II. RADIACTIVIDAD, ACELERADORES Y OTROS CONCEPTOS DE LA FÍSICA

ESTE capítulo explica algunos de los conceptos usados a lo largo del libro, tales como radiación, radiactividad, dosis y aceleradores. También definimos y explicamos el uso y significado de las múltiples unidades utilizadas hoy en día para medir la radiación, como son el Curie, el rad y el rem. Si el lector está familiarizado con esta información puede saltar este capítulo y continuar directamente con el siguiente.

RADIACIÓN

El tema central de este libro es la radiación. En física se entiende que la radiación es energía en movimiento. Debido a que cualquier partícula que se mueva posee energía, tanto los átomos, los núcleos de los átomos, los electrones, los protones o los neutrones, cuando se trasladan de un lugar a otro en el espacio, son radiación. Ya hemos encontrado este tipo de radiación en el primer capítulo, en algunos de los fenómenos estudiados por Henri Becquerel y los esposos Curie, ya que, aunque ellos no lo sabían, intervenían partículas nucleares en movimiento provenientes de los elementos uranio y polonio. A estos tipos de radiaciones hoy se les llama partículas alfa (dos protones y dos neutrones juntos) y partículas beta (electrones); son emitidos de modo espontáneo por algunos núcleos atómicos, a velocidades cercanas a la de la luz.

La energía de la radiación no debe ser transportada necesariamente por una partícula. Es posible que sea una onda la que lleve energía de un lugar a otro. Las ondas de radio y de televisión, por ejemplo, son energía emitida desde la planta transmisora que viaja por el espacio hasta llegar a nuestro aparato receptor de radio o televisión. Estas ondas forman parte de la llamada radiación electromagnética, que también incluye la luz visible y la luz ultravioleta. Los rayos X descubiertos por Roentgen y los llamados rayos gamma que eran parte de la radiación emitida por las sales de uranio estudiadas por Becquerel, también son parte de la radiación electromagnética y siempre se desplaza por el espacio a la velocidad de la luz. La única diferencia entre estos diversos tipos de radiación electromagnética es la energía transportada por cada rayo.

Cuando la radiación penetra a través de un trozo de cualquier material, por ejemplo un ladrillo o una mano, "choca" con los átomos del material y en cada una de las colisiones les transfiere parte de su energía. Las partículas alfa transfieren mucha energía en cada choque y son detenidas (es decir, se les acaba su energía) en unos cuantos centímetros de aire o incluso en el grosor de una hoja de papel. Toda la energía que transportaba la partícula alfa queda depositada en un volumen pequeño del material irradiado.

Las partículas beta transfieren poca energía en cada choque y por esto se necesitan muchos choques para detenerlas. Se requiere al menos un metro de aire o algunos milímetros de aluminio para que se detengan y la energía que depositan en el material, queda menos concentrada que en el caso de irradiación con partículas alfa.

Los rayos gamma logran penetrar materiales mucho más gruesos que las partículas alfa y beta y se necesitan varios centímetros de plomo o de concreto para atenuarlos.

RADIACTIVIDAD

Este fenómeno, descubierto por Henri Becquerel y estudiado por Pierre y Marie Curie, es uno de los mecanismos con que cuenta la naturaleza para producir radiación. La radiactividad es la emisión espontánea de energía que producen algunos núcleos atómicos. Los núcleos que pueden emitir radiación de manera espontánea se llaman radiactivos o inestables. Debido a que la energía se conserva, un núcleo debe tener un exceso de energía en su interior antes de poder emitirla. Es esta energía "sobrante" la que el núcleo comunica a partículas energéticas en el caso de emisión de partículas alfa y beta, o a radiación electromagnética, si se emiten rayos gamma. Cuando un núcleo radiactivo emite radiación se dice que ocurrió un decaimiento radiactivo o que el núcleo "decayó". Después del decaimiento, el núcleo inicial se ha transformado en otro diferente.

Interacción de la radiación ionizante con la materia. Los átomos del medio irradiado reciben parte de la energía transportada por la radiación.

Cada núcleo radiactivo se tarda un tiempo característico en decaer. Este tiempo se llama vida media. Si en un instante se tiene una cantidad N de núcleos radiactivos, después de transcurrido un tiempo igual a la vida media solamente quedará la mitad de los núcleos originales, es decir N/2. La otra mitad decayó emitiendo radiación. Los N/2 núcleos que quedan se tardarán otra vida media en reducirse a la mitad, es decir que después de dos vidas medias queda la cuarta parte de la cantidad original y así sucesivamente, hasta que todos los núcleos hayan decaído. Hay núcleos como el uranio que tienen vidas medias del orden de miles de millones de años (comparables con la edad de nuestro Sistema Solar) y, por otro lado, existen núcleos como el berilio-8 que tienen vidas medias menores que una millonésima de millonésima de millonésima de segundo.

Poder de penetración de los diferentes tipos de radiación.

Debido a su tamaño tan minúsculo (una fila de doscientos mil millones de núcleos de oxígeno mediría apenas un milímetro) no es posible observar al núcleo mientras decae, ni menos aún contar cuántos núcleos radiactivos quedan en una muestra. En cambio, es relativamente fácil contar cuántas partículas alfa, beta, o rayos gamma se emiten. El número de partículas o rayos emitidos en cada segundo por una cantidad de material radiactivo se llama actividad de la muestra y depende tanto del número de núcleos 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 situación normal. Por lo general en un laboratorio se trabaja con muestras cuya actividad es de micro o milicuries, es decir millonésimas o milésimas de Curie.

A medida que pasa el tiempo van quedando menos núcleos radiactivos en una muestra, de modo que la actividad disminuye. La figura 1 muestra una gráfica de la variación de la cantidad de núcleos radiactivos cobalto-60 y de su actividad a medida que transcurre el tiempo desde su formación (este núcleo radiactivo se produce rutinariamente en un reactor). Hemos supuesto que al inicio había un gramo de cobalto-60 que, aunque pudiera pensarse que es una masa pequeña, posee una actividad muy elevada (más de 1 000 Curies), tal como se aprecia en la figura. La vida media del cobalto-60 es aproximadamente de 5 años, y al decaer se transforma en el núcleo níquel-60.

Figura 1. Disminución 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 variación de la actividad de la muestra.

ACELERADORES Y TUBOS DE RAYOS X

A menudo sucede que la energía de la radiación emitida por los núcleos radiactivos no es suficientemente alta para algún uso particular, por lo cual es necesario acelerarlos. Las máquinas que, usando combinaciones de campos eléctricos y magnéticos, aumentan la velocidad de las partículas para así incrementar su energía cinética se llaman aceleradores y fueron originalmente diseñados y construidos (desde los años 30) para realizar experimentos de física nuclear básica. Hoy en día los aceleradores de vanguardia en la investigación miden varios kilómetros de largo y entregan a los núcleos energías que son un millón de veces mayores que aquéllas de los decaimientos radiactivos.

Existe un tipo de acelerador muy sencillo y relativamente poco costoso que es el más usado en el mundo. Cualquier hospital o clínica tiene al menos uno: el tubo de rayos X. Este equipo acelera electrones dentro de un tubo de vidrio al vacío, 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 colisión la energía de los electrones se transforma en radiación electromagnética que sale del tubo. Esta radiación son los rayos X descubiertos por Roentgen. Después de salir del tubo los rayos X continúan viajando en línea recta por el aire hasta encontrar algún obstáculo ante el cual los rayos X pueden resultar desviados, reflejados o absorbidos. Tal como se explica en un capítulo posterior, las imágenes radiográficas (radiografías) conocidas por todos se producen aprovechando las propiedades de absorción que presentan diferentes componentes de nuestro cuerpo ante los rayos X.

El linac es un tipo de acelerador construido originalmente para estudiar problemas de física nuclear y que en la actualidad se usa en hospitales. Acelera electrones a altas energías (los electrones viajan prácticamente 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, después de chocar contra un blanco interior y producir radiación electromagnética de alta energía. Ambas modalidades constituyen hoy técnicas de radioterapia de uso cada vez más extendido.

Fuentes radiactivas y aceleradores (incluidos los tubos de rayos X) son las herramientas de que disponemos para obtener radiación para usos en medicina. No es posible utilizar las fuentes naturales (que serán descritas en el próximo capítulo) pues, por un lado, son demasiado débiles, y por otro, imposibles de controlar a voluntad. Es útil recordar que una fuente radiactiva siempre emite radiación (no se puede apagar), mientras que el tubo de rayos X u otro acelerador sólo la emiten mientras están conectados.

DOSIS

¿Qué ocurre cuando la radiación proveniente de una fuente radiactiva o de un acelerador encuentra en su camino un medio físico cualquiera, como es el aire, el agua, el cuerpo humano, una película fotográfica? Al comienzo de este capítulo señalamos que cada tipo de radiación tiene un comportamiento diferente, pero se puede afirmar que, en general, la radiación penetra cierta distancia del medio y le entrega parte, o incluso toda su energía inicial. Cuando el medio irradiado es un sistema vivo, el efecto que una cantidad cualquiera de radiación produzca dependerá principalmente de la cantidad de energía que la radiación deposite en el organismo irradiado.

La dosis absorbida mide la energía depositada en cada gramo de materia irradiada. La unidad más conocida es el rad y corresponde a 100 ergs depositados en un gramo de materia. La cantidad de energía contenida en 100 ergs es sumamente pequeña dentro de la escala de nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, si medimos la energía calórica que le llega del Sol a un cuadrado de un centímetro de lado sobre nuestra piel, la energía recibida cada segundo es diez mil veces mayor que la energía de 100 ergs. Esta comparación indica que la energía que se deposita en un gramo de materia al ser irradiada con una dosis de un rad es muy pequeña. 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 pequeño es útil saber que, en un extremo, si una persona se expone de cuerpo entero a una irradación de 600 rads, es probable que muera, mientras que en el otro extremo, todos los seres humanos recibimos cada año unas dos décimas de rad (0.2 rad) que provienen de la radiación natural que existe en nuestro planeta. Esto se ilustra esquemáticamente 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 más común recibir dosis inferiores a un rad que dosis superiores, el milirad (una milésima 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, sólo que ahora se les llama "centiGrays". En este libro usaremos rads. La dosis absorbida se mide con instrumentos llamados dosímetros.

El estudio de los efectos biológicos de la radiación se inició (y aún continúa) irradiando cultivos celulares con diferentes tipos de radiación. Al contar cuántas células del cultivo habían sido capaces de sobrevivir a la irradiación, fue evidente que iguales dosis de radiación diferente no producían los mismos efectos biológicos. Un rad de rayos X no causa el mismo efecto biológico que un rad de partículas alfa. Como las diferentes eficiencias biológicas son difíciles de determinar pues dependen del tipo de radiación, de su energía, y del efecto biológico en consideración, se han definido factores de efectividad biológica para cada tipo de partícula. El equivalente de dosis es la dosis absorbida por el organismo multiplicada por el factor de efectividad biológica apropiado al tipo de partícula que constituye la radiación. La unidad de uso común es el rem. Un rem de rayos X causa el mismo efecto biológico que un rem de partículas alfa o de neutrones.

Equivalencia entre el rad y el rem para diferentes tipos de radiación. El rad mide la energía depositada; el rem toma en cuenta, además, la efectividad del tipo de radiación.

En el campo de la protección radiológica lo importante son los efectos biológicos que se desea evitar y, por eso, los valores máximos establecidos son límites para el equivalente de dosis y están dados en rems. Se usará milirem (una milésima de rem) en el capítulo próximo, al referirse a los niveles de radiación presentes en la Tierra hoy en día. Para los rayos X y rayos gamma el factor de efectividad biológica vale uno, por lo que para estas radiaciones electromagnéticas, un rem es igual a un rad. Para la radiación de partículas alfa o neutrones, los factores son mayores que uno, y en estos casos, el efecto biológico causado por un rem se logra con dosis absorbidas menores que un rad. (Esto indica que los neutrones y las partículas alfa son más "efectivos" que los rayos X y gamma en causar daño biológico.) Los temas que se presentarán 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 usarán 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 protección radiológica, que se usa su submúltiplo, el microSievert, una millonésima de Sievert. En este libro no usaremos esta unidad.)