Tomado del GRAN blog: "La pizarra de Yuri". Esto es sólo el inicio usted encontrará en el blog el artículo completo.Física nuclear básica: sobre los elementos con numerito, las unidades de medida peculiares y la naturaleza de la radioactividad.
Con los accidentes nucleares de Fukushima, que siguen sucediendo, hemos visto surgir de nuevo el temor arcano a la radioactividad y hemos oído hablar de un montón de cosas extrañas. Muy notablemente, de esas unidades de medida raras como los sieverts o los grays y sobre todo de esos elementos aún más raros, aquellos que olvidábamos enseguida en el instituto, seguidos por un numerito para acabar de empeorarlo: yodo-131, cesio-137 y otras cosas que ya sólo sonaban de aquello otro que pasó en Chernóbyl. ¿De qué va todo esto? ¿Por qué y cuándo es peligroso? ¿Qué es, exactamente, la radioactividad?
De la naturaleza de las cosas
Lámina de oro-100, donde se han resuelto los átomos individuales organizados en su estructura metálica. Imagen obtenida con un microscopio de barrido por efecto túnel cuántico modelo Omicron Low Temperature STM, de RHK Technology electronics. Universidad Tecnológica de Eindhoven (Holanda), 2006.
Tú, yo y todo lo que tocan nuestras manos y ven nuestros ojos está compuesto fundamentalmente de materia y energía, que vienen a ser dos caras de la misma moneda. Ninguna de ellas es superior o inferior a la otra, como creen algunos; y, por mucho, la más compleja y estructurada es la materia.
Recordarás, seguro, que la materia que conocemos normalmente está organizada en forma de átomos, a menudo combinados en forma de moléculas. La rama de la ciencia que los estudia es la física atómica. Te acordarás también de que un átomo está compuesto por un núcleo de protones y neutrones más un cierto número de electrones en orbitales situados alrededor. Se suele decir que los electrones definen las propiedades químicas de la materia mientras que el núcleo define las propiedades físicas; esto no es exactamente riguroso y habría que hacer unos cuantos matices importantes, pero para hacernos una idea sencilla de lo que estamos hablando ya va bien.
El núcleo atómico es un lugar muy interesante; lo estudia la física nuclear. Entre otras cosas importantes, la composición del núcleo atómico define qué son las cosas. Así, como suena. El factor clave es el número de protones, llamado número atómico. Por ejemplo, cuando un átomo tiene seis protones en su núcleo, es carbono y no puede ser ninguna otra cosa. Si gana otro protón, y el número sube a siete, entonces deja de ser carbono por completo y se convierte en nitrógeno, un gas a temperatura ambiente. Si aún consigue otro más, o sea ocho, es oxígeno. Y así sucesivamente. Los átomos de oro, pongamos por caso, presentan 79 protones en su núcleo. Pero si algo tiene 80, entonces es mercurio. Y si fueran 78, sería platino.
Se deduce fácilmente que el elemento más básico de todos los posibles es el hidrógeno, cuyo núcleo sólo tiene un protón (si tuviera cero, no habría núcleo y por tanto no habría átomo; algunas veces, a los neutrones libres se les ha llamado el “elemento cero” bajo el nombre neutronio). Por ser el más básico de todos, el núcleo de hidrógeno es el que “más fácilmente aparece”; y debido a esta razón el hidrógeno es también el elemento más abundante del universo. De hecho, fue casi el único que generó el Big Bang –demasiado primario para producir cosas mucho más complejas– antes de que los procesos de nucleosíntesis dieran lugar a todos los demás. Estos procesos de nucleosíntesis que crearon el resto de átomos complejos se dieron –y se siguen dando –, sobre todo, en el corazón de las estrellas. Es, por tanto, rigurosamente cierto aquello tan bonito de que somos polvo de estrellas. Los átomos que nos componen y que definen lo que somos se forjaron en sus hornos termonucleares a partir del hidrógeno primordial, a lo largo de millones de años, mucho antes de que llegaran hasta aquí para formar planetas y se sumaran a nuestros cuerpos y nuestra realidad.
Representación simbólica de un átomo de helio, con escala y detalle de su núcleo compuesto por dos protones y dos neutrones. (Clic para ampliar)
¿Y los neutrones? Los neutrones son, entre otras cosas, los estabilizadores de los núcleos atómicos. Se da la circunstancia de que los protones –todos los protones, por el hecho de serlo– tienen carga eléctrica positiva (+1). Como cargas iguales se repelen, los protones tienden a repelerse fuertemente entre sí y por sí solos son incapaces de constituir núcleos atómicos. Los neutrones, con su carga eléctrica neutra (cero), estabilizan el núcleo atómico y éste permanece unido mediante la interacción fuerte o cromática, una de las cuatro fuerzas fundamentales en este universo.
A la suma de protones y neutrones en un núcleo se le llama número másico. Este número másico es la cifra que estamos viendo estos días detrás del nombre del elemento, como yodo-131 o cesio-137 (también expresado 131I o 137Cs). Resulta que, como te he contado, un elemento tiene que mantener siempre el mismo número de protones para seguir siendo ese elemento; pero el número de neutrones puede variar, dando lugar a números másicos distintos. Estas variaciones en el número de neutrones de un mismo elemento (o sea, de un mismo número de protones) se llaman isótopos.
Es decir: para un mismo elemento (mismo número de protones) pueden existir varios de estos isótopos (distinto número de neutrones). ¿Y qué pasa cuando modificamos el número de neutrones? Pues que, como hemos dicho antes, sus propiedades químicas se mantienen porque éstas dependen fundamentalmente de los orbitales electrónicos, que no varían. Es decir, a nivel químico, sigue siendo la misma cosa: carbono, nitrógeno, yodo, cesio, oro, uranio, lo que sea. Pero sus propiedades físicas pueden alterarse radicalmente. Un núcleo atómico estable, tranquilo y buen chico puede transformarse en un monstruo radiológico al cambiar su composición isotópica, o sea su número de neutrones. Por fuera sigue pareciendo lo mismo, pero por dentro ha alterado completamente su manera de interactuar con la realidad. Como en El extraño caso del doctor Jekyll y el señor Hyde.
Los tres isótopos naturales del carbono: carbono-12 (6 protones y 6 neutrones), carbono-13 (6 protones y 7 neutrones) y carbono-14 (6 protones y 8 neutrones). En los tres casos es carbono, tiene el aspecto de carbono y se comporta químicamente como carbono, por tener seis protones (y forma parte de nuestro organismo, por ejemplo). Sin embargo, sus propiedades físicas varían. Por ejemplo, mientras que el carbono-12 y el carbono-13 son estables, el carbono-14 es inestable y radioactivo: emite radiación beta, uno de sus neutrones "extras" se transforma así en un protón y el núcleo se convierte en nitrógeno-14 (que tiene 7 protones y 7 neutrones), con el aspecto y las propiedades del nitrógeno (por tener 7 protones). Dado que la mitad de la masa del carbono-14 pasa a ser nitrógeno-14 cada 5.730 años aproximadamente (más o menos lo que llevamos de civilización humana), la presencia de este isótopo natural resulta especialmente útil para la datación precisa de objetos históricos.
Radioisótopos en las playas del Archipiélago de la Realidad
El "Archipiélago de la Realidad". En este universo, sólo son posibles determinadas combinaciones de protones y neutrones para formar núcleos estables (el "Continente de la Estabilidad" e, hipotéticamente, la "Isla de la Estabilidad"). Alrededor, un infinito "Mar de la Inestabilidad" donde los núcleos atómicos no pueden existir. Entre unos y otros, las "Playas de la Inestabilidad", donde sólo pueden existir durante un tiempo determinado. Estos últimos son los isótopos radioactivos. (Clic para ampliar)
No todas las combinaciones de protones y neutrones resultan estables. Por ejemplo, un núcleo atómico con diez protones y cien neutrones, o viceversa, no puede llegar a existir. De hecho, sólo unas pocas llegan a constituir núcleos estables por completo, capaces de perdurar indefinidamente: la materia común que conocemos. Los núcleos atómicos muy grandes, con muchos protones y neutrones, nunca llegan a ser verdaderamente estables (aunque algunos pueden llegar a durar mucho tiempo, tanto como muchas veces la edad del universo).
Si el núcleo de hidrógeno es el más basico de todos, con su único protón, el último isótopo de este cosmos auténticamente estable es el plomo-208: presenta 82 protones (por eso es plomo) más 126 neutrones. Por encima de él, todos son inestables en mayor o menor medida. (Para más información sobre los elementos extremos, echa un vistazo al post Aquí creamos elementos nuevos)
Se dice que todas las infinitas combinaciones de protones y neutrones que no pueden constituir núcleos atómicos de ninguna manera constituyen el Mar de la Inestabilidad. Por el contrario, las combinaciones que dan lugar a núcleos estables o bastante estables conformarían el Continente de la Estabilidad y puede que la Isla de la Estabilidad. O, al menos, así llamó a todo esto Glenn Seaborg. En el límite entre estabilidad total e inestabilidad total se encontrarían las combinaciones inestables. Como si dijéramos, en las playas de este Archipiélago de la Realidad.
Estas combinaciones inestables, los isótopos inestables, tienden a liberar materia o energía por varias vías distintas para transformarse en otros que sean más estables o estables por completo. Esto es la radioactividad. Por eso, los núcleos de los isótopos inestables se llaman también radionúclidos. Es decir, núcleos que emiten radiación y así adquieren más estabilidad. Muy a menudo, los isótopos inestables no saltan de golpe a isótopos estables; sino que lo van haciendo en distintos pasos, de isótopo inestable en isótopo inestable hasta que alcanzan la estabilidad. Esto es la cadena de desintegración.
Valores de radiación ambiental en España tomados por la Red de Estaciones Automáticas del Consejo de Seguridad Nuclear el 26/03/2011, expresados en μSv/h. Puede observarse que la "radiación de fondo" en un día típico como este oscila entre los 0,08 μSv/h del País Vasco hasta los 0,19 μSv/h de Pontevedra, debido a su diferente configuración geológica. Datos actualizados en http://www.csn.es/index.php?option=com_maps&view=mappoints&Itemid=32〈=es (Clic para ampliar)
En la naturaleza, en el cosmos, en el planeta Tierra todos los elementos se presentan bajo la forma de distintos isótopos; unos son estables y otros no. Los isótopos inestables que aparecen en la naturaleza emiten radiación, y esta constituye buena parte de la radioactividad natural. El universo entero está lleno de esta radioactividad natural y nuestro planeta no es una excepción. Las estrellas, por ejemplo, son furiosas emisoras radiológicas. Como el Sol.
Los planetas y la vida, en cambio, sólo pueden llegar a formarse cuando el nivel de energía es relativamente bajo (y por eso, para empezar, es tan difícil obtener buenas fuentes de energía abundante en la superficie de un planeta como el nuestro). Si el nivel de energía fuera muy alto, el planeta pasaría a estado plasmático y desaparecería; o, incluso con cifras mucho más bajas, toda vida resultaría esterilizada para siempre. En la práctica, los planetas están compuestos muy mayoritariamente por isótopos estables; es decir, no radioactivos. Además, como con el paso del tiempo los isótopos inestables van transformándose en estables, en un planeta determinado cada vez van quedando menos radioisótopos naturales y por tanto se va generando menos radioactividad natural. Entonces viene cuando surge una especie inteligente –más o menos–, descubre todo esto y se le empiezan a ocurrir cosas que hacer.
El alquimista atómico
Cuentan que el alquimista buscaba la piedra filosofal para, entre otras cosas, transmutar el plomo en oro. Y al final lo consiguió, cuando aprendió física atómica y se hizo ingeniero nuclear.
Hoy en día, los alquimistas modernos –físicos, químicos e ingenieros nucleares– transmutan habitualmente unos elementos en otros, unos isótopos en otros y hasta crean elementos nuevos. Lo que pasa es que, por ejemplo, convertir plomo en oro cuesta un pastón en forma de energía y al final resultó que no salía a cuenta. El oro nuclear no se diferencia en nada del oro vulgar –si no, no sería oro sino otra cosa distinta– y sale muchísimo más caro. Sin embargo, en el proceso descubrió algunas posibilidades enormemente más preciadas que el oro, desde la medicina nuclear hasta las armas nucleares. Los humanos, que somos así.
Y otra cosa más, de un valor inmenso, tanto que resulta difícil de describir. En la superficie de un planeta donde la cantidad de energía fácilmente disponible es ya muy baja, por los motivos que comenté más arriba, las ciencias y tecnologías del átomo le permitieron concebir una fuente de energía monumental: la energía nuclear. En la actualidad, producimos grandes cantidades de energía mediante la fisión del núcleo atómico, en las centrales nucleares. Y para el futuro, planeamos utilizar el mismo método que usa el Sol y las demás estrellas: la fusión del núcleo atómico en centrales termonucleares.
La central nuclear de Cofrentes, vista desde la lejanía (Clic para ampliar)
Tan bueno salió el queso que sus riesgos nos incomodaron. Venga, en serio, resulta difícil discutir las ventajas de la energía nuclear, incluso la más atrasada de fisión. Para empezar es increíblemente potente, capaz de echar gigavatio tras gigavatio sin conocimiento, llueva, truene o haga calor. El combustible es hasta cierto punto difícil de obtener, y caro, pero una vez conseguido se puede regenerar una y otra vez durante miles de años. Proporciona potencia base en estado puro. En condiciones normales no contamina casi nada y sus residuos se pueden manipular en forma sólida, a diferencia del gigantesco desastre ambiental y climático ocasionado cada día más por los combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. Se puede instalar sin destrozar por completo grandes parajes naturales. Sus posibilidades de futuro son enormes, por la vía de la fisión y sobre todo por la de la fusión. Y hasta genera un montón de riqueza local y puestos de trabajo cualificados incluso en lugares donde no abundan mucho.
Dicen también que sale muy barata, pero yo eso no lo tengo tan claro y las últimas noticias que van llegando de lugares como Olkiluoto o Flamanville (y aquí) no me ayudan a cambiar de opinión. Los posibles costes ocultos, que al final siempre pagamos entre todos, tampoco están claros: hasta el día de hoy, aún estoy por ver un informe público donde se totalicen los costes de una central nuclear desde el día en que a alguien se le ocurre la idea hasta la noche en que ya no queda nada para ver ni allí ni en ningún otro sitio. Para la mayoría de países no proporciona la tan cacareada independencia energética; simplemente, cambia los proveedores tanto de tecnología como de materiales. Su excelente respeto al medio ambiente durante la producción normal queda oscurecido por el problema de los residuos radioactivos. Y luego, claro, está el eterno asunto de la seguridad, ahora mismo en pleno ojo del huracán con lo sucedido en Fukushima.
Peligro nuclear
No es mentira decir que las centrales nucleares son muy seguras, incluso extremadamente seguras. Pero tampoco lo es afirmar que, cuando sucede lo impensable, los efectos de un accidente nuclear se extienden mucho más en el tiempo y en el espacio que los de la mayoría de siniestros. En estos días, he visto a gente incluso tratando de compararlos con accidentes de tráfico, que sin duda causan muchos más muertos al año. Eso es una falacia: los efectos de un accidente de tráfico no se extienden a lo largo de miles de kilómetros cuadrados y, treinta años después, no quedan contaminantes peligrosos en las tierras agrícolas de los alrededores.
Sin embargo, no es falaz comparar los accidentes nucleares con algunos accidentes industriales a gran escala, y notablemente con los que esparcen gran cantidad de contaminantes químicos. Que, por cierto, están compuestos por isótopos estables e intrínsecamente no desaparecen nunca (aunque, si se trata de moléculas compuestas, se pueden degradar con el tiempo). Como lo de Bhopal, que sigue contaminando. También quisiera recordar en este punto a las incontables víctimas de envenenamiento por arsénico en Bangladesh y otros lugares, ocasionadas cuando la población local se vio obligada a cavar miles de pozos más profundos porque el agua potable es cada vez más escasa. Y otros muchos más.
No obstante, cuando una central nuclear casca… bien, pues existe un riesgo cierto de que escape al medio ambiente una gran cantidad de contaminantes muy extraños, algunos de los cuales son radioactivos y unos pocos furiosamente radioactivos. Resulta que, en los procesos nucleares mencionados más arriba, se producen gran cantidad de esas transmutaciones del alquimista que dan lugar a toda clase de isótopos raros e inestables. De hecho, toda la energía nuclear es una de estas transmutaciones del alquimista: convertir uranio o plutonio (o deuterio y tritio, cuando se alcance la fusión) en otras cosas, aprovechando la energía liberada en el proceso para producir calor, calentar agua y con ella mover turbinas eléctricas. (De lo del torio ya hablaremos en otra ocasión, que no es ni con mucho como lo pintan algunos.)
Yodo común (mayoritariamente yodo-127 estable) en estado sólido. El yodo-131 es inestable, radioactivo y se considera cancerígeno. Durante un accidente nuclear, suele escapar del reactor en forma gaseosa.
Los isótopos más comunes que se generan como consecuencia de estas reacciones nucleares en un reactor típico de uranio (térmico), son los siguientes por orden de abundancia: cesio-134/135 (6,8%), yodo-135/xenón-135 (6,3%), circonio-93 (6,3%), cesio-137 (6,1%), tecnecio-99 (6,1%), estroncio-90 (5,8%), yodo-131 (2,8%), prometio-147 (2,3%) y samario-149 (1,1%); más una retahíla de otras sustancias, ninguna de las cuales alcanza el 1%.
La mayor parte de estos productos son venenosos, pero se dispersan demasiado para que su toxicidad química sea muy relevante fuera de la instalación. El principal problema, claro, es que la mayoría son radioactivos. Es decir, radioisótopos inestables que liberan energía potencialmente peligrosa y en caso de accidente nuclear se esparcen por el medio ambiente. De todos ellos, los que más miedo dan son los que son o pueden convertirse en potentes emisores de radiación gamma. ¿Qué es esto de la radiación gamma?
Tipos de radioactividad
Te conté más arriba que los núcleos inestables tienden a liberar materia o energía por varias vías distintas para transformarse en otros que sean más estables o estables por completo, que esto es la radioactividad y que por eso se llaman radioisótopos o radionúclidos. Estas vías distintas son esencialmente cuatro, llamadas alfa, beta, gamma y neutrónica.
La radiación alfa (también llamada desintegración alfa o decaimiento alfa) son grupos de dos protones y dos neutrones que escapan típicamente de los átomos grandes e inestables. Así, no se distinguen en nada del núcleo de un átomo de helio corriente, pero están desprovistos de los dos electrones que este elemento presenta normalmente; es decir, se hallan doblemente ionizados. Tienen una energía típica relativamente alta, del orden de cinco megaelectronvoltios, pero se detienen con facilidad. La piel humana los para e incluso una simple hoja de papel; protecciones sencillas como mascarillas de celulosa, monos de material plástico, gafas de seguridad y guantes de goma bastan para defenderse de ellos. Lo que es una suerte, porque cuando entran dentro del organismo resultan extremadamente peligrosos, mucho más que la radiación beta o gamma que vamos a ver a continuación. Ninguno de los productos que hemos mencionado emite radiación de este tipo, así que para el caso no nos preocupa mucho.
Capacidad de penetración en materiales de los distintos tipos de radioactividad. Imagen suministrada por el gobierno japonés a la población durante los accidentes nucleares de Fukushima. (Clic para ampliar)
La radiación beta (decaimiento beta) son electrones o su partícula de antimateria, los positrones. Ya comentamos cuando hablábamos del Mar de Inestabilidad y el Continente de Estabilidad que los núcleos con una diferencia muy grande entre su número de protones y su número de neutrones son imposibles. De hecho, cuando un núcleo atómico tiene demasiados neutrones (carga 0), uno o varios de ellos se quieren convertir en protones (carga +1) y para ello generan y expulsan uno o varios electrones (carga -1). Y al revés: cuando un núcleo atómico tiene demasiados protones (carga +1), uno o varios de ellos se transforman en neutrones (carga 0) y para ello expulsan uno o varios positrones (esa carga +1 que les sobraba). Así, el núcleo se estabiliza expulsando energía en forma de estas partículas beta (β− o β+).
La radiación beta suele ser relativamente menos peligrosa. Es unas cien veces más penetrante que la alfa, pero eso sigue sin ser mucho. Una lámina de papel de aluminio la detiene eficazmente y su capacidad de afectar a la materia viva es entre diez y mil veces menor que la de las partículas alfa, incluso cuando los radioisótopos que la emiten son aspirados o ingeridos. Provoca característicamente quemaduras superficiales e irradiación de la piel u otros tejidos próximos al exterior, dado que sólo puede penetrar unos pocos milímetros en el cuerpo humano. Hace falta una gran cantidad de radiación beta, y muy potente, para causar daños graves a la salud.
La radiación gamma, en cambio, es la peste. No es más que radiación electromagnética, o sea fotones, como la luz visible o los ultravioletas; pero a frecuencias muy altas y con una energía pavorosa. A diferencia de las dos anteriores puede atravesar cantidades significativas de materia y por supuesto un cuerpo humano entero. Dependiendo de su energía, hacen falta varios centímetros de materiales densos como el plomo o el hormigón para detenerla. Interacciona con la materia, incluyendo la materia viva, por tres vías distintas: efecto fotoeléctrico, efecto Compton y creación de pares. Cada una de estas interacciones suele provocar a su vez electrones o positrones secundarios que constituyen una dosis adicional de radiación beta en sí mismos.
Una protección radiológica sencilla: un "castillo de plomo" montado con bloques de este material en torno a una fuente radiológica de un laboratorio.
En las sustancias que nos ocupan, la radiación gamma se origina como efecto secundario de la emisión de radiación beta porque el núcleo resultante suele quedar excitado y necesita aliviarse eyaculando, digo emitiendo radiación gamma hasta alcanzar el estado más estable. Dado que penetra todo el organismo y no está compuesta por partículas con masa, sus efectos son más difusos y hace falta una gran cantidad de radiaciones gamma para provocar quemaduras como las características en el decaimiento alfa o beta. Sin embargo, prácticamente toca todas las células del organismo, acelerando la ruleta del cáncer y otras enfermedades asociadas a la radiación.
Los rayos X son una forma de radiación gamma de baja energía.
La radiación neutrónica está compuesta, como su nombre indica, por neutrones libres que escapan de los procesos de fisión o fusión del átomo. Los neutrones así producidos tienen una energía cinética muy grande y son capaces de atravesar metros de plomo u hormigón. Hace falta una cantidad significativa de estas sustancias o de agua para que se paren. Cuando los neutrones alcanzan otra materia, como la materia viva por ejemplo, chocan con los núcleos de sus átomos y los desplazan y alteran en cascadas de colisiones. También puede deteriorarla directamente por efecto Wigner.
La radiación neutrónica resulta excepcionalmente peligrosa porque tiene la capacidad de convertir otras cosas en radioactivas. Esta especie de contagio se llama activación neutrónica. Vamos, que puede hacer que tus ojos se vuelvan radioactivos, por decir algo, y es francamente malo para la salud ir por la vida con unos ojos radioactivos. Por fortuna, ninguna de las sustancias de las que estamos hablando emiten radiación neutrónica. Para recibirla, tienes que exponerte directamente a un proceso de fisión o fusión nuclear, que es lo que ocurre dentro del reactor (o de una bomba). A menos que el reactor quede abierto al exterior no deberías encontrarte con ella.
La radioactividad no es una energía mágica maligna capaz de hacerlo todo, penetrarlo todo y matarlo todo como parecen creer algunos. Es un fenómeno físico sometido a leyes físicas. Específicamente, no puede producirse en ausencia de los radioisótopos que la generan. Por tanto, cuando hablamos de contaminación radioactiva, hablamos fundamentalmente de contaminación de radioisótopos. Aunque las emisiones de algunas formas de radioactividad extremadamente energéticas pueden llegar muy lejos, como en el caso de los brotes cósmicos de rayos gamma, en el nivel terrícola que nos ocupa se puede decir que si no hay radioisótopo no hay radioactividad.
¿Por qué es peligrosa la radioactividad? Pues porque como toda energía puede desarrollar trabajo, y tú no quieres que nada trabaje incontroladamente los átomos que te constituyen. Y los que forman tu ADN, aún menos. La radioactividad provoca quemaduras, daña severamente algunos órganos importantes como la médula espinal, el sistema gástrico o el sistema nervioso, altera el ADN y el sistema reproductivo y puede ocasionar cáncer y malformaciones hereditarias.
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