II. RADIACTIVIDAD, ACELERADORES Y OTROS CONCEPTOS DE LA F�SICA
ESTE cap�tulo explica algunos de los conceptos usados a lo largo del libro, tales como radiaci�n, radiactividad, dosis y aceleradores. Tambi�n definimos y explicamos el uso y significado de las m�ltiples unidades utilizadas hoy en d�a para medir la radiaci�n, como son el Curie, el rad y el rem. Si el lector est� familiarizado con esta informaci�n puede saltar este cap�tulo y continuar directamente con el siguiente.
El tema central de este libro es la radiaci�n. En f�sica se entiende que la radiaci�n es energ�a en movimiento. Debido a que cualquier part�cula que se mueva posee energ�a, tanto los �tomos, los n�cleos de los �tomos, los electrones, los protones o los neutrones, cuando se trasladan de un lugar a otro en el espacio, son radiaci�n. Ya hemos encontrado este tipo de radiaci�n en el primer cap�tulo, en algunos de los fen�menos estudiados por Henri Becquerel y los esposos Curie, ya que, aunque ellos no lo sab�an, interven�an part�culas nucleares en movimiento provenientes de los elementos uranio y polonio. A estos tipos de radiaciones hoy se les llama part�culas alfa (dos protones y dos neutrones juntos) y part�culas beta (electrones); son emitidos de modo espont�neo por algunos n�cleos at�micos, a velocidades cercanas a la de la luz.
La energ�a de la radiaci�n no debe ser transportada necesariamente por una part�cula. Es posible que sea una onda la que lleve energ�a de un lugar a otro. Las ondas de radio y de televisi�n, por ejemplo, son energ�a emitida desde la planta transmisora que viaja por el espacio hasta llegar a nuestro aparato receptor de radio o televisi�n. Estas ondas forman parte de la llamada radiaci�n electromagn�tica, que tambi�n incluye la luz visible y la luz ultravioleta. Los rayos X descubiertos por Roentgen y los llamados rayos gamma que eran parte de la radiaci�n emitida por las sales de uranio estudiadas por Becquerel, tambi�n son parte de la radiaci�n electromagn�tica y siempre se desplaza por el espacio a la velocidad de la luz. La �nica diferencia entre estos diversos tipos de radiaci�n electromagn�tica es la energ�a transportada por cada rayo.
Cuando la radiaci�n penetra a trav�s de un trozo de cualquier material, por ejemplo un ladrillo o una mano, "choca" con los �tomos del material y en cada una de las colisiones les transfiere parte de su energ�a. Las part�culas alfa transfieren mucha energ�a en cada choque y son detenidas (es decir, se les acaba su energ�a) en unos cuantos cent�metros de aire o incluso en el grosor de una hoja de papel. Toda la energ�a que transportaba la part�cula alfa queda depositada en un volumen peque�o del material irradiado.
Las part�culas beta transfieren poca energ�a en cada choque y por esto se necesitan muchos choques para detenerlas. Se requiere al menos un metro de aire o algunos mil�metros de aluminio para que se detengan y la energ�a que depositan en el material, queda menos concentrada que en el caso de irradiaci�n con part�culas alfa.
Los rayos gamma logran penetrar materiales mucho m�s gruesos que las part�culas alfa y beta y se necesitan varios cent�metros de plomo o de concreto para atenuarlos.
Este fen�meno, descubierto por Henri Becquerel y estudiado por Pierre y Marie Curie, es uno de los mecanismos con que cuenta la naturaleza para producir radiaci�n. La radiactividad es la emisi�n espont�nea de energ�a que producen algunos n�cleos at�micos. Los n�cleos que pueden emitir radiaci�n de manera espont�nea se llaman radiactivos o inestables. Debido a que la energ�a se conserva, un n�cleo debe tener un exceso de energ�a en su interior antes de poder emitirla. Es esta energ�a "sobrante" la que el n�cleo comunica a part�culas energ�ticas en el caso de emisi�n de part�culas alfa y beta, o a radiaci�n electromagn�tica, si se emiten rayos gamma. Cuando un n�cleo radiactivo emite radiaci�n se dice que ocurri� un decaimiento radiactivo o que el n�cleo "decay�". Despu�s del decaimiento, el n�cleo inicial se ha transformado en otro diferente.
Interacci�n de la radiaci�n ionizante con la materia. Los �tomos del medio irradiado reciben parte de la energ�a transportada por la radiaci�n.
Cada n�cleo radiactivo se tarda un tiempo caracter�stico en decaer. Este tiempo se llama vida media. Si en un instante se tiene una cantidad N de n�cleos radiactivos, despu�s de transcurrido un tiempo igual a la vida media solamente quedar� la mitad de los n�cleos originales, es decir N/2. La otra mitad decay� emitiendo radiaci�n. Los N/2 n�cleos que quedan se tardar�n otra vida media en reducirse a la mitad, es decir que despu�s de dos vidas medias queda la cuarta parte de la cantidad original y as� sucesivamente, hasta que todos los n�cleos hayan deca�do. Hay n�cleos como el uranio que tienen vidas medias del orden de miles de millones de a�os (comparables con la edad de nuestro Sistema Solar) y, por otro lado, existen n�cleos como el berilio-8 que tienen vidas medias menores que una millon�sima de millon�sima de millon�sima de segundo.
Debido a su tama�o tan min�sculo (una fila de doscientos mil millones de n�cleos de ox�geno medir�a apenas un mil�metro) no es posible observar al n�cleo mientras decae, ni menos a�n contar cu�ntos n�cleos radiactivos quedan en una muestra. En cambio, es relativamente f�cil contar cu�ntas part�culas alfa, beta, o rayos gamma se emiten. El n�mero de part�culas o rayos emitidos en cada segundo por una cantidad de material radiactivo se llama actividad de la muestra y depende tanto del n�mero de n�cleos radiactivos que quedan como de la vida media. La unidad para medir actividad ha sido tradicionalmente el Curie. Un Curie es igual a 37 mil millones de decaimientos por segundo, una cantidad bastante alta comparada con cualquier situaci�n normal. Por lo general en un laboratorio se trabaja con muestras cuya actividad es de micro o milicuries, es decir millon�simas o mil�simas de Curie.
A medida que pasa el tiempo van quedando menos n�cleos radiactivos en una muestra, de modo que la actividad disminuye. La figura 1 muestra una gr�fica de la variaci�n de la cantidad de n�cleos radiactivos cobalto-60 y de su actividad a medida que transcurre el tiempo desde su formaci�n (este n�cleo radiactivo se produce rutinariamente en un reactor). Hemos supuesto que al inicio hab�a un gramo de cobalto-60 que, aunque pudiera pensarse que es una masa peque�a, posee una actividad muy elevada (m�s de 1 000 Curies), tal como se aprecia en la figura. La vida media del cobalto-60 es aproximadamente de 5 a�os, y al decaer se transforma en el n�cleo n�quel-60.
Figura 1. Disminuci�n de la masa de un gramo de cobalto-60 a medida que transcurre el tiempo. En la escala del lado derecho se puede leer la variaci�n de la actividad de la muestra.
ACELERADORES Y TUBOS DE RAYOS X
A menudo sucede que la energ�a de la radiaci�n emitida por los n�cleos radiactivos no es suficientemente alta para alg�n uso particular, por lo cual es necesario acelerarlos. Las m�quinas que, usando combinaciones de campos el�ctricos y magn�ticos, aumentan la velocidad de las part�culas para as� incrementar su energ�a cin�tica se llaman aceleradores y fueron originalmente dise�ados y construidos (desde los a�os 30) para realizar experimentos de f�sica nuclear b�sica. Hoy en d�a los aceleradores de vanguardia en la investigaci�n miden varios kil�metros de largo y entregan a los n�cleos energ�as que son un mill�n de veces mayores que aqu�llas de los decaimientos radiactivos.
Existe un tipo de acelerador muy sencillo y relativamente poco costoso que es el m�s usado en el mundo. Cualquier hospital o cl�nica tiene al menos uno: el tubo de rayos X. Este equipo acelera electrones dentro de un tubo de vidrio al vac�o, usando una diferencia de voltaje de cientos de miles de volts para hacerlos chocar contra un trozo de material pesado (tungsteno o cobre montado sobre tungsteno) en su interior. Como consecuencia de la colisi�n la energ�a de los electrones se transforma en radiaci�n electromagn�tica que sale del tubo. Esta radiaci�n son los rayos X descubiertos por Roentgen. Despu�s de salir del tubo los rayos X contin�an viajando en l�nea recta por el aire hasta encontrar alg�n obst�culo ante el cual los rayos X pueden resultar desviados, reflejados o absorbidos. Tal como se explica en un cap�tulo posterior, las im�genes radiogr�ficas (radiograf�as) conocidas por todos se producen aprovechando las propiedades de absorci�n que presentan diferentes componentes de nuestro cuerpo ante los rayos X.
El linac es un tipo de acelerador construido originalmente para estudiar problemas de f�sica nuclear y que en la actualidad se usa en hospitales. Acelera electrones a altas energ�as (los electrones viajan pr�cticamente a la velocidad de la luz en su interior) y se utilizan, ya sea directamente en el exterior del linac para irradiar al paciente con electrones o bien, despu�s de chocar contra un blanco interior y producir radiaci�n electromagn�tica de alta energ�a. Ambas modalidades constituyen hoy t�cnicas de radioterapia de uso cada vez m�s extendido.
Fuentes radiactivas y aceleradores (incluidos los tubos de rayos X) son las herramientas de que disponemos para obtener radiaci�n para usos en medicina. No es posible utilizar las fuentes naturales (que ser�n descritas en el pr�ximo cap�tulo) pues, por un lado, son demasiado d�biles, y por otro, imposibles de controlar a voluntad. Es �til recordar que una fuente radiactiva siempre emite radiaci�n (no se puede apagar), mientras que el tubo de rayos X u otro acelerador s�lo la emiten mientras est�n conectados.
�Qu� ocurre cuando la radiaci�n proveniente de una fuente radiactiva o de un acelerador encuentra en su camino un medio f�sico cualquiera, como es el aire, el agua, el cuerpo humano, una pel�cula fotogr�fica? Al comienzo de este cap�tulo se�alamos que cada tipo de radiaci�n tiene un comportamiento diferente, pero se puede afirmar que, en general, la radiaci�n penetra cierta distancia del medio y le entrega parte, o incluso toda su energ�a inicial. Cuando el medio irradiado es un sistema vivo, el efecto que una cantidad cualquiera de radiaci�n produzca depender� principalmente de la cantidad de energ�a que la radiaci�n deposite en el organismo irradiado.
La dosis absorbida mide la energ�a depositada en cada gramo de materia irradiada. La unidad m�s conocida es el rad y corresponde a 100 ergs depositados en un gramo de materia. La cantidad de energ�a contenida en 100 ergs es sumamente peque�a dentro de la escala de nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, si medimos la energ�a cal�rica que le llega del Sol a un cuadrado de un cent�metro de lado sobre nuestra piel, la energ�a recibida cada segundo es diez mil veces mayor que la energ�a de 100 ergs. Esta comparaci�n indica que la energ�a que se deposita en un gramo de materia al ser irradiada con una dosis de un rad es muy peque�a. Sin embargo, dentro de una escala molecular o celular, la dosis de un rad puede tener consecuencias importantes.
Para evaluar de modo intuitivo si una dosis puede causar un efecto grande o peque�o es �til saber que, en un extremo, si una persona se expone de cuerpo entero a una irradaci�n de 600 rads, es probable que muera, mientras que en el otro extremo, todos los seres humanos recibimos cada a�o unas dos d�cimas de rad (0.2 rad) que provienen de la radiaci�n natural que existe en nuestro planeta. Esto se ilustra esquem�ticamente en la figura 2.
Figura 2. Escala de dosis. Valores inferiores a un rad se consideran como dosis bajas. Dosis de cientos de rads se consideran altas.
Debido precisamente a que es mucho m�s com�n recibir dosis inferiores a un rad que dosis superiores, el milirad (una mil�sima de rad) es una unidad de uso corriente. Existe una nueva unidad para medir dosis absorbida: el Gray, igual a 100 rads. Debido al uso ya tan generalizado del rad, en vez de medir en Grays se ha seguido midiendo en rads, s�lo que ahora se les llama "centiGrays". En este libro usaremos rads. La dosis absorbida se mide con instrumentos llamados dos�metros.
El estudio de los efectos biol�gicos de la radiaci�n se inici� (y a�n contin�a) irradiando cultivos celulares con diferentes tipos de radiaci�n. Al contar cu�ntas c�lulas del cultivo hab�an sido capaces de sobrevivir a la irradiaci�n, fue evidente que iguales dosis de radiaci�n diferente no produc�an los mismos efectos biol�gicos. Un rad de rayos X no causa el mismo efecto biol�gico que un rad de part�culas alfa. Como las diferentes eficiencias biol�gicas son dif�ciles de determinar pues dependen del tipo de radiaci�n, de su energ�a, y del efecto biol�gico en consideraci�n, se han definido factores de efectividad biol�gica para cada tipo de part�cula. El equivalente de dosis es la dosis absorbida por el organismo multiplicada por el factor de efectividad biol�gica apropiado al tipo de part�cula que constituye la radiaci�n. La unidad de uso com�n es el rem. Un rem de rayos X causa el mismo efecto biol�gico que un rem de part�culas alfa o de neutrones.
Equivalencia entre el rad y el rem para diferentes tipos de radiaci�n. El rad mide la energía depositada; el rem toma en cuenta, además, la efectividad del tipo de radiación.
En el campo de la protecci�n radiol�gica lo importante son los efectos biol�gicos
que se desea evitar y, por eso, los valores m�ximos establecidos son l�mites
para el equivalente de dosis y est�n dados en rems. Se usar� milirem
(una mil�sima de rem) en el cap�tulo pr�ximo, al referirse a los niveles de
radiaci�n presentes en la Tierra hoy en d�a. Para los rayos X y rayos gamma
el factor de efectividad biol�gica vale uno, por lo que para estas radiaciones
electromagn�ticas, un rem es igual a un rad. Para la radiaci�n de part�culas
alfa o neutrones, los factores son mayores que uno, y en estos casos, el efecto
biol�gico causado por un rem se logra con dosis absorbidas menores que un rad.
(Esto indica que los neutrones y las part�culas alfa son m�s "efectivos" que
los rayos X y gamma en causar da�o biol�gico.) Los temas que se presentar�n
en este libro se refieren casi en su totalidad al uso de rayos X y rayos gamma,
por lo que el rad y el rem se usar�n indistintamente. (Existe una nueva unidad
de equivalente de dosis, el Sievert, igual a 100 rems. Es una unidad tan grande
para los usos normales en protecci�n radiol�gica, que se usa su subm�ltiplo,
el microSievert, una millon�sima de Sievert. En este libro no usaremos esta
unidad.)
