Radioactividad: el convidado de piedra - Descubriendo la Física
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Radioactividad: el convidado de piedra

De Descubriendo la Física

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J. Desimoni, M. A. Taylor y L. Errico

Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas-UNLP, IFLP-CONICET

C. C. 67, 1900 La Plata


La palabra radioactividad es un término que en ocasiones genera temor debido, no sólo a la ignorancia que se tiene sobre el tema, sino también a los graves problemas que podría acarrear a la salud y al medio ambiente. El uso de materiales radioactivos ha generado y genera controversias en la sociedad y, muchas veces, este debate ha contribuido a aumentar los temores más que a clarificar el tema. En nuestro planeta existían elementos radioactivos antes de la aparición de la vida. Más aún, la radioactividad intervino en el “big-bang”que hace 20.000 millones de años dio lugar al Universo, y está presente en la Tierra desde su formación. Es decir, que el ser humano se desarrolló como tal en un planeta radioactivo, sujeto a la radioactividad, llamada de fondo natural, a la que contribuyen todos los elementos que constituyen el planeta y la radiación proveniente del espacio (radiación cósmica). Desde hace un siglo la humanidad descubrió la radioactividad, y desde entonces el hombre está aprendiendo a usar los elementos radioactivos, tanto en su beneficio como, desgraciadamente, para la guerra. La utilización de los materiales radioactivos ha generado una contribución adicional al fondo al que se ve sometido el hombre. En el presente articulo se desarrollarán una serie de conceptos básicos que pretenden contribuir a esclarecer las dudas más comunes referidas a la radioactividad.

Contenido

La radioactividad

La radioactividad no se puede percibir por el olfato, el gusto, el tacto, el oído ni la vista, tal vez por esta “invisibilidad” es que causa tanto miedo. Sólo en los últimos años se ha aprendido a detectarla, medirla y controlarla. Ahora, ¿qué es la radioactividad? Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones. En ciertas condiciones los núcleos pueden ser inestables y transformarse en otros mediante la emisión de partículas y radiaciones. A esta emisión se la llama radiactividad y el proceso se denomina desintegración radioactiva.

Figura 1: Bomba atómica arrojada en Nagasaki. Efectos de la detonación sobre las construcciones y vegetación

Tipos de radiaciones

Existen diferentes tipos de radiaciones capaces de ionizar la materia por donde pasan. Por ionizar la materia se entiende desprender electrones de los átomos. Si éstos forman parte de una célula, el comportamiento de la misma podría alterarse. Si el número de células involucradas es grande, entonces podría verse afectado el funcionamiento del organismo. Los núcleos que tienen un exceso de neutrones se hacen más estables emitiendo un neutrón, o bien, más frecuentemente, formando y emitiendo una partícula beta-, esto es, un electrón. En el caso que los núcleos tengan exceso de protones, éstos se hacen más estables mediante la emisión de una partícula beta+. Finalmente, cuando el núcleo está constituido por muchos neutrones y protones y tiene un exceso de neutrones, alcanza la estabilidad emitiendo una partícula alfa. Al formarse un nuevo núcleo, como consecuencia de uno o varios de los procesos antes mencionados, éste puede quedar en un estado excitado desde el cual pasará al estado más estable o fundamental, a través de la emisión de ondas electromagnéticas, como las de radio o la luz; pero de mayor energía. Estos son los llamados rayos gamma.

Período de semidesintegración

Los núcleos radioactivos se transforman a una velocidad característica que se expresa en las llamadas unidades de semivida. La semivida (t1/2 o vida media) es el tiempo necesario para que el número de átomos radioactivos se reduzca a la mitad. Las semividas de los elementos varían desde una fracción de segundo, hasta miles de millones de años. Por ejemplo, el Uranio-238 tiene una semivida de 4.500.000.000 años, el Radón- 226 tiene una semivida de 1.620 años y el Carbono-15 tiene una semivida de 2,4s.

Radiactividad natural y artificial

La radiación de origen natural es responsable de la mayor parte de la exposición a la radiación recibida por el ser humano y procede de fuentes externas, como los rayos cósmicos o los elementos radioactivos presentes en el suelo, en los materiales de construcción, y de fuentes internas derivadas de la inhalación e ingestión de elementos radioactivos naturales presentes en el aire, en el agua y en nuestra dieta diaria. En la corteza terrestre existen 68 elementos radioactivos. Los más importantes son el Potasio- 40, el Rubidio-87 y aquellos que integran las tres cadenas naturales: la serie del Uranio-235 compuesta por 17 elementos radioactivos, la serie del Uranio-238 compuesta por 19 elementos radioactivos y la serie del Torio-232 compuesta por 12 elementos radioactivos. Éstos, conjuntamente con la radiación de origen cósmico, constituyen la principal fuente de las radiaciones recibidas por los seres humanos. Los rayos cósmicos generan, por interacción con átomos de la atmósfera, radiaciones secundarias y los llamados radionucleídos cosmogénicos (Hidrógeno-3, Carbono-14 y algunos otros), que se incorporan a los organismos en forma natural. Los mismos, 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 35.000 años atrás: cuando un organismo muere, cesa de incorporar Carbono-14, y su concentración disminuye por la desintegración radioactiva. La medición de la concentración actual del elemento permite determinar el tiempo transcurrido entre la muerte y la fecha de medición. Para comprender mejor los efectos de la exposición a las radiaciones que sufre un ser humano promedio, es conveniente discutir la noción de dosis. La dosis de radiación se define como la energía depositada por una cierta radiación por unidad de masa corporal, si se habla de seres vivos. La dosis se expresa en unidades de Sievert (Sv), aunque es más utilizados sus submúltiplos, tales como el milisieverts (milésima parte de un Sievert, mSv). Según el UNSCEAR (Comité Científico de las Naciones Unidas sobre los Efectos de la Radiación Atómica), la dosis recibida por la población por exposición a la radiación natural depende de factores tales como el lugar de residencia, el tipo de vivienda que habita, la altitud sobre el nivel del mar, el régimen alimentario y en general los hábitos de vida de las personas. Por esta razón, el rango en que varían las dosis individuales recibidas como consecuencia de la exposición a las fuentes de radiación es muy amplio, pudiendo estar algunas personas expuestas a dosis de radiación muy superiores al promedio mundial. El siglo XX trajo aparejada la producción de nuevos elementos radioactivos, como el Cesio-137, que agregaron cantidades pequeñas al inventario de la radiactividad natural. Entre estas fuentes artificiales o antropogénicas, las más comunes son los televisores o los aparatos utilizados en algunas prácticas médicas. El porcentaje de la dosis total recibida por el ser humano originada en fuentes artificiales es, en promedio, del orden del 12% del total. La contribución por radiación generada en las centrales nucleares es sólo del 0,1 % del total, siendo la mayor contribución la proveniente de las prácticas médicas. Es asombroso como estos porcentajes se contraponen con los temores de la población. Basta comparar la contribución proveniente de las centrales nucleares en funcionamiento normal con la contribución del uso de televisores y electrodomésticos que constituye el doble de la anterior. En resumen la dosis promedio recibida por el hombre puede discriminarse de la siguiente manera:

- Radiación cósmica: 15% - Radiación de alimentos, bebidas, etc.: 17% Radiación de elementos naturales: 56% - Televisores y aparatos domésticos: 0.2% - Centrales nucleares: 0.1% - Radiografías médicas: 11.7 %


Tipos de Radiación

A modo de ejemplo, la dosis promedio anual recibida por un habitante de La Plata es 2.2 mSv siendo el promedio admitido internacionalmente de 2.4 mSv. En el siguiente cuadro se lista los valores promedio y aproximados de la dosis anual aceptados por el UNSCEAR:

Tabla 1: Dosis anual efectiva recibida por el hombre clasificadas por su origen.

Fuente de Exposición Dosis Efectiva Anual (mSv) Rayos Cósmicos 0.39 Rayos gamma terrestres 0.46 Elementos radioactivos en el cuerpo 0.23 Radón y sus productos de decaimiento 1.30 Total 2.40 La actividad es otro parámetro que se emplea para determinar la cantidad presente de un elemento radioactivo en un material. Se define como el número de núcleos radioactivos que se transforman por unidad de tiempo y se mide en becquerel (Bq). Los valores de guía de la actividad que pueden contener los alimentos han sido determinados por la Organización Mundial de la Salud y por el International Commission on Radiactive Protection. Estos datos se han establecido teniendo en cuenta los riesgos de la exposición a fuentes radioactivas y las consecuencias sobre la salud de las exposiciones. Por ejemplo, eligiendo uno de los elementos radioactivos naturales que contiene el agua potable, se ha establecido un nivel de guía 1Bq/l de Uranio-235.


Protección radiológica

Poder de frenado de diferentes materiales respecto de diferentes tipos de materiales

Un ser humano promedio no necesita protegerse da la radiactividad. Sin embargo, este no es el caso de todos los individuos. Determinados grupos de personas (operarios de plantas nucleares, radioterapistas, etc), pueden quedar expuestos a altos niveles de radiación. Es sabido que la radiación alfa es poco penetrante y puede ser detenida por una simple hoja de papel. El poder de penetración de las partículas beta es mayor que las alfa. Son frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o unos centimetros de agua. Los fotones gamma constituyen una radiación muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética, de los tres tipos de radiación es la más peligrosa. Los eventuales riesgos para la salud de estos trabajadores pueden ser moderados tomando recaudos simples, algo semejante a lo que hacemos cuando queremos protegernos de los rayos del sol, usamos filtros solares y reducimos el tiempo de exposición:

1.)Interponiendo obstáculos (blindaje) entre la radiación y el trabajador. 2.)Alejando al trabajador de la fuente radioactiva 3.)Reduciendo el tiempo de exposición, tiempo durante el cual el individuo permanece en el campo de irradiación.

El uso de equipos adecuados permite reducir la cantidad de radiación absorbida en usos médicos. En el caso de las centrales nucleares, los muros de cemento limitan el riesgo de los trabajadores. Una adecuada contribución de barreras de protección y una distancia suficiente al elemento radioactivo permiten manipular con seguridad objetos muy radioactivos. Para reducir al máximo la exposición a las radiaciones, los operadores efectúan distintos entrenamientos antes de pasar a realizar sus tareas en zonas radioactivas. De este modo, es posible reducir una parte de la dosis recibida. Los procedimientos de seguridad están claros en el caso de los trabajadores de plantas nucleares pero no así en otras aplicaciones.

Datos interesantes

Entre dos latidos del corazón y como consecuencia de todos los elementos radioactivos que constituyen naturalmente nuestro cuerpo, entre 8.000 y 10.000 núcleos se desintegran en nuestro interior. Dicho de otra forma, somos una pequeña fuente radioactiva con una actividad de unas 8.000 desintegraciones por segundo (8.000 Bq). Cada hora, unos 30.000 núcleos se desintegran en nuestros pulmones a causa, simplemente, del aire que respiramos. Debido a los alimentos que consumimos, unos 15 millones de núcleos de Potasio-40 y unos 7.000 de Uranio natural se desintegran en nuestros cuerpos. Más de 200 millones de rayos gamma provenientes del suelo y de los materiales de construcción nos atraviesan cada hora. Varios cientos de miles de rayos cósmicos secundarios "visitan" nuestro cuerpo. A modo de ejemplo, y para tener una idea de a que nos estamos refiriendo, podemos citar que un litro de agua tiene una actividad natural aproximada de 60 Bq, un niño de 5 años una actividad natural de 600 Bq, un adulto de 70 kg una actividad natural de 10.000 Bq, una tonelada de granito una actividad de 7 a 8 millones de Bq, mientras que 1 gramo de Radón tiene una actividad de 37.000 millones de Bq. Así, si tomamos como ejemplo al Polonio-210 (elemento radioactivo producido naturalmente en la cadena del Torio-232), podemos ver en el siguiente cuadro como varia su concentración en diferentes productos alimenticios:

Tabla 3: Actividad de Polonio-210 incorporada en diferentes alimentos. Alimento mBq/kg Calamar 1790 Merluza 547 Yerba Mate (litro) 250 Tomate 35 Espinaca 32 Café (litro) 27 Té (litro) 27 Coliflor 22 Papa 16 Arroz 11

Se ha mencionado que la radiación de origen natural es responsable de la mayor parte de la exposición a la radiación recibida por el ser humano Seguramente causaría asombro entre los lectores saber que la mayor parte de exposición se produce en el interior de nuestras casas. El Radón, mas concretamente el Rn-222, es un gas radiactivo de origen natural. Es un gas inerte, de la familia de los denominados "gases nobles", no se combina con ningún otro elemento químico y es extremadamente móvil, puede atravesar incluso las paredes de los edificios. Aunque en muy pequeña proporción, forma parte del aire que respiramos y es incoloro, inodoro e insípido. Su periodo de semidesintegración es tan sólo de 3,8 días. De cada centímetro cuadrado de suelo “emergen” unos seis átomos de Radón por segundo, que se dispersan por el aire. Esto ocurre de manera constante en la naturaleza. Cuando la gente construye edificios y casas, este proceso no es afectado de ninguna manera. La única diferencia es que el Radón, en su camino hacia la superficie, atraviesa cimientos y contrapisos a través de grietas y fisuras. Luego es atrapado en el interior de la vivienda durante algún tiempo, al menos hasta que se haga circular el aire en la casa y el Radón sea llevado hacia el exterior, donde se dispersa. En las casas antiguas, el Radón escapa al exterior en la misma forma en que ingresó: a través de grietas y fisuras. Por lo tanto, los niveles de Radón no son elevados. Pero en casas modernas, donde se han sellado las aberturas para mantener el calor en invierno (o las bajas temperaturas en verano), el ingreso de Radón no se altera, pero sí la velocidad de salida al exterior. Por lo tanto, el Radón queda atrapado en el interior de la vivienda, aumentando así su concentración. Se han detectado viviendas en las cuales los niveles de Radón son 100 veces más altos que en el exterior. Consecuentemente, es conveniente abrir la ventana todas las mañanas, como lo hacían nuestros abuelos, aunque ello implique que se enfríe la casa. Ahora bien, qué sucede en los jardines de las casas? Supongamos un jardín cualquiera de 400m2. al se le retira toda la tierra hasta un metro de profundidad. Si se analiza dicha tierra, se encuentra que contiene 7.000 kg de Potasio, conteniendo 800 gramos de Potasio-40, que es radioactivo. También contendrá 6 kg de Torio radiactivo y los elementos asociados a su decaimiento y alrededor de 2 kg de Uranio. Es importante entender que este material radiactivo está allí desde la formación del planeta y contribuye a la radioactividad natural a la que esta expuesto el ser humano desde su aparición sobre la Tierra.

Contaminación

Hoy en día, existe una gran preocupación a nivel mundial por proteger nuestro medio ambiente. Es por todos conocido que el arrojar productos contaminados a nuestros lechos naturales o a basureros donde muchas personas tienen prácticamente libre acceso es un serio problema que requiere una pronta solución. Las sustancias radioactivas artificiales que no están confinadas adecuadamente pueden esparcirse produciendo la contaminación de superficies, objetos o personas. Cuando se consideran las diferentes vías de llegada de elementos radioactivos al hombre, esquematizadas en la figura 4, y sus efectos, se debe considerar la capacidad de ciertos peces, ballenas y moluscos de incrementar la concentración de éstos en su carne, respecto a la existente en el agua. Igualmente tienen esta capacidad de concentración algunos animales terrestres y plantas. Dependiendo del tipo de elemento radioactivo o de la especie que se estudia, este incremento de la concentración puede alcanzar varios cientos de veces el valor natural. El 26 de abril de 1986 una explosión en la central nuclear de Chernobyl liberó a la atmósfera una gran cantidad de material radioactivo. A causa del accidente de Chernobyl fueron evacuadas 135.00 personas que habían estado sometidas a una dosis promedio de 16.000 Sv. Un informe realizado 15 años después del accidente ha confirmado que las consecuencias de la contaminación radioactiva podrían haber sido aún menores si se hubieran aplicado medidas sencillas como ser, la prohibiendo el consumo de alimentos frescos provenientes de la zona durante algunas semanas.

Por este motivo, en caso de accidente en un reactor o de la detonación de una bomba, las autoridades deben indicar a la población que alimentos deben ingerirse. Además se debe realizar un control de todos los alimentos que constituyen la dieta. Estas dos acciones permiten minimizar la incorporación de los elementos radioactivos por ingesta

Reflexiones finales

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En las últimas décadas ha habido una concienciación cada vez mayor de que la calidad del aire, del agua, del suelo y de los alimentos influye en la calidad de nuestra salud y de nuestras vidas. Las causas de los diversos problemas sanitarios relacionados con el medio ambiente son numerosas y comprenden la contaminación generada por los transportes, la actividad agrícola, los procesos industriales, los efluentes domésticos y los desechos. Afrontar los problemas sanitarios relacionados con el medio ambiente requiere por tanto acciones e iniciativas en muchos frentes diferentes. Para esto es importante conocer nuestro derecho a vivir en una ambiente limpio y nuestra obligación de preservarlo así.

En particular, en lo que refiere a la contaminación producto del uso de los materiales radioactivos es importante conocer, después de las detonaciones nucleares atmosféricas y del accidente de Chernobyl, los niveles actuales de los elementos radioactivos en el medio ambiente así como su composición para poder identificar con premura cambios en alguno de estos factores y poder proceder a una rápida respuesta. Para preparar políticas adecuadas basadas en información fiable necesitamos conocimientos sobre los actuales problemas de medio ambiente, su distribución geográfica y las tendencias socioeconómicas que a menudo impulsan la degradación del mismo. Finalmente, y a modo de conclusión, es importante destacar que a lo largo de los años la humanidad ha aprendido a convivir con la radiactividad, sacando provecho de sus aplicaciones tecnológicas y médicas. A la radiactividad no debe temérsele, sino respetarla. Los problemas provenientes de la radioactividad son originados por el hombre cuando la utiliza inadecuadamente.


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