Hacia las postrimerías del siglo XIX, se creía confiadamente que los
componentes básicos de la materia conocida eran estables, siempre iguales,
inmutables, y se pensaba que un material que no recibe influencia externa alguna
(no se lo calienta, no se lo parte, no se lo tiñe, etc.) permanecerá igual a
través del tiempo.
Pero en 1896 Becquerel informó a la comunidad científica un fenómeno que
no encajaba con esta idea de la inmutabilidad de los materiales. En efecto, había
observado que en repetidas ocasiones unas placas fotográficas cerradas, que habían
quedado adyacentes a un cierto mineral (pecblenda), se habían ennegrecido. Esto
sucedía de un día para otro, es decir en lapsos de tiempo relativamente
cortos.
Pero, ¿cómo había sucedido este cambio? Era en principio desconcertante
pues no podía entrar luz a las placas, no habían sido calentadas, ni las podía
haber alcanzado ningún agente químico. El peso de la evidencia, tras mucho
repetir la operación, llevó a la conclusión que existía algo producido o
emitido por ese mineral que atravesaba la gruesa protección de las placas
fotográficas de la época, y las impresionaba igual que cuando se sacaba una
fotografía exponiéndolas a la luz visible común.
En 1898 Pierre y Marie Curie, tras muchos esfuerzos, tuvieron éxito en
separar químicamente del resto del mineral llamado Plecbenda al material
causante de este fenómeno, y le dieron el nombre de Radium o Radio, ya que debía
producir algún tipo de radiación.
Muchos científicos de la época se interesaron en encontrar la explicación
adecuada a este fenómeno. La comprensión de lo que acontece en este caso no
fue la obra de una sola persona, sino el producto del aporte de muchos durante
todo el siglo XX, tarea que aun continúa. Se destacan en los primeros tiempos
Rutherford y colaboradores, que investigaron en detalle la naturaleza de las
radiaciones emitidas logrando identificar tres :
-
alfa: que resultaron ser núcleos de helio (o sea átomos del gas
noble helio sin sus únicos dos electrones)
-
beta: que resultaron ser electrones muy rápidos
-
gamma: que luego se comprobaría que consisten en cuantos de
radiación electromagnética (similares a otras radiaciones que nos son más
familiares como la luz visible o los rayos X).
En 1932 Chadwick descubre otra partícula nueva, el neutrón, lo cual conduce
ese mismo año a que Heisenberg nos de la visión actual de los núcleos atómicos,
constituidos por partículas eléctricamente positivas, llamadas protones, y
partículas neutras, los neutrones.
Este conjunto de observaciones y sus correspondientes interpretaciones
llevaron a modificar nuestra idea de la materia. Algunos núcleos de ciertos
elementos pueden emitir partículas cargadas, por lo que su carga eléctrica
total cambia, es decir se transforman en núcleos de otros elementos: el Radio
es uno de estos elementos, pero existen en la naturaleza varios más, como el
Thorio, el Uranio, el Potasio o el Carbono entre otros . Esto quiere decir que a
diferencia de lo que se creía antes de las observaciones de Becquerel, no toda
la materia es estable: algunas de las sustancias de la naturaleza se transforman
en otras tras la emisión de radiaciones. A las sustancias que emiten
radiaciones las llamamos sustancias radioactivas.
Radioactividad natural
En la vida cotidiana estamos expuestos a radiaciones aún cuando no vivamos o
permanezcamos cerca de fuentes radioactivas provenientes de la actividad humana.
Se pueden distinguir dos tipos principales, de acuerdo a desde dónde actúan
sobre nuestro organismo: Las fuentes de irradiación externa son aquellas que
provienen desde fuera del organismo, y las fuentes de irradiación interna son
aquellas que provienen de radioisótopos incorporados a nuestro organismo (por vías
respiratoria o digestiva).
Las fuentes principales de radiación natural son:
Los rayos cósmicos, provenientes del espacio exterior, son principalmente
protones y partículas alfa, y en menor cantidad núcleos de Carbono, Nitrógeno,
Oxígeno y de átomos pesados. Estos núcleos producen a su vez rayos
secundarios al chocar contra los átomos de la atmósfera. Algunos rayos cósmicos
tienen energías que son millones de veces superiores a las alcanzadas en
aceleradores de partículas, aunque los predominantes son los de baja energía.
El efecto de los rayos cósmicos en ciudades que se hallan a grandes altitudes
es alrededor de cinco veces el producido a nivel del mar.
Los rayos cósmicos generan, por interacción con átomos de la atmósfera,
los llamados radionucleidos cosmogénicos (isótopos de Hidrógeno (3H),
Berilio (7Be), Sodio (22Na) y Carbono (14C)),
que se incorporan a los organismos en forma natural. Estos isótopos tienen en
los organismos vivos una concentración estable de equilibrio, resultante de la
incorporación y el decaimiento continuos. Entre ellos, el Carbono 14 es
utilizado normalmente para fechar organismos muertos hasta 35000 años atrás:
Cuando un organismo muere, cesa de incorporar 14C, y su concentración
comienza a decaer por la desintegración radioactiva. La medición de la
concentración actual del isótopo da como resultado el tiempo transcurrido
entre la muerte y la fecha de medición.
Los rayos gamma terrestres provienen del decaimiento de los isótopos
presentes en materiales de la corteza terrestre y en el agua. La exposición a
estos rayos depende de la geología local, y de cómo estos isótopos
radioactivos pasan a los alimentos que se ingieren.
El Radón, químicamente muy poco reactivo (considerado como uno de los gases
nobles), es sin embargo un elemento radioactivo emisor de partículas Alfa.
Presente en los materiales de construcción y en la corteza terrestre, afecta en
mayor o menor grado dependiendo de la geología local, y de la construcción y
el uso de las viviendas. En algunos casos, en viviendas de material poco
ventiladas, los niveles de Radón pueden llegar a considerarse peligrosos. En países
desarrollados existen normas que regulan la ventilación mínima de los
ambientes. Normalmente, la inhalación del Radón representa aproximadamente la
mitad de la contribución de todas las fuentes a las dosis naturales.
El tipo de radiación generada por la actividad humana es de las mismas
características que aquella presente en la naturaleza: partículas Alfa, Beta,
rayos Gamma, rayos X, protones, neutrones. La radiación emitida por un dado isótopo
no depende de que el mismo provenga de una fuente natural o sea generado en el
laboratorio, sino de principios físicos básicos característicos del isótopo.
Alfa, Beta, Gamma y Neutrones
Al igual que nuestro sistema solar, los átomos están compuestos, en un
modelo simplificado, por un núcleo central muy pequeño y de partículas aún más
pequeñas, los electrones, dando vueltas a su alrededor, a gran velocidad.
El núcleo está compuesto por partículas llamadas protones que tienen carga
eléctrica positiva y otras llamadas neutrones, que no tienen carga alguna,
fuertemente unidas entre sí.
Los núcleos que tienen la misma cantidad de protones y de neutrones son
"estables"; mientras que los que tienen cantidades muy diferentes son
"inestables". Estos últimos tienden a transformarse en otros más
estables, a través de diferentes mecanismos conocidos como desintegraciones
radiactivas. Estos procesos espontáneos tienen asociados la emisión de
diferentes partículas o rayos, de acuerdo a las características de los
diferentes núcleos. Fueron observados por primera vez en 1896 al verificar que
un trozo de mineral de Uranio velaba las placas fotográficas al ser colocado
encima de ellas. Más tarde los esposos Curie descubrieron el Polonio y el
Radio, elemento este último un millón de veces más radioactivo que el Uranio.
Consideremos los diferentes decaimientos, de acuerdo a las características
nucleares:
-
Si hay un exceso de neutrones, los núcleos se hacen más estables
emitiendo un neutrón, o bien, más frecuentemente, formando y emitiendo una
partícula beta (Beta-), esto es, un electrón. La formación de
esta partícula se produce a través de la transformación de un neutrón
del núcleo en un protón y un electrón, junto a una partícula sin carga
ni masa llamada neutrino. El nuevo núcleo tiene, entonces, un neutrón
menos y un protón más.
-
Si hay un exceso de protones, en núcleos livianos, el núcleo se hace más
estable a través de la transformación de un protón en un neutrón y un
positrón (electrón con carga positiva), abandonando este último el átomo
(Beta+). El nuevo núcleo tiene, entonces, un protón menos y un
neutrón más.
-
Si hay un exceso de protones en núcleos pesados, entonces alcanzan la
estabilidad nuclear emitiendo una partícula Alfa, compuesta por dos
protones y dos neutrones fuertemente unidos. El nuevo núcleo tiene entonces
dos protones y dos neutrones menos.
Al formarse un nuevo núcleo, como consecuencia de uno o varios de los
procesos anteriores, este puede decaer también a un estado aún más estable
(fundamental), conservando su número de protones y neutrones, a través de la
emisión de ondas electromagnéticas como las de radio o la luz; pero de mayor
energía. Mayor aún que la de los rayos X. Son los rayos Gamma.
Estos procesos pueden darse en forma escalonada, con diferente probabilidad
de ocurrencia.
En ellos se verificó, por primera vez, la equivalencia entre masa y energía
hallada por Albert Einstein a comienzos de siglo. La energía liberada (energía
de las partículas y rayos emitidos) está relacionada con la desaparición de
masa ocurrida durante la desintegración. La masa del núcleo antes de la
desintegración es mayor que la masa del núcleo y partículas emitidas después
de la desintegración. La masa y la energía no se conservan por separado, sino
la suma de ambas.
Período de semidesintegración, o vida media
Un núcleo inestable no tiene un tiempo de vida bien definido, sino que tiene
una probabilidad de decaer por unidad de tiempo. Esta probabilidad, llamada
constante de decaimiento, no depende del tiempo que haya "vivido" ese
núcleo.
Cuando se tiene un número muy grande de núcleos inestables, se pueden
observar decaimientos de los mismos en forma aparentemente continua. Si la
constante de decaimiento es grande (=alta probabilidad de decaer por unidad de
tiempo) se observará que la población activada disminuye rápidamente mediante
la emisión de radiación característica, si la constante es pequeña, la
población disminuirá más lentamente.
El período de semidesintegración o vida media, T1/2, es el
tiempo que tarda un conjunto de núcleos radiactivos de la misma especie, en
reducirse a la mitad.
Así, si a un tiempo to se tienen N0 átomos activados,
transcurrida una vida media (t = t0+T1/2) tendremos N0/2
átomos activados, transcurridas dos vidas medias (t = t0+2 x T1/2)
tendremos N0/4, transcurridas tres vidas medias se tendrá N0/8.
En forma más general podemos considerar que si han transcurrido n vidas medias,
la población será de N0/2n átomos.
Detección de radiación nuclear
Con los medios a su alcance, los investigadores han desarrollado una
diversidad de métodos de detección, que comienzan con las simples placas
fotográficas veladas de las que informa Becquerel en 1896, a pesar de estar
encerradas a prueba de luz.
Muy pronto, los esposos Curie utilizarían un electrómetro, instrumento apto
para informar cuánto aire se ioniza en una cámara, o sea cuántos átomos del
mismo dejan de ser eléctricamente neutros por pérdida de uno o más
electrones. Geiger y Marsden en 1909 emplean sulfuro de cinc como pantalla que
emite un destello de luz cuando incide una partícula alfa (ver
RADIACTIVIDAD).
Los métodos actuales son muy variados. Si nos proponemos decir algo global
acerca de ellos, podemos distinguir :
-
Los orientados a radiación que directamente produce alteraciones eléctricas,
o ionización, en los materiales sobre los que actúa.
-
Los métodos orientados a radiación que no produce directamente
alteraciones eléctricas en los materiales sobre los que actúa.
Ejemplos de ionizantes :
Ejemplos de no directamente ionizantes :
Cuando una partícula ionizante incide sobre un material, tiende a
"arrastrar" electrones propios de los átomos del material, dejándolo
eléctricamente alterado. Esto puede inducir peculiares comportamientos en
distintos tipos de materiales, como :
-
un semiconductor (como el silicio de diodos y
transistores presentes en circuitos de radios y TV): puede conducir
corriente eléctrica en condiciones en que normalmente no lo haría.
-
un gas (que normalmente no conduce electricidad):
puede conducir electricidad entre las puntas de un circuito al que se haya
aplicado unos miles de voltios eléctricos.
-
un sólido o líquido transparente adecuado: puede suceder que
cuando los electrones perturbados retornen a situaciones de equilibrio en
sus átomos, se despojen del exceso de energía absorbida, entregándola en
forma de destellos luminosos.
Esos pulsos de corriente eléctrica y los destellos luminosos se aprovechan
habitualmente como señales indicadoras de la presencia de radiaciones que les
dieron origen.
Cuando se trata de detectar partículas no directamente ionizantes como los
neutrones, se recurre a que los mismos reaccionen con átomos del material del
detector, introduciéndose en sus núcleos, obligándolos a emitir alguna
radiación que pueda a su vez ser detectada por los métodos antes descriptos.
Fuente: Instituto Balseiro - CNEA |
