Tema 8: Aplicaciones de la Radiactividad 1. 1.1.

Dataci´ on Fluctuaciones estad´ısticas

Hemos visto en el cap´ıtulo 3 que las leyes de la desintegraci´on son de naturaleza estad´ıstica. Esto quiere decir que no se puede predecir con certeza el instante en que se desintegrar´a un n´ ucleo concreto. Sin embargo, La utilidad de las leyes estad´ısiticas se hace evidente para muestras numerosas. Si el n´ umero inicial de n´ ucleos N es suficientemente grande, se puede predecir con mucha precisi´on, por ejemplo, cu´ando se desintegrar´a la mitad de ellos: transcurrido un tiempo igual a la semivida T . En efecto, las fluctuaciones estad´ısticas asociadas a la desintegraci´on de ucleos √ N/2 n´ son del orden de la desviaci´on t´ıpica de la distribucion de Poisson σ = N . Por tanto es de esperar que el error relativo cometido al √ suponer que √ transcurrido un tiempo T se han desintegrado N/2 n´ ucleos es del orden de N /N = 1/ N . Para un n´ umero grande 24 −12 de n´ ucleos N ∼ 10 este error relativo es de 10 , es decir, que la fracci´on de n´ ucleos 1 −12 presentes en la muestra transcurrido un tiempo T es de 2 ± 10 . Esto sugiere que se puede usar la desintegraci´on de los n´ ucleos radiactivos como un reloj para controlar el paso del tiempo con mucha precisi´on. Si se conoce la constante de desintegraci´on λ, se puede utilizar el decrecimiento de la actividad de una muestra para medir el tiempo. Este procedimiento presenta dificultades cuando intentamos aplicarlo a desintegraciones con semi-vidas en la escala geol´ogica (∼ 109 a), ya que no se detecta cambio en la actividad. En este caso hay que usar el n´ umero relativo de n´ ucleos padre e hijo observados actualmente y compararlo con el n´ umero relativo cuando el material (por ejemplo, una roca o mineral) se form´o.

1.2.

Dataci´ on a escala geol´ ogica

Consideremos el caso m´as simple de una desintegraci´on A → B. Supongamos que se puede determinar (por ejemplo, mediante m´etodos qu´ımicos) el n´ umero de a´tomos NA (t) y NB (t) presentes en una muestra en el instante t. Se tiene: NA (t) = NA (0)e−λt

(1)

Dividiendo por NA (0) y tomando logaritmos −λt = ln

NA (t) NA (0)

(2)

de donde, utilizando NA (0) = NA (t) + NB (t) y despejando t 1 NB (t) 1 NA (t) + NB (t) = ln 1 + t = ln λ NA (t) λ NA (t)

1

!

(3)

Dada la constante de desintegracion λ, la edad de la muestra est´a determinada por la abundancia relativa NB /NA en el instante t. Para obtener la expresi´on anterior hemos supuesto que inicialmente no hay n´ ucleos hijo presentes NB (0) = 0 y que no han escapado a´tomos A y B de la muestra desde que se form´o. Supongamos ahora que inicialmente hay cierta cantidad NB (0) de a´tomos hijo. Ahora se tiene NA (0) + NB (0) = NA (t) + NB (t). (4) Puesto que hemos introducido una nueva inc´ognita, NB (0), ya no es posible obtenr directamente el tiempo t, sino que NB (t) = NB (0) + NA (0) − NA (t) = NB (0) + NA (t)(eλt − 1)

(5)

No obstante, en muchos casos de inter´es tambi´en est´a presente en la muestra un is´otopo distinto del hijo B 0 que, o bien no es radiactivo o bien no se form´o a partir de A. Si B 0 es estable entonces su concentraci´on es constante y podemos escribir NB (0) NA (t) λt NB (t) = + (e − 1) NB 0 (t) NB 0 (0) NB 0 (t) Las razones

NB (t) NB 0 (t)

y

NA (t) NB 0 (t)

(6)

pueden medirse en el laboratorio, pero a´ un aparecen dos inc´ognitas

. en esta ecuaci´on: el tiempo t y la raz´on isot´opica inicial NNB0(0) B (0) No obstante, es de esperar que los minerales que tienen or´ıgenes comunes cristalizaran en la misma ´epoca y tengan edades y razones isot´opicas id´enticas, aunque la concentraci´on de n´ ucleos A pueda ser muy diferente. Por tanto, es de esperar que existan minerales con distintas razones NNB0(t) y NNA0(t) pero con iguales valores de T y NNB0(0) . Esta hip´otesis se puede (t) (t) (0) B

B

verificar representando gr´aficamente y =

NB (t) NB 0 (t)

B

frente a x =

NA (t) para distintos minerales. NB 0 (t) NB (0) = N 0 (0) y pendiente b = eλt −1 B

La ecuacion (6) corresponde a una l´ınea recta y = a+bx con a de donde se puede determinar la concentraci´on inicial y la edad t. En la figura 1 vemos un ejemplo de este procedimiento aplicado a la desintegraci´on 87

Rb −→

87

Sr (T = 4,8 × 101 0 a)

(7)

en donde la comparaci´on se hace con respecto a la concentraci´on del elemento estable 86 Sr. Los datos indican que la edad de la tierra es del orden de t = 4,5 × 109 a˜ nos. El buen ajuste lineal indica que la suposici´on de que no ha habido p´erdida de n´ ucleos padre e hijo es correcta. Otros m´etodos similares de dataci´on de minerales de la tierra, luna y meteoritos dan una edad com´ un de 4,5 × 109 a. Los posibles m´etodos incluyen la desintegraciones 40

K −→ 40 Ar 235 U −→ · · · −→207 Pb 238 U −→ · · · −→206 Pb 2

x x

.95

x x

.90

87 Sr 86 Sr

.85

.80

9 t=4.53 x 10 a 9 dt=0.04 x 10 a

x xx x x x

.75

xx

xx x x

.70 0.5

1.0

1.5

2.0

Rb

87

/ Sr

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

86

Figura 1: M´etodo de rataci´on de Rb/Sr con presencia de 87 Sr. El comportamiento lineal es consistente con la edad comun de los diversos minerales, obteniendose una concentraci´on inicial de N (87 Sr)/N (86 Sr) = 0,7003 ± 0,0004.

1.3.

Dataci´ on de materia org´ anica por el m´ etodo del carbono 14

Ya hemos comentado brevemente el m´etodo de dataci´on del 14 C en el cap´ıtulo anterior. La materia org´anica absorbe continuamente CO2 de la atm´osfera, conteniendo principalmente 12 C (98.89 %) y 13 C (1.11 %), ambos estables. El 14 C radiactivo se forma continuamente en la alta atm´osfera debido a la acci´on de los rayos c´osmicos sobre el nit´rogeno atmosf´erico. Toda la materia viviente posee un cierto contenido de 14 C. Como la tasa de producci´on del 14 C ha sido relativamente constante durante miles de a˜ nos, el tejido org´anico alcanza el equilibrio de su carb´on con el carb´on atmosf´erico, siendo la concentraci´on relativa de 1 a´tomo de 14 C por cada 1012 de 12 C. La semivida del 14 C es de 5730 a, por lo que un gramo de carbono presenta una actividad de 15 desintegraciones por minuto. Cuando un organismo muere, pierde el equilibrio con el carb´on atmosf´erico, deja de absorber 14 C y la concentraci´on de ´este disminuye de acuerdo con la ley de desintegraci´on radiactiva. La edad de una muestra de tejido se puede determinar midiendo la actividad 3

espec´ıfica de su contenido en carb´on. La validez de este m´etodo se basa en la producci´on constante de 14 C durante los u ´ ltimos 50000 a˜ nos. Esto se puede justificar mediante comparaci´on con otros m´etodos de dataci´on (como grabaciones hist´oricas o contaje de anillos de los a´rboles). En milenios posteriores es posible que este m´etodo no pueda ser aplicable, debido a que durante los u ´ ltimos 100 a˜ nos la 12 quema de combustible f´osil ha aumentado la concentraci´on de C en la atm´osfera, mientras que las pruebas de armas nucleares han incrementado el contenido de 14 C, posiblemente doblando su concentraci´on.

2. 2.1.

An´ alisis de elementos An´ alisis de activaci´ on por neutrones (NAA)

En el an´alisis de activaci´on por neutrones (NAA) una peque˜ na muestra del material a analizar se expone a un flujo de neutrones t´ermicos provenientes de un reactor. Algunos de los n´ ucleos estables pueden absorber un neutr´on mediante la reacci´on (n, γ). Muchos de estos n´ ucleos son radiactivos y se desintegran β − con emisi´on posterior de un fot´on. Los distintos rayos γ son caracter´ısticos de cada desintegraci´on particular. Por tanto, analizando los rayos γ emitidos por la muestra “activada”, es posible determinar los elementos presentes (mediante la energ´ıa) y su cantidad (mediante la intensidad de los rayos γ). Se usan ordenadores y analizadores multicanal para determinar autom´aticamente las energ´ıas. El m´etodo de NAA es no destructivo, puesto que, aparte de una peque˜ na actividad inducida (que disminuye con el tiempo), la muestra queda intacta tras el an´alisis. Por ello el NAA es u ´ til para an´alisis de muestras valiosas (cuadros y objetos antiguos), en an´alisis forense y en investigaciones criminales. Por el contrario, los an´alisis qu´ımicos ordinarios requieren que la muestra sea vaporizada, disuelta, quemada o alterada permanentemente por otros medios. El l´ımite de detecci´on de un elemento presente en una muestra depende de la secci´on eficaz de captura neutr´onica y del tiempo de vida del n´ ucleo resultante. Dependiendo del n´ ucleo, se logran l´ımites de detecci´on que oscilan entre 10−6 –10−5 µg para el Mn y 0,1-1 µg para el Zr (ver figura 2). El m´etodo de NAA tiene aplicaciones en cualquier a´rea donde sea necesario el conocimiento cuantitativo de cantidades min´ usculas de materiales presentes en una muestra. Por ejempo, los polucionantes atmosf´ericos pueden recogerse y analizarse. En an´alisis forense esta t´ecnica es apliamente aplicada. Por ejemplo, la munici´on de armas de fuego contiene compuestos de Ba y Sb y el disparo de una pistola deja residuos de estos elementos la mano en cantidades del orden del µg, que ser´ıan indetectables por las t´ecnicas convencionales. Sin embargo, estos residuos est´an 1000 veces por encima del umbral de detecci´on del NAA para Ba y Sb.

2.2.

Emisi´ on de rayos X inducida por part´ıculas (PIXE)

En esta t´ecnica, se coloca una muestra delgada del material en un acelerador de part´ıculas y se bombardea con protones, part´ıculas α o iones pesados. La interacci´on produce ionizaci´on de los a´tomos del blanco, que emiten sus rayos X caracter´ısticos. Como la energ´ıa de los rayos 4

Figura 2: Espectro de rayos γ obtenido por activaci´on neutr´onica de una muestra de cabello humano. El espectro (a) fue obtenido 4 h despu´es de la irradiaci´on, y el espectro (b) 4 semanas m´as tarde. Entre los elementos encontrados se incluyen: mercurio, oro, zinc, cobre, ars´enico, antimonio, manganeso y selenio.

5

X depende del n´ umero at´omico Z del material, observando los rayos X emitidos podemos identificar los diversos elementos que componen el material. A partir de la intensidad de los rayos X se puede determinar la proporci´on relativa de los distintos elementos en la muestra. Mediante esta t´ecnica se pueden detectar cantidades del orden de 10−4 µg de material, lo que la hace comparable al NAA en cuanto a sensibilidad.

Figura 3: Espectro PIXE.

3. 3.1.

Aplicaciones de la desintegraci´ on alfa Bater´ıas nucleares

La desintegraci´on α de los n´ ucleos pesados de vida larga poseen dos caracer´ısticas importantes: las part´ıculas α se emiten con energ´ıas definidas y la tasa de emisi´on es pr´acticamente constante (si la vida media es suficientemente larga). Consideremos por ejemplo la desintegraci´on del 238 Pu (t1/2 = 86 a). El valor Q es de 5.6 MeV y la actividad espec´ıfica es de AE = 6 × 1011 Bq/g. Puesto que cada desintegraci´on libera 5.6 MeV, la potencia liberada por unidad de masa es de P =

6 × 10

11 desintegraciones/s

g

!

= 0,6 W/g

5,6 × 106 eV (1,6 × 10−19 J/eV) desintegracion !

(8)

Cada gramo de Pu produce una potencia de 0.6 W. Aunque esto no es suficiente para calentar o iluminar una casa, es adecuado para alimentar circuitos el´ectricos simples y tiene la enorme ventaja de que contin´ ua operando a una velocidad pr´acticamente constante durante a˜ nos, 6

incluso bajo condiciones muy adversas (en el vac´ıo y a las bajas temperaturas del espacio, por ejemplo) y s´olo necesita ser reemplazada transcurridas escalas de tiempo del orden de su semi-vida. Este tipo de bater´ıas se utilizan en muchas aplicaciones, desde marcapasos card´ıacos hasta en la nave espacial Voyager que fotografi´o J´ upiter, Saturno y Urano. En los marcapasos card´ıacos, la energ´ıa de la part´ıcula α se deposita en forma de calor y convertida en un pulso el´ectrico mediante un convertidor termoel´ectrico. Son capaces de producir del orden de 300 µW de potencia ele´ctrica y lo hacen continuamente, limitados s´olamente por la semivida de 86 a˜ nos del 238 Pu.

3.2.

Detectores de humo

Los detectores de humo contienen una peque˜ na cantidad de 241 Am (t1/2 = 433 a˜ nos) cuyo valor Q es de 5.6 MeV. Bajo condiciones normales las part´ıculas α ionizan las mol´eculas de aire en el detector. Los iones formados son atra´ıdos por dos electrodos y cierran un peque˜ no circuito de corriente estacionaria en el dispositivo. Los productos de la combusti´on contienen a´tomos pesados ionizados. Cuando ´estos penetran en el detector, colisionan con los iones responsables de la corriente estacionaria. Se produce entonces una disminuci´on en dicha corriente, lo cual pone en marcha una alarma. El dispositivo se activa no s´olo por las part´ıculas visibles de humo (como en el caso del detector fotoel´ectrico) sino por los iones cargados invisibles que resultan de la combusti´on.

4. 4.1.

Aplicaciones m´ edicas de diagn´ ostico Rayos X

Los rayos X pueden atravesar f´acilmente los tejidos blandos del cuerpo, pero son atenuados por los huesos. Por lo tanto, las fotograf´ıas con rayos X pueden revelar la estructura detallada del esqueleto humano y son de indudable utilidad para el diagn´ostico de lesiones o´seas. Sin embargo, los rayos X tienen sus limitaciones: no son muy efectivos para diferenciar entre diferentes tipos de tejido blando (localizaci´on de tumores) y producen una imagen tridimensional, pero plana, que, incluso aunque revele una anormalidad, no indicar´ıa la profundidad de la misma. Adem´as, parte del tejido blando de inter´es puede ser apantallado u obscurecido por los huesos, como por ejemplo el cerebro dentro del cr´aneo. Una t´ecnica mejorada consiste en introducir un material no radiactivo de alto Z, como bario o iodo, en un o´rgano espec´ıfico. Porteriormente se toma una radiograf´ıa. Puesto que el cuerpo contiene una proporci´on muy peque˜ na de elementos de alto Z, su introducci´on resulta en una imagen muy detallada. Es muy com´ un el uso de esta t´ecnica utilizando bario, por ejemplo, como medio de contraste para estudios del tracto gastrointestinal.

7

4.2. 4.2.1.

Formaci´ on de im´ agenes mediante rayos gamma Tiroides

Si introducimos en el cuerpo ciertos is´otopos emisores de rayos γ, los rayos emitidos pueden utilizarse para producir una imagen de cierta parte del cuerpo. Una aplicaci´on muy simple de esta t´ecnica es el estudio de la absorci´on de iodo por el tiroides. El iodo radioactivo se ingesta oralmente y se coloca un detector γ cerca del cuello que mide el incremento de la actividad con el tiempo a medida que el iodo es absorbido por la gl´andula tiroidea. Originalmente se utilizaba 131 I para estos estudios. El 131 I es un producto de la fisi´on con una semivida de 8 d´ıas. Esta semi-vida es demasiado larga, puesto que el tiempo de observaci´on del tiroides es, como mucho, de unas horas, y la dosis absorbida por el paciente resultar´ıa excesiva. Adem´as el 131 I emite part´ıculas β de alta energ´ıa, que no son contribuyen al procedimiento de diagn´ostico, pero que elevan la dosis a 3 rads por µCi de 131 I. Normalmente se usan varios µCi, lo que eleva la dosis a valores superiores a 30 rads. Un elemento alternativo es el 132 I (2.3 h), que es hijo del producto de fisi´on 132 Te (78 h). El 132 I se puede separar del Te disolviendo el iodo en un l´ıquido donde el 132 Te no es soluble. M´as recientemente se viene usando el 123 I (13 h), que emite un rayo γ de 159 keV y la dosis absorbida es de s´olo 2 rads por 100 µCi, mucho menor que en el caso del I-131 y 132, y su semi-vida es la ideal para la prueba. 4.2.2.

Ri˜ nones.

Tambi´en se puede estudiar el funcionamiento de los ri˜ nones inyectando un compuesto con I (intravenoso). Cada ri˜ non es observado con un detector γ y, mediante comparaciones de la velocidad de absorci´on del 131 I por ambos ri˜ nones, se pueden descubrir des´ordenes en un ri˜ non. El paciente recibe una dosis relativamente peque˜ na de radiaci´on porque el compuesto es eliminado casi completamente de la sangre tras su paso por los ri˜ nones y posteriormente excretado.

131

4.2.3.

Scanner de rayos gamma.

En la actualidad existen muchos productos farmac´euticos conteniendo is´otopos radiactivos. Eligiendo un compuesto que tienda a acumularse en un o´rgano espec´ıfico se puede conseguir una concentraci´on local del radiois´otopo. Midiendo la distribuci´on espacial de la radiaci´on emitida se puede obtener una imagen completa del o´rgano (al contrario que una simple medida de la radioactividad acumulada). Una posibilidad es usar un detector de centelleo para explorar un a´rea del cuerpo. Se utiliza un colimador estrecho para observar s´olo una peque˜ na a´rea (2–3 mm de di´ametro) y se explora la totalidad de un a´rea rectangular, almacen´andose los registros de intensidad. Incluso se puede utilizar un colimador dise˜ nado para explorar a una cierta profundidad. El is´otopo que se usa m´as frecuentemente en estas exploraciones γ es el 99m Tc (6 h), que es hijo del 99 Mo (66 h) obtenido, bien por fisi´on o por captura neutr´onica por 98 Mo. El Tc puede ser separado por medios qu´ımicos y tiene la ventaja de que emite un u ´ nico rayo γ de 140 keV (sin β), lo que permite el dise˜ no de colimadores muy precisos.

8

Figura 4: Dise˜ no de colimadores para una c´amara de rayos gamma. 4.2.4.

Scanner del cerebro.

Uno de los usos m´as comunes de las t´ecnicas de im´agenes por rayos γ consiste en la generaci´on de im´agenes del cerebro. Esto es posible debido a que, en condiciones normales, el cerebro absorbe en muy poca cantidad las impurezas contenidas en la sangre. Sin embargo, si hay una enfermedad o un tumor, el 99m Tc se puede concentrar en la regi´on afectada, lo que ser´a revelado en la imagen de rayos γ. 4.2.5.

C´ amaras de rayos gamma.

La t´ecnica de exploraci´on γ posee el inconveniente de que s´olo se mide cada vez la actividad de una peque˜ na regi´on del cuerpo y el resto se desaprovecha y contribuye a proporcionar una dosis de radiaci´on innecesaria al paciente. La c´amara de rayos γ es un dispositivo capaz de almacenar de una vez la imagen completa de un a´rea grande. La imagen se obtiene en varios minutos, lo que permite estudios din´amicos de la evoluci´on de las funciones corporales. Un esquema de tal aparato se muestra en la figura siguiente. La radiaci´on penetra en la c´amara a trav´es de uno de los m´ ultiples colimadores y golpea un gran cristal centelleador. La luz de centelleo proviniente de un punto concreto del centellador es recogida en parte por varios de los 19 tubos fotomultiplicadores que lo recubren, con distintas intensidades relativas, que dependen de la distancia entre cada tubo y el punto de centelleo. A partir de las intensidades relativas registradas en los diferentes tubos, es posible determinar el punto donde el fot´on original golpe´o al centelleador. A partir de esta informaci´on almacenada para gran n´ umero de fotones se puede reconstruir una imagen del o´rgano.

9

Figura 5: Scanner del cerebro con un detector de centelleo colimado. Se observa un tumor.

fotomultiplicadores centelleador colimador o ´rgano

Figura 6: C´amara de rayos gamma

10

Figura 7: Geometr´ıa de un scanner CAT 4.2.6.

Tomograf´ıa y scanner cerebral

Mediante esta t´ecnica se puede formar la imagen de una “rebanada” espec´ıfica de los o´rganos internos. En la tomograf´ıa lineal con rayos X, un tubo de rayos X y una pel´ıcula se mueven simult´aneamente en direcciones opuestas, de forma que los puntos fijos de un plano espec´ıfico del cuerpo mantengan su imagen en la pel´ıcula, mientras que los puntos fuera de dicho plano producir´an imagen movida o difuminada. El resultado es una imagen enfocada del plano seleccionado, con los dem´as planos difuminados pero superimpuestos en la imagen, lo que ocasiona una p´erdida considerable de contraste. Las im´agenes tomogr´aficas actuales se producen haciendo pasar un gran n´ umero de haces de rayos X a trav´es de la regi´on de inter´es y desde muchas direcciones diferentes. Determinando la p´erdida de intensidad de cada haz se obtiene la absorci´on relativa a lo largo de una direcci´on particular. A partir de estas proyecciones monodimensionales del perfil del cuerpo es posible reconstruir una imagen bidimensional con ayuda de un ordenador. En los scanners modernos el paciente es rodeado por un anillo con cientos de detectores de rayos X y la fuente de rayos X se mueve alrededor del paciente. Esta t´ecnica se denomina tomograf´ıa axial computerizada o CAT (Computerized Axial Tomography). En Espa˜ na se conoce por las siglas TAC (tomograf´ıa axial computerizada). Se puede obtener una imagen completa en varios segundos, con una resoluci´on del orden del mm. Otra t´ecnica es la tomograf´ıa por emisi´on de positrones o PET (Positron-emission tomography). Se introducen is´otopos emisores de positrones en el a´rea a estudiar y se detectan en coincidencia los dos fotones de 0.511 MeV resultantes de la aniquilaci´on e− − e+ . Para ello se rodea al paciente por un anillo de detectores γ. Los dos fotones se mueven en direcciones opuestas y golpean dos detectores opuestos en el anillo. A partir de un gran n´ umero de tales eventos es posible reconstruir la distribuci´on original de radiois´otopos y formar una imagen del a´rea. Entre los is´otopos usados est´an el 15 O (2 min), 13 N (10 min), 11 C (20 min) y 18 F (20 min), los cuales deben producirse en un ciclotr´on que debe estar instalado pr´oximo al 11

Figura 8: Fotograf´ıa del paciente en el interior de una m´aquina de scanner CAT.

Figura 9: Scanner del cerebro con la t´ecnica CAT

12

Figura 10: Geometr´ıa de la tomograf´ıa por emisi´on de positrones o PET.

Figura 11: Scanner del cerebro obtenido con la t´ecnica PET. a´rea de diagn´ostico, dada la corta vida de tales is´otopos. En el caso de scanners cerebrales, la PET ofrece muchas ventajas sobre la CAT, puesto que ´esta u ´ ltima es esencialmente est´atica y muestra s´olo la densidad del tejido, mientras que la PET puede revelar efectos din´amicos, como el flujo de sangre. Por ejemplo, una imagen PET del cerebro tomada despu´es de inhalar 15 O mostrar´a las regiones del cerebro pobres en ox´ıgeno como resultado de un flujo de sangre anormalmente reducido. Utilizando glucosa con 18 F se puede observar el metabolismo cerebral, puesto que las zonas m´as activas concentrar´an dicho is´otopo.

5.

Aplicaciones m´ edicas de terapia

El principal uso terap´eutico de las radiaciones nucleares es la destrucci´on del tejido inservible o con malfuncionamientos, como un tumor cancer´ıgeno o una gl´andula del tiroides 13

hiperactiva. Este efecto destructor se produce en varios pasos: 1. La radiaci´on ioniza los a´tomos en las mol´eculas del material irradiado. Este cambio f´ısico ocurre en una escala temporal del orden de 10−16 s. 2. Las mol´eculas ionizadas participan en reacciones qu´ımicas que producen radicales libres u otras mol´eculas excitadas. Este es un cambio qu´ımico que ocurre en una escala temporal de 10−15 -10−3 s. 3. Estos radicales libres pueden incorporarse en estructuras biol´ogicas a nivel molecular y alteran su funci´on biol´ogica. Los efectos de estos cambios biol´ogicos pueden aparecer en cuesti´on de horas o quiz´a a˜ nos.

5.1.

Tumores

En este tipo de terapias ser´ıa deseable concentrar la radiaci´on sobre el a´rea enferma y simult´aneamente minimizar la exposici´on en el a´rea circundante. Debido a su gran penetraci´on, la radioterapia se ha realizado tradicionalmente con rayos X y γ, con el riesgo de da˜ nar el tejido sano. Estos riesgos se minimizan haciendo girar la fuente alrededor de un eje que pasa por el tumor, de manera que el a´rea de piel y tejido irradiados son mucho mayores y el da˜ no es menor. Generalmente se usa una fuente radiactiva que se gira alrededor del paciente. Se pueden usar fuentes de hasta 10 000 Ci de 60 Co. Otra forma de minimizar el da˜ no al tejido sano es colocar la fuente de radiaci´on dentro del tumor implantando agujas o gr´anulos de radio. Existen, por ejemplo, agujas s´olidas hechas de 60 Co o de 198 Au. Tambi´en se pueden inyectar soluciones coloidales de 198 Au o 90 Y en el tumor.

5.2.

Tiroides. Gl´ obulos rojos

El iodo tiende a acumularse en la gl´andula del tiroides. Si la actividad de esta gl´andula es demasiado grande, puede reducirse y mantenerla controlada mediante la administraci´on oral de 131 I. La superproducci´on de los gl´obulos rojos de la sangre se puede corregir igualmente suministrando al paciente peque˜ nas dosis de 32 P, que se acumula en la m´edula del hueso, donde se forman los gl´obulos rojos, y reduce su actividad.

5.3.

Terapia con piones

Recientemente se han realizado estudios de radioterapia con con haces de neutrones y piones. Los piones π − son part´ıculas con carga −e tienen la ventaja de que pueden ser enfocados a una profundidad espec´ıfica, dependiente de la energ´ıa del haz de piones, hasta un punto donde son capturados por un n´ ucleo, el pion desaparece y su energ´ıa en reposo (∼ 140 MeV) es liberada produciendo prat´ıculas pesadas (p, n, α) que depositan su energ´ıa en las proximidades. Puesto que son part´ıculas cargadas, los piones tambi´en dejan una estela de iones a su paso, pero las part´ıculas pesadas y nucleones producidas en el punto de captura producen una dosis grande en un volumen relativamente peque˜ no. 14

6. 6.1.

Aplicaciones tecnol´ ogicas Radiograf´ıas industriales

Los rayos X y γ se utilizan con usos industriales. Las soldaduras, fundiciones y piezas de forja se tienen que examinar para encontrar los posibles fallos y esto se hace con rayos X o bien con radiois´otopos. Para examinar una soldadura en una tuber´ıa basta enrrollar una pel´ıcula fotogr´afica alrededor de la parte externa de la soldadura, colocar la fuente en el eje de la tuber´ıa en el plano de la soldadura y dejarla durante el tiempo de exposici´on correcto. El coeficiente de absorci´on de un material disminuye con la energ´ıa del fot´on y aumenta con el n´ umero at´omico, por lo que se necesita radiaci´on de alta energ´ıa para objetos pesados y gruesos, y de baja energ´ıa para objetos delgados o materiales ligeros. Por ejemplo, se puede emplear 60 Co (Eγ = 1,17, 1,33 MeV) para radiograf´ıas de objetos de acero de 5 a 15 cm de espesor, y 137 Cs (Eγ = 0,66 MeV) para 2.5–10 cm de espesor.

6.2.

Medida de espesores con radiaci´ on

La intensidad de un haz de radiaci´on que atraviesa la materia se aten´ ua en funci´on del espesor de ´esta. Por lo tanto, registrando la radiaci´on no absorbida se puede determinar el espesor del material. El instrumento se puede calibrar directamente en unidades de espesor. Esto tiene aplicaciones en la industria, donde se necesita conocer si cierto porducto tiene el espesor uniforme deseado, por lo que el m´etodo se m¸codifica para que s´olo se indiquen las variaciones del espesor. Se puede dise˜ nar la maquinaria para que se corrija el espesor del producto autom´aticamente al detectar anomal´ıas. Se usan fuentes β para materiales de peque˜ na densidad superficial, como papel, l´aminas de aluminio, pl´astico, goma, etc. Para materiales m´as pesados y gruesos, como acero, se usan fuentes γ. Se usa el mismo fundamento para medir el porcentaje de plomo en la gasolina, porque el plomo aumenta la absorci´on. Otra aplicaci´on es el medidor de nivel de l´ıquidos en recipientes. Cuando el l´ıquido alcanza el nivel de la muestra, se reduce la corriente en el detector. Estos medidores son u ´ tiles cuando el l´ıquido es vidrio o hierro fundido o est´a contenido en un recipiente cerrado. Esta idea se aplica al inspector de paquetes. Los paquetes llenos absorben m´as que los vac´ıos. Por ejemplo, en una envasadora de latas de refresco se pueden detectar las latas vac´ıas y la radiaci´on puede indicar si est´an llenas hasta el nivel requerido.

7. 7.1.

Aplicaciones en ecolog´ıa Trazadores

Se denominan as´ı los is´otopos radiactivos usados frecuentemente para seguir el camino que ha tomado un producto qu´ımico determinado. Mediante este m´etodo se pueden detectar cantidades microsc´opicas del orden de 10−12 g. Por ello, se pueden usar cantidades min´ usculas para minimizar el riesgo sanitario.

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Se puede seguir de esta manera el movimiento de las aguas residuales despu´es de que se han desaguado en el mar. Para ello se puede vertir en dichas aguas una soluci´on conteniendo 32 P y seguir su movimiento posterior con un contador geiger desde una embarcaci´on. Esta t´ecnica se emple´o para seguir el movimiento de lodo en el estuario del T´amesis introduciendo un material radiactivo de la misma densidad que el lodo. Su recorrido se detect´o arrastrando tubos geiger a lo largo del fondo. Con m´etodos similares se puede seguir el movimiento de arena y cantos rodados bajo agua. Los escapes en tuber´ıas de agua se detectan disolviendo bicarbonato s´odico que contien 24 Na (γ) en el agua que se hace pasar por la tuber´ıa. Luego se inspecciona el suelo pr´oximo al lugar del escape con un contador geiger para detectar la presencia del 24 Na, por ejemplo, bajando el tubo Geiger por un agujero realizado en el suelo. En el caso de oleoductos se inyecta en el petr´oleo una soluci´on que contiene 82 Br (γ) y que se hace pasar por la tuber´ıa. A continuaci´on le sigue un rascador (dispositivo para limpiar el interior de un oleoducto) con un contador Geiger. Cuando el rascador pasa junto a un escape, se registra el l´ıquido radiactivo que ha escapado al suelo.

7.2.

Descubrimiento de la fotos´ıntesis

El descubrimiento del mecanismo de la fotos´ıntesis se debe, en gran parte, a la t´ecnica de los trazadores. Para ello se expuso la planta a la luz solar, durante dos minutos, en una atm´osfera conteniendo di´oxido de carbono marcado con 14 C. Se detuvo entonces la fotos´ıntesis metiendo a la planta en nitr´ogeno l´ıquido y se separaron los distintos porductos q´ımicos en la planta, identific´andose m´as de 50 compuestos con 14 C, lo que da una idea de la velocidad de la fotos´ıntesis. Se repiti´o el proceso reduciendo paulatinamente el tiempo de exposici´on al sol, hasta que una exposici´on de dos segundos produjo solamente los dos o tres primeros compuestos. Este procedimiento permiti´o descubrir la secuencia de reacciones.

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