dada por el detector depender� del espesor del material. Cuanto m�s d�bil sea la se�al, el espesor es mayor.
El fen�meno de la radiactividad permiti� al cient�fico adentrarse en una aventura maravillosa. Al tratar de comprenderla realiz� diversos descubrimientos fundamentales en el desarrollo de la ciencia; pero su importancia principal radica en haber abierto la ruta a una serie de hallazgos que fueron piedras angulares de la f�sica y la qu�mica.
En este libro se han relatado diversos hechos relacionados con la radiactividad, su descubrimiento, su desarrollo y sus consecuencias. Entre �stas la m�s importante consiste en haber llegado a conocer la estructura del �tomo, misterio que hab�a permanecido oculto para el hombre durante miles de a�os. A partir de esto, investigaciones posteriores mostraron que la radiactividad se encuentra distribuida abundantemente en la naturaleza, pero que tambi�n puede ser producida por el hombre en forma artificial. Como consecuencia de este �ltimo descubrimento, los cient�ficos comenzaron a alterar los n�cleos de los �tomos con la esperanza de encontrar nuevos elementos, y en su af�n de lograrlo lo dividieron en fracciones, d�ndose cuenta en esta forma de la enorme cantidad de energ�a que pod�a desprenderse de �l.
El prop�sito de este libro fue el de mostrar c�mo una serie de experimentos realizados a fines del siglo pasado y que pudieron pasar desapercibidos desencadenaron una serie de descubrimientos que llevaron al mundo, en menos de medio siglo, a la era cient�fica m�s destacada de la historia.
NOTAS
* µCi es la milon�sima parte de un curie(Ci), unidad de radiactividad originalmente basada en la rapidez de desintegraci�n de un gramo de radio.
