Física de las radiaciones

1. Introducción

Es al final del siglo XIX y principios del XX cuando la ciencia se ve enriquecida por una serie de descubrimientos y cuando se abre un nuevo camino en el campo de las radiaciones.

En noviembre de 1895 Röentgen descubre los rayos X, radiaciones que presentan una serie de propiedades desconocidas hasta ese momento.

Henri Becquerel en febrero de 1896, interesado en el descubrimiento de Röentgen, intenta averiguar si algunos materiales expuestos a la radiación solar son capaces de emitir rayos X. En el día del experimento la ausencia de sol hace que Becquerel guarde el mineral a ensayar en un cajón junto con unas placas fotográficas debidamente protegidas. Al día siguiente, las placas fotográficas estaban veladas como si hubiesen estado expuestas a radiación similar a los rayos X. Dicha radiación parecía obvio predecir que provenía del mineral. Se trataba de un mineral de uranio.

Este descubrimiento casual hace que se busquen nuevas sustancias capaces

de emitir radiaciones como las descubiertas por Becquerel. Así el matrimonio Curie descubrió el polonio y el radio hacia el año 1898.

Esto le valió a Marie Curie el premio Nobel de Química en 1911, aunque anteriormente, en 1903 el matrimonio Curie ya había recibido el Nobel de Física por sus aportaciones al conocimiento de las radiaciones del uranio. En el discurso pronunciado por Pierre Curie, a la recogida de este Nobel dice: "No es difícil concebir que en manos criminales el radio pueda ser muy peligroso", también se pregunta sobre la utilidad del conocimiento sobre los secretos de la Naturaleza para al final decir: "Yo pienso que los nuevos descubrimientos acarrearán más beneficios que daños a la Humanidad".

El descubrimiento de estas radiaciones, de la radiactividad, marca el nacimiento de la energía atómica. La evolución de la energía atómica es impulsada por los sucesivos descubrimientos entre los que cabría destacar:

• La teoría de la relatividad de Albert Einstein (1905).

• El modelo atómico de Ernest Rutherford (1911).

• La radiactividad artificial por los esposos Joliot Curie (hija y yerno del matrimonio Curie. 1934).

• Fisión nuclear por Otto Hahn (1939).

• Primera reacción en cadena controlada por Enrico Fermi (1942).

2. Estructura de la materia

El átomo consta de un núcleo con carga positiva y un cierto número de partículas cargadas negativamente, los electrones, que forman la corteza. De esta manera el núcleo marca las propiedades físicas del átomo y la corteza las propiedades químicas. Los núcleos atómicos están a su vez constituidos por protones y neutrones, que genéricamente se llaman nucleones. Los protones poseen una carga eléctrica positiva, de igual magnitud que la carga de los electrones. A los protones se les identifica con el núcleo del hidrógeno. Los neutrones son algo más pesados que los protones y, como su propio nombre indica, se trata de partículas eléctricamente neutras, sin carga. A excepción del hidrógeno ordinario, todos los núcleos contienen además de protones, uno o más neutrones.

Para un elemento químico determinado el número de protones existentes en el núcleo, que es igual al número de cargas positivas que posee, recibe el nombre de número atómico del elemento (Z) y es el número de orden que dicho elemento ocupa en la tabla periódica.

El número atómico es el carácter diferenciador de los distintos elementos químicos. El número total de nucleones (protones y neutrones) existentes en el núcleo recibe el nombre de número másico (A). La diferencia entre el número másico y el número atómico, A-Z, nos da el número de neutrones contenidos en el núcleo atómico.

3. Isótopos

El número de protones determina la naturaleza química de un elemento, y es igual al número de electrones en un átomo eléctricamente neutro. El número atómico Z, es el número de protones existentes en el núcleo. Así pues átomos con igual número atómico, aunque difieran en número másico son, desde el punto de vista químico, idénticos pero presentan con frecuencia marcadas diferencias en sus características nucleares. Tales especies con idéntico número atómico y diferente número másico, reciben el nombre de isótopos , es decir, átomos con idénticas propiedades químicas pero con distinto índice de masa. Las especies isotópicas son, en general químicamente indistinguibles, pero poseen una masa atómica diferente.

Por ejemplo, el elemento químico hidrógeno (H), tiene un protón en su núcleo y un electrón en su corteza. Sin embargo, en algún caso, el mismo elemento químico H, tiene un núcleo compuesto de protón más un neutrón y una corteza con un electrón, en este caso lo conocemos como deuterio ( ²H). También existe otro isótopo del hidrógeno constituido por un núcleo compuesto por un protón más dos neutrones y una corteza compuesta por un electrón, en este caso lo conocemos como Tritio ( ³H), siendo un isótopo con el núcleo inestable, por lo que tiende a transformarse de forma espontánea.

4. Núcleos que se transforman, radiactividad y concepto de actividad

Los núcleos que son inestables, se transforman de forma espontánea, recibiendo la denominación de núcleos radiactivos o radionucleidos . En una muestra con un único tipo de núcleos radiactivos, todos sus radionucleidos presentan la misma probabilidad de sufrir una transformación por unidad de tiempo. La actividad de la muestra, se refiere al número de radionucleidos que se transforman por unidad de tiempo. Con el tiempo, en la muestra disminuye el número de núcleos radiactivos pendientes de sufrir una transformación. Esta disminución viene también acompañada por la correspondiente disminución en el número de núcleos que se transforman por unidad de tiempo, tratándose pues de una disminución de la actividad.

La transformación de un radionucleidos, suele venir acompañada por la emisión de una partícula (o radiación), siendo característica del radionucleido, resultando al final un núcleo diferente, que también puede ser, o no, inestable (radiactivo).

Tal como ya se ha indicado, en una muestra, a medida que se van transformado los radionucleidos, va disminuyendo la actividad de la muestra, llegando un momento en que tanto el número de radionucleidos pendientes de transformarse, como la actividad de la muestra, se han reducido a la mitad. A este período de tiempo se le llama período de semidesintegración (T_1/2) y es característico de cada radionucleido. Los períodos de semidesintegración para las distintas sustancias radiactivas varían desde la millonésima de segundo hasta millones de años. En las tablas 1  y 2  tenemos diversos ejemplos.

Tabla 1 

Disminución de la actividad con el tiempo

Tabla 2 
Características de algunas especies radiactivas

5. Radiaciones/Interacción de la radiación con la materia

Como ya se ha indicado, en el proceso de transformación, el núcleo inestable emite radiación, la cual puede ser de naturaleza corpuscular o bien de naturaleza electromagnética. La radiación de naturaleza corpuscular está formada por partículas con masa, emergiendo del núcleo con una importante velocidad. En la mayoría de los casos, estas partículas tienen carga eléctrica. Según el tipo de inestabilidad del nucleido, esta emisión puede ser de diferentes tipos: radiación alfa, radiación beta  y radiación gamma.

5.1. Radiación alfa

Este tipo de radiaciones, de carácter corpuscular, se produce al desprenderse del núcleo dos protones y dos neutrones. Es una emisión de partículas cargadas positivamente, que son idénticas a los núcleos de helio.

Dado que las partículas alfa son muy másicas, su capacidad de penetración en la materia es muy baja, presentando una elevada pérdida de energía por unidad de longitud recorrida. Asimismo, su carga eléctrica comporta que en su interacción con otros átomos se desprenda gran número de electrones orbitales, con lo que producen una elevada densidad de ionizaciones. Su efecto biológico y peligrosidad asociada a la contaminación interna es alta.

5.2 Radiación beta

Radiación de naturaleza corpuscular, cabiendo diferenciar entre la radiación beta negativa y la radiación beta positiva. La radiación beta negativa se produce cuando el radionucleido emite un electrón tras convertirse un neutrón en un protón. Por tanto en una transformación con emisión beta negativa, el núcleo resultante tiene un neutrón menos y un protón más que

su progenitor, quedando pues inalterado su número másico. En cambio la emisión beta positiva consiste en la emisión de un positrón, siendo la antipartícula del electrón, teniendo carga eléctrica positiva. En la emisión beta positiva, el núcleo resultante tiene un neutrón más y un protón menos que su progenitor, por lo que también queda inalterado el número másico. Una propiedad específica de la emisión beta positiva, es que va seguida de la aniquilación del positrón, el cual acaba combinándose con un electrón y la masa de ambos se transforma en energía, con la correspondiente emisión de dos fotones.

La densidad de ionización producida por la radiación beta es menor que la producida por la radiación alfa, dado que la primera suele presentar una mayor velocidad y en consecuencia un menor "tiempo de interacción".. Por contra, el alcance (penetración en un medio material) de la partícula beta suele ser superior al de las partículas alfa.

Para hacernos una idea de la capacidad de penetración de las radiaciones alfa y beta, en las tablas 3  y 4   se indican los alcances aproximados para diferentes energías.

Tabla 3 

Períodos, Energía y alcance en el aire de las partículas alfa

Tabla 4 
Alcances aproximados de partículas beta en el aire

5.3 Radiación gamma

Es una radiación de naturaleza electromagnética, es decir, de idéntica naturaleza que la luz visible, la ultravioleta, o los rayos X. Por tanto no posee ni carga ni masa.

Los núcleos excitados, de forma espontánea tienden a pasar a estados de menor excitación. La energía excedente procedente de esta cambio de estado del núcleo se suele emitir en forma de fotones, constituyendo la denominada radiación gamma.

La radiación gamma, a diferencia de la radiación alfa y de la radiación beta, produce ionización indirecta. El propio fotón, al interaccionar con el medio material libera unos pocos electrones, dotados de elevada velocidad, constituyendo las denominadas interacciones primarias. Seguidamente, cada uno de estos electrones producen, en el material con que interaccionan, una notable cantidad de nuevas ionizaciones, constituyendo la denominada ionización indirecta.

La interacciones primarias se pueden producir a través de uno de los siguientes efectos:

• Efecto fotoeléctrico: un fotón arranca un electrón de las capas internas del átomo y este electrón produce otras ionizaciones.

• Efecto Compton: un fotón arranca un electrón de las capas más externas y pierde toda su energía, teniendo al final un electrón dotado de una notable velocidad y un fotón, que respecto el fotón incidente presenta una menor energía y una diferente dirección de propagación.

• Creación de pares: un fotón de suficiente energía, en presencia de un núcleo, puede transformarse en un electrón y su correspondiente antipartícula, el positrón

El poder de penetración de estas radiaciones es grande, ya que únicamente son desviadas o neutralizadas por impacto con los electrones orbitales La figura 2 da una idea de la capacidad de penetración de las partículas alfa, beta y gamma.

6. Magnitudes y unidades radiológicas

En los últimos apartados se han visto los procesos en los cuales la radiación pierde energía al interaccionar con la materia. Dicha energía al ser absorbida o captada por los átomos con que interactúa, puede originar en la materia una gran diversidad de efectos, tanto físicos, como químicos y biológicos.

Los seres vivos, al resultar expuestos a las radiaciones ionizantes sufren una serie de efectos biológicos. Al incidir radiación sobre un tejido biológico, parte de su energía resulta absorbida. La magnitud dosis es precisamente esta energía absorbida por unidad de masa de tejido. Se trata de una magnitud con una buena correlación con la cuantificación del daño biológico (tanto referido a su severidad como también referido a la probabilidad de que se manifieste). No obstante, a igualdad de dosis, la probabilidad de daño inducido por la radiación, también presenta una dependencia con el tipo de radiación, dando lugar a la denominada dosis equivalente, siendo la dosis multiplicada por un factor de ponderación que depende del tipo de radiación (w_R). El valor del factor de ponderación está definido de modo que a igualdad de dosis equivalente, se presente la misma probabilidad de daño, independientemente del tipo de radiación.

De modo genérico, en la mediciones tanto del material radiactivo como de las radiaciones ionizantes, es usual el recurrir a las siguientes magnitudes y unidades:

• Actividad de un radionucleido, que se define en un instante determinado y desde un estado de energía definido, como el número de núcleos de  se transforman por unidad de tiempo. Su unidad de medida en el sistema internacional es el becquerel (Bq). Históricamente también se ha utlizado el curio (Ci) (1 Ci = 37 GBq).

• Dosis absorbida, que es la cantidad de energía absorbida por unidad de masa de material irradiado y su unidad de medida es el Gray (Gy).

• Exposición, que se emplea para medir la capacidad de la radiación para producir iones en el aire. Su unidad de medida es C/kg Históricamente también se ha utilizado el Röentgen (R).

• Dosis equivalente, que, tal como ya se ha adelantado, se correlaciona con la probabilidad de daño por parte de los diferentes tipos de radiación. Adicionalmente se dispone de la magnitud dosis efectiva, que además de tener presente el tipo de radiación, también tiene presente el grado de radiosensibilidad del órgano irradiado. En ambos casos, la unidad de medida en el sistema internacional es el sievert (Sv). Históricamente se ha utilizado el rem (equivalencia: 1 rem = 10 mSv).

Dentro del Real Decreto 783/2001, por el que se  aprueba el Reglamento sobre Protección Sanitaria Contra Radiaciones Ionizantes, al dar las definiciones en el anexo I , además de detallarse las relativas tanto a la actividad como a la dosis, también se indican las expresiones matemáticas que permiten tanto la determinación de la dosis equivalente como también de la dosis efectiva.

Finalmente indicar que en la tabla 5 muestra, de manera resumida las unidades radiológicas y las equivalencias existentes entre cada una de estas magnitudes.

Tabla 5

Unidades radiológicas y equivalencias