Radiactividad, nuclear, radiológico, exposición. Por un lado, la mayoría hemos presenciado en carne propia estos conceptos para beneficio en la forma de examinaciones o tratamientos médicos; por el otro, eventos como Fukushima, accidentes como Goiania, sitios como el lago Karachay o tan sólo las intenciones constantes de armamentismo pueden desencadenar emociones capaces de alterar incluso al más estoico y llevar a la acción al máximo de los cínicos: la radiactividad ciertamente merece consideración, respeto y precaución, pero no debería llevar a miedos irracionales. La mejor manera de conseguirlo es proyectando un poco de luz sobre el tema, que es en lo que nos centraremos en este artículo.

Eligiendo bien las palabras

Desafortunadamente los términos que se usan en el contexto de los fenómenos radiactivos también se usan en otros ámbitos por lo que la confusión es casi inevitable, así que antes de proceder definiremos aquí claramente cada uno de ellos.

En forma general y en el ámbito común, radiación implica todo tipo de emisión en forma de ondas electromagnéticas o fotones. Esto incluye tanto emisiones inofensivas como las ondas de radio y la luz visible como las llamadas radiaciones ionizantes que son capaces de causar daño al organismo; dentro de estas radiaciones ionizantes, se encuentran los rayos UV, los rayos X y los rayos gamma. En el contexto de la radiactividad, los término radiación o radiológico abarcan los rayos gamma y las partículas alfa, beta y los neutrones, todos ellos emitidos por los materiales radiactivos (los rayos X no son generados por los materiales radiactivos, pero por el peligro que representan merecen precauciones similares).

Diagrama esquemático. En el contexto de los fenómenos radiactivos, al hablar de radiación se suelen referir a las emisiones escritas en rojo.

Química y fenómenos nucleares

Ciertamente la radiación y los fenómenos nucleares son mantenidos como un asunto aparte en los círculos gubernamentales. De manera oficial, ni la entidad mexicana de acreditación ni el Centro Nacional de Metrología están directamente involucrados en la regulación de estos temas y en su lugar la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias (CNSNS) y el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) son los organismos encargados de ello.

En el área científica, los fenómenos nucleares generalmente se consideran como un tema ajeno a la química tradicional, ya que en las reacciones que transforman la materia de una sustancia a otra y que tradicionalmente se consideran “químicas” el protagonista es el electrón, el cual se transfiere de un átomo o molécula a otro o se comparte entre varios; en el núcleo diminuto e inalterado, el número de protones se limita a definir el elemento en cuestión al dictar el número de electrones que rodearán al átomo y que le darán sus propiedades químicas características y los neutrones proporcionan energía fuerte adicional para evitar que el núcleo de desintegre por la repulsión eléctrica entre protones. La variación en el número de neutrones origina la existencia de isótopos distintos para cada elemento con el mismo comportamiento químico pero estabilidad diferente.

En las reacciones nucleares que originan la radiactividad, los núcleos de los átomos se encuentran en una configuración temporal e inestable de protones y neutrones y se desintegran. Al hacerlo, el elemento en cuestión libera radiación y comúnmente transmuta en otro elemento diferente; si este núcleo también es inestable, se desintegra a su vez y la cadena de desintegraciones continúa hasta dar con un isótopo que sea estable, como el plomo.

Hay varias causas por las que pueden aparecer en el presente átomos con semejantes núcleos inestables: algunos elementos radiactivos naturales como el uranio y el torio tienen una tasa de desintegración extremadamente lenta y por lo tanto continúan persistiendo en la corteza terrestre desde la formación de la tierra y su desintegración sigue generando una cadena de isótopos radiactivos intermedios. En la actualidad también se producen isótopos radiactivos artificialmente para aplicaciones civiles y militares.

Tipos de radiación

La radiación liberada en reacciones nucleares es de varios tipos, cada uno con diferentes propiedades:

Emisiones nucleares. Los neutrinos atraviesan la materia sin causar daño y la emisión de protones es sumamente rara, por lo que no necesitan considerarse.

Efectos sobre los tejidos orgánicos

Si bien la generación de estas radiaciones se da en el núcleo del átomo, producto de las fuerzas fuerte y débil, el mecanismo del daño que producen a los tejidos biológicos es enteramente químico: las partículas alfa son altamente reactivas y pueden “robar” un par de electrones a la materia más cercana para convertirse en un átomo de helio; las partículas beta pueden convertir un átomo o molécula estable en un radical libre reactivo y peligroso; los rayos gamma con su alta energía pueden arrancar electrones de dichos átomos y moléculas y convertirlos en radicales libres o formas iónicas reactivas y, por último, los neutrones libres pueden ser absorbidos por los núcleos de los átomos irradiados y transformarlos a su vez en isótopos inestables que generarán las otras tres radiaciones. El resultado en todos los casos es similar: los átomos y moléculas afectados generan una cascada de reacciones aleatorias y desordenadas que destruyen las moléculas biológicas e interrumpen su función en las células. Cuando alteran o destruyen zonas del ADN, la molécula biológica más grande, compleja y susceptible de inutilizarse, la célula muta y al dividirse por mitosis o meiosis las células hijas pueden resultar defectuosas y morir o, peor aún, volverse cancerosas. Por este motivo, los tejidos más susceptibles al daño de la radiación son aquellos con la tasa más alta de reproducción: la médula ósea roja que crea las células de la sangre, la piel y el epitelio del aparato digestivo.

Exposición y factores de riesgo

Viendo todo esto, la pregunta queda en el aire: ¿cuán verdaderamente peligrosa es la radiación nuclear? El lector recibirá la temida respuesta “Depende”. Hay muchos factores que cuentan para determinar si una exposición es prácticamente inocua, de poco riesgo o peligrosa.

1. Contenido de isótopos radiactivos del material radiactivo. Puede ser alto como en una pieza de metal de iridio 142, o tratarse de una fracción sumamente baja como la del potasio 40, contenido en los compuestos comunes de potasio con los cuales tenemos contacto en la vida diaria.

2. Nivel de energía de la radiación. Cada desintegración específica emite radiación con niveles variables de energía. Incluso si el tipo de radiación emitida es la misma, a mayor energía existe más peligro de daño y penetración.

3. Actividad específica. Esta es la tasa con que cada isótopo emite radiación y depende de cuán rápido se desintegra, lo que usualmente se expresa como la vida media. Un elemento muy inestable es altamente activo y un elemento que se desintegra lentamente es poco activo; sin embargo, hay elementos cuya vida media suficientemente larga y cuya actividad sigue siendo peligrosamente elevada.

4. Tiempo de exposición. El total de radiación absorbida es proporcional al tiempo que uno se expone a la fuente.

5. Distancia de la fuente. A mayor cercanía a la fuente o a mayor área del cuerpo expuesta , mayor cantidad de rayos gamma absorbidos y mayor la probabilidad de ser impactado por partículas beta o neutrones.

6. Poder de penetración. El poder penetrante de la radiación actúa en doble sentido: durante la exposición a una fuente externa de radiación los rayos gamma son más peligrosos porque pueden atravesar fácilmente el aire circundante y la piel, pero cuando el material radiactivo es ingerido o inhalado (por ejemplo, con alimentos o agua contaminados) las partículas alfa son las más dañinas al no poder atravesar los tejidos y descargar la totalidad de su energía dentro del cuerpo.

7. Naturaleza química del elemento. Esta determina la facilidad con que puede diseminarse en el ambiente o absorberse y retenerse en el cuerpo: por ejemplo, el cesio 137 forma sales solubles y puede difundirse rápidamente por el ambiente con el agua; el estroncio 90, químicamente parecido al calcio, puede acumularse en los huesos si se ingiere. El comportamiento químico del isótopo afecta la manera en que éstos deberán procesarse y ultimadamente confinarse.

Capacidad de materiales de detener los distintos tipos de radiación. Las medidas de longitud se refieren al grosor necesario para aminorar la radiación.

Cuantificando la radiación

Al explorar y buscar la forma de medir la radiación se encontrará con un grupo de magnitudes y unidades interrelacionadas que puede confundirlo y dejando con más preguntas que respuestas. A continuación exponemos las más usuales partiendo de un ejemplo conceptual.

Empecemos con una pieza consistente en un isótopo radiactivo. A partir de la masa de la pieza y la masa atómica del isótopo podemos saber la cantidad de átomos que tiene y, conociendo su vida media, podemos estimar el número de átomos que se desintegran por unidad de tiempo. Esta magnitud es la actividad y su unidad se mide en Becquerel (Bq), que representa una desintegración por segundo. En un mundo de moles, es normal usar prefijos grandes con esta unidad como MBq o GBq. El Curie o Ci fue la unidad anterior para este propósito y equivale a 37 GBq, aproximadamente la actividad de 1 g de radio 226. Cada isótopo tiene una varias formas de desintegrarse; para cada una la energía de la radiación liberada por átomo desintegrado es fija, así que junto con la actividad puede puede calcularse la potencia (energía por tiempo) con que la fuente emite radiación. 

Hasta aquí las cantidades aplican sobre el material radiactivo en sí: las otras magnitudes se enfocan hacia los objetos que son irradiados, por lo que involucran necesariamente un evento de exposición. En este caso nos interesa la energía total que se absorbe, por lo que con el tiempo de exposición, la potencia de irradiación y las posiciones relativas entre la fuente y el receptor puede obtenerse la energía absorbida por unidad de masa irradiada, que se mide en Grays (Gy) o Rads. Como los efectos de la radiación varían según el tipo de radiación incidente se pondera la dosis absorbida para establecer la dosis equivalente y si también se pondera según las partes de cuerpo más irradiadas, se puede establecer la dosis efectiva. Estas dos magnitudes se distinguen de la dosis absorbida regular asignándoles una unidad diferente, el Sievert (Sv). En base a estas dosis se puede evaluar el riesgo de daños por la exposición.

Magnitudes relacionadas a la radiación e información requerida para estimarlas. La primera unidad corresponde al SI, la segunda fue la unidad anterior.

Medición de la radiación

En la práctica, hay varias mediciones disponibles. El contador Geiger-Mueller puede detectar los eventos de desintegración individuales como pulsos eléctricos, así que puede usarse para medir la actividad en un ambiente o aquella propia de una muestra de material radiactivo. Los espectrómetros gamma pueden medir la energía emitida por desintegración de los rayos gamma y pueden identificar el isótopo emisor. El dosímetro contiene un dispositivo del cual puede medir la energía total de su ionización, por lo que puede estimar la dosis absorbida o proyectar la dosis equivalente suponiendo ciertas condiciones de exposición estándar.

A la izquierda, contador Geiger. A la derecha, dosímetro.

Cuando interesa la seguridad radiológica de ítems como el agua o los alimentos se consideran como objetos irradiantes, así que les mide y reporta su actividad en términos de Bq / L o Bq / kg. La norma mexicana de agua potable, por ejemplo, maneja límites de radiactividad alfa y beta global.

Informarse es esencial para poder mantener una actitud racional y objetiva ante el fenómeno de la radiactividad. Esperamos que estos elementos le sirvan para que pueda adentrarse en artículos y textos relacionados.