SEMINARIOS PARA PROFESIONALES DELA ENSEÑANZA APLICACIONES DE LOS ISOTOPOS I.- INTRODUCCIÓN 2 II.- FUNDAMENTOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 4 Disponibilidad de isótopos 4 Diagrama de la desintegración Aplicaciones de los trazadores radiactivos Aplicaciones de las fuentes radiactivas 12 Aplicaciones de los relojes radiactivos 16 Tecnología de las aplicaciones Normativa de las instalaciones radiactivas 7 10 18 21 III.- APLICACIONES REPRESENTATIVAS 22 1. Investigación • El ciclo de la fotosíntesis 23 • Datación de objetos carbonosos 25 2. Medicina • Diagnosis tiroidea 27 • Tomografía cerebral • La bomba de cobalto 3. Industria • Medidores de control • Control de calidad por gammagrafía • Polimerización por la radiación 4. Agricultura • Mejora de cultivos por selección de mutantes 31 • Incremento de la producción pecuaria 32 • La técnica de los insectos estériles • Conservación de alimentos por irradiación 5. Minería 6. Medio Ambiente 36 • Abatimiento de contaminantes • Conservación del patrimonio histórico 37 IV.- RESUMEN Y CONCLUSIONES 1 39 22 25 27 27 29 29 30 30 31 33 34 35 36 I.- INTRODUCCIÓN “Las aplicaciones de los isótopos en la vida cotidiana” es un título ya clásico en materia de divulgación de las aplicaciones de las radiaciones ionizantes, que hace referencia a los “servicios” que nos prestan las radiaciones emitidas por los isótopos radiactivos en su desintegración. En efecto, estas radiaciones son utilizadas en la resolución de diversos problemas de nuestra vida cotidiana, como el diagnóstico de enfermedades, el tratamiento de tumores, la esterilización de productos de “usar y tirar”, la producción de plásticos especiales o, en un plano más teórico, la modelización del transporte de contaminantes, la datación de restos arqueológicos, etc. La adquisición del conocimiento necesario para dar respuesta a éstas, y a otras cuestiones similares, es el objetivo que persigue la investigación en el ámbito de las ciencias de la Naturaleza, la cual ha dado un gigantesco salto hacia delante en el último medio siglo con el uso de los isótopos1 como trazadores radiactivos. En efecto, los isótopos no sólo permiten simular con perfecta identidad las sustancias químicas que intervienen en los fenómenos naturales, sino que, mediante las radiaciones que emiten, permiten cuantificar su evolución en las etapas que conforman el mecanismo representativo de los mismos. Los isótopos, por otro lado, cuando se confinan en cápsulas metálicas (o se inmovilizan en un medio material adecuado) pierden completamente su función trazadora y se convierten en fuentes radiactivas, que no son sino focos emisores de radiaciones ionizantes; o, dicho de modo más preciso, son focos emisores de las radiaciones capaces de atravesar las paredes de la cápsula, lo cual confiere gran ventaja a las fuentes que contienen isótopos emisores gamma, dada la facilidad con la que esta radiación atraviesa los materiales. Las fuentes radiactivas, de las cuales existen gran variedad -sobre todo de fuentes gamma-, tienen infinidad de aplicaciones técnicas basadas en las interacciones de las radiaciones con los medios materiales (transferencia de energía, atenuación de la intensidad de haces, excitación de radiaciones secundarias, etc.). Estas interacciones son el fundamento de muchas operaciones útiles, como la obtención de imágenes estructurales de cuerpos opacos (gammagrafía), la mejora de propiedades de materiales (reticulado e injerto de plásticos), el control en tiempo real de especificaciones de productos fabricados en serie (medidores de espesores, densidades, niveles, impurezas, etc.). Como puede verse, son muchas las aplicaciones de los isótopos, como fuentes radiactivas, que inciden también en las actividades de nuestra vida diaria. Conviene no perder de vista, sin embargo, que los isótopos radiactivos son sustancias perecederas, que hay que recrear periódicamente 1 A lo largo del texto emplearemos con frecuencia el término isótopo como elipsis de isótopo radiactivo. 2 (producción de isótopos), de acuerdo con las necesidades de los usuarios y la vida media de cada especie radiactiva; pues, en la práctica, cuando la intensidad de emisión de radiaciones de una fuente decrece por debajo de un cierto valor, las mediciones, que toda aplicación comporta, consumen demasiado tiempo y es preferible dar de baja las fuentes decaídas, como residuos radiactivos, y sustituirlas por otras nuevas. Lo mismo cabe decir, obviamente, de los trazadores radiactivos. De lo expuesto se infiere que los isótopos serán preparados, por los productores de estas sustancias, con dos presentaciones diferentes, según la clase de aplicaciones a que se destinen: • como reactivos radiactivos, cuando sean utilizados para trazar los sistemas materiales objeto de investigación; en este tipo de aplicaciones, los isótopos tienen que estar formando parte del trazador, entendido éste como la molécula que representa (molécula marcada) a la sustancia clave del proceso; en ciencia básica, la preparación del trazador puede ser una tarea de gran dificultad, que a veces tienen que realizar los propios investigadores utilizando precursores marcados; • como fuentes radiactivas encapsuladas, cuando lo que se pretende es sacar partido a las radiaciones que emiten los isótopos, bien porque nos proporcionen información sobre los sistemas materiales, como base para su control tecnológico; bien porque, la utilización masiva de las radiaciones (irradiación a altas dosis), modifique la estructura de enlaces químicos de los materiales y, con ello, sus propiedades; los contenidos isotópicos (actividad) de las fuentes requeridas en cada caso pueden variar dentro de una amplísima gama de valores, desde las que confinan cantidades del orden del microcurio2 (fuentes de calibración de instrumentos de medida), hasta las que acumulan millones de curios (conjuntos de fuentes de alta actividad específica de los irradiadores industriales). Finalmente, hay que tener presente que las radiaciones ionizantes no son un atributo exclusivo de los isótopos radiactivos, pues hay diversos tipos de aparatos que, mediante la utilización de campos eléctricos y magnéticos, generan radiaciones similares a las emitidas por las sustancias radiactivas; e, incluso, que amplían su campo de existencia -haces de electrones, de protones, etc.- o sus dotaciones energéticas. Estas radiaciones de sustitución -generadas por aparatos de rayos X, aceleradores de partículas, reactores nucleares, etc.ofrecen circunstancialmente ventajas operativas para conseguir el mismo objetivo que con las fuentes; tal es el caso de las aplicaciones radiográficas (que utilizan rayos X) frente a las gammagráficas (que utilizan fuentes gamma), para “ver” la estructura interna de construcciones metálicas o de objetos prefabricados. Aquí trataremos exclusivamente de las aplicaciones de las 2 Un microcurio ( 1 µCi) equivale a 3,7 x 104 bequerelios 3 incluso. en la que se hicieron grandes esfuerzos hace unas décadas.FUNDAMENTOS Las aplicaciones requieren. industria. en el incremento del número de protones en una unidad.. el resultado de la reacción se traduce. en los que su empleo ha alcanzado mayor difusión. medicina. Solamente se tienen que producir en el país (e. II..-1. encuadradas en los campos de la investigación. que se cita posteriormente. no sea posible el suministro desde el exterior. como primera providencia. presentar los fundamentos de las aplicaciones y. que tiene por objeto. Tal es el caso del flúor-18 (110 minutos). Es de advertir que la producción propia.radiaciones isotópicas y sólo nos referiremos a las de los aparatos generadores cuando compitan ventajosamente. o. Esta modificación se lleva a cabo mediante las reacciones nucleares que tienen lugar cuando el mencionado nucleido (blanco) es bombardeado (irradiado) con partículas positivas en el haz de un acelerador o cuando dicho nucleido capta un neutrón de fisión en las proximidades del núcleo de un reactor nuclear: • en el primer caso. pongamos por caso). 8O que da lugar a un isótopo radiactivo del elemento siguiente. porque decaen durante el transporte. En lo que sigue se desarrolla el índice de materias que figura al comienzo de esta lección. como trazadores o como fuentes. dar paso a la descripción de las principales de ellas. dicho más concisamente. por su corto periodo de semidesintegración (menor de 2 horas. disponer de los isótopos necesarios. tiende a declinar en los países donde hay libre mercado. Esta es la reacción que se emplea rutinariamente en el Centro de Tomografía de Emisión 3 Clase de átomos que tienen Z protones y N neutrones en el núcleo 4 . en primer lugar. en segundo lugar. II.Disponibilidad de isótopos La producción de isótopos consiste en la modificación del número de protones (Z) y/o del número de neutrones (N) existentes en el núcleo de un isótopo estable de un elemento. al amparo de pequeños reactores de investigación. como en el ejemplo 18 + 1H1 → 9F18 + 0n1 . en el propio centro donde se realice la aplicación) los isótopos que. en su forma más general y sencilla.N) que caracteriza a un nucleido3. consiste en la modificación del par ordenado de números enteros (Z. ya sea por producción propia o por adquisición en el mercado. etc. en beneficio de las grandes compañías internacionales especializadas en la producción de los trazadores y fuentes de mayor consumo. de Positrones de la Univ. En la Figura 1 se resumen las clases de nucleidos. mientras que los de la parte central y final de la Tabla tienen varias decenas. Si bien la pauta indicada con estos ejemplos es completamente general. 27 Co que es la reacción por la que se obtienen las fuentes de cobalto-60 empleadas en el tratamiento del cáncer. y. el número de protones y/o de neutrones que salen de él puede ser distinto. como en 59 + 0n1 → 27Co60 . ya que. Figura 1 . de nucleidos radiactivos (radionucleidos). • en el segundo caso. ya que los elementos de bajo número atómico tienen pocos isótopos. estables y radiactivos4. esta distribución no es muy homogénea. dando lugar a un isótopo radiactivo del mismo elemento. habitualmente con N en abcisas y Z en ordenadas da lugar a la denominada Tabla Nucleídica 6 Resultado de dividir 1700 nucleidos radiactivos entre unos 110 elementos 5 5 . En la práctica. por ende. según la naturaleza y la energía de la partícula incidente en el nucleido “blanco”. ello nos permite constatar que hoy día conocemos varios isótopos radiactivos de cada uno de los elementos de la Tabla Periódica. Complutense de Madrid para la producción de flúor-18 con fines de diagnóstico médico. y también en su forma más simple.Clases y número aproximado de los nucleidos conocidos. 4 Sólo se contabilizan aquellos cuya vida media es superior a 1 segundo La ordenación de los nucleidos conocidos en un diagrama cartesiano. la reacción incrementa en una unidad el número de neutrones. dando lugar a una gran diversidad de productos finales y. con la particularidad de que desde el número atómico 84 en adelante (polonio incluido). la casuística de las reacciones nucleares es prácticamente infinita. que se han inventariado hasta el momento presente5 y de ella se deduce que el número promedio6 de isótopos radiactivos por elemento es de unos 15.. todos los isótopos de los elementos son radiactivos. A partir de la década de 1930. debida. Ir192. las aplicaciones se plantean a base de radionucleidos de reactor o de radionucleidos de acelerador: • los primeros son “ricos” en neutrones y se desintegran por emisión beta (β−). dieron nacimiento a la cronología isotópica cuando aprendimos a descifrar los registros temporales que contienen los minerales radiactivos. con los aceleradores se pueden obtener isótopos radiactivos de diseño8. Tal es el caso del H2 (deuterio) en los compuestos de hidrógeno. que es el resultado de la conversión de un neutrón en un protón. por lo general. uranio y torio. a procesos locales de decaimiento radiactivo 10 Que previamente se ha “enriquecido” mediante un costoso proceso de separación isotópica 6 . y del Po210 . Tal era el caso del Ra226 (fuentes de radio).) y los trazadores de mayor consumo (H3. los trazadores y las fuentes que se utilizaban en las primitivas aplicaciones eran miembros de estas series. con el que se inició la radioterapia de tumores cancerosos a principios de siglo.51 MeV) 9 Cuando la composición (o abundancia) isotópica natural de un elemento es atípica. más tarde.En la clase de los radionucleidos naturales merecen comentario especial los isótopos del uranio7 (U235 y U238) y del torio (Th232). y del O18 en el oxígeno. Desde el punto de vista de las aplicaciones cabe mencionar. del N15 en el nitrógeno. que son muy apreciados en el diagnóstico médico. P32. que el empleo de un isótopo “escaso” de un elemento10 cumple funciones de trazador estable del mismo. • los segundos son “ricos” en protones y se desintegran por emisión de positrones (β+). se dice que ha ocurrido una anomalía isotópica. en el interior del núcleo atómico. Finalmente. y. que convierten protones en neutrones. por otro lado. año en el que se descubrieron los radionucleidos artificiales. Hasta 1934. de periodo corto y. que dio lugar al descubrimiento del neutrón en 1932 (fuentes de polonio/berilio) y. con los reactores nucleares. Mo99. que son de gran utilidad en investigación básica. si bien sus costes de producción son más elevados. los radionucleidos artificiales han ido desplazando paulatinamente de sus usos a los radionucleidos naturales. al de los mencionados radionucleidos artificiales (fuente alfa de polonio). en la forma SA 8 Isótopos de elementos de interés biológico. Sr90. Los radionucleidos naturales. característicos de los elementos químicos naturales . y de 1940. etc. los nucleidos estables siempre se presentan en la Naturaleza formando subconjuntos de composición isotópica bien definida9. I131. con los aceleradores de partículas. etc. C14. a ser posible. sus costes de producción son bajos y todas las fuentes intensas (Co60.) son de esta procedencia. que tienen la misma edad que la Tierra (radionucleidos primordiales) y son los cabezas respectivos de las series radiactivas naturales del actinio. Lo mismo cabe decir de los elementos que 7 Representaremos un isótopo de un elemento por el símbolo (S) del elemento y el número másico (A) del isótopo. ahora. en agricultura y en hidrología. emisores de positrones (radiación γ de 0. Cs137. confinados en el interior de una cápsula. de forma más general. conviene hacer algunas observaciones de índole general. al cual sigue fielmente. es el fundamento de las aplicaciones de las fuentes radiactivas. constatando que todo radionucleido es isótopo radiactivo de un elemento químico. un átomo de un radionucleido se comporta como si fuera un átomo estable hasta que llega el momento azaroso de su desintegración.2. porque. cuya acumulación a lo largo del tiempo en el sistema material donde es generado12. γ. en el que no haya transferencias ni del padre ni del hijo 7 . por activación neutrónica dan lugar a isótopos radiactivos que sirven de “huellas dactilares” para identificar la procedencia de objetos históricos (estatuas. a cada uno de los términos que lo componen: • al radionucleido. • a las radiaciones emitidas. etc. β. sucesivamente. en el que puede prestarse atención. Con ello se acaban de esbozar los fundamentos de las tres grandes clases de aplicaciones de los isótopos que se desarrollarán en lo sucesivo. siendo obvio que la emisión de radiaciones por un conjunto de átomos radiactivos. si bien. de los radionucleidos. A) que tiene lugar en un conjunto de N átomos. En la Figura 2 se presenta el diagrama de este proceso. antes. se basan en dos propiedades que se ponen de manifiesto en la desintegración: • la constante radiactiva11 λ. los metales de acuñación.. • al nucleido hijo (supuestamente estable). n ) En realidad.). indicando con gran sensibilidad (mediante las radiaciones que emite) su distribución espacial y temporal en un sistema material. cerámicas. da lugar a las aplicaciones de los relojes radiactivos o cronología isotópica. en el cual emite radiaciones y se transforma en un nucleido hijo. monedas. lo cual da lugar a las aplicaciones de los isótopos como trazadores radiactivos.. que indica el ritmo de desintegración (actividad. específica de cada radionucleido. II. A= λ·N • la naturaleza y energía de las radiaciones emitidas ( α. etc. 11 La constante radiactiva está relacionada con el periodo de semidesintegración ( T1/2 ) por la expresión λ = (ln 2)/T1/2 12 Ha de ser un sistema material “cerrado”. Diagrama de la desintegración Las aplicaciones de los isótopos o.acompañan en calidad de impurezas (elementos “traza”) a materiales como el mármol. la arcilla. las aplicaciones pueden estar basadas en las radiaciones emitidas por alguno de estos miembros secundarios. y éste a un tercero. que hace posible el uso de un isótopo radiactivo casi “ideal” (el Tc99m. Las radiaciones emitidas con mayor frecuencia en la desintegración (haciendo caso omiso de los elusivos neutrinos) son las partículas alfa (α) y beta (β− y β+). n Energía 0 tiempo tiempo ∞ Nucleido hijo Figura 2.. por emisión gamma 8 .Diagrama secuencial de la desintegración de un radionucleido. y. γ. la cual. a partir del Mo99 de 67 h 13 Estados excitados de larga duración de un nucleido.Radionucleido Radiaciones α. en las denominadas fuentes alfa/neutrón. del cual se puede separar con suma facilidad en el propio hospital donde se realiza la aplicación. La emisión de neutrones (n) sólo tienen interés en el caso de la fisión espontánea de algunos radionucleidos (como el Cf252) o. como radiación secundaria. se está ante el caso de una serie radiactiva. que decaen. acompañadas eventualmente de radiación gamma (γ). el Tc99m es generado por el Mo99. emisor γ ”puro”. en la cual cada miembro emite sus propias radiaciones. en el caso de los isómeros nucleares metastables13 (m). por lo general. puede ser radiación gamma “pura”. Cuando la desintegración da lugar a otro radionucleido. etc. de 6 horas de periodo) en Medicina Nuclear. Tal es el caso del generador de tecnecio-99m.. Esquema de generación del Tc99m de 6 h. β. Tc99 200.Mo99 Tc99m 67 h. positivas y negativas.6605 x 10-27 kg ).Características básicas de las radiaciones emitidas en la desintegración radiación partícula alfa partícula beta positrón símbolo α naturaleza núcleo 2He4 carga14 +2 masa15 4 energía16 4⎯10 β− −1 5. las partículas alfa y partículas beta. neutrón Electromagn. que son radiaciones directamente ionizantes. se le asigna la masa equivalente E/c2 . β− γ β− Las características básicas de las radiaciones emitidas en la desintegración son las que se especifican en la Tabla 1.5 x 10−4 0⎯3. Tabla 1. electrón posit. y • las radiaciones sin carga. porque en sus interacciones específicas con la materia generan radiaciones secundarias con carga.5 neutrón fotón gamma n γ electrón negat.6021 x 10-19 C ) En unidades de masa atómica ( u = 1.000 a 6 h.5 β+ En el caso de la emisión de positrones (β+) merece señalarse que éstos generan siempre. radiación gamma de 0. 16 Intervalo dentro del cual se encuentra la energía cinética de emisión de las radiaciones 15 9 . donde c es la velocidad de la luz.5 +1 5. 14 En unidades elementales de carga eléctrica ( e = 1. 0 0 1 E/c2 0⎯10 0⎯3. al final de sus trayectorias en un medio material. que es la energía equivalente a la masa en reposo de un electrón (ver esquema adjunto). En ellas cabe distinguir dos clases: • las radiaciones con carga eléctrica.51 MeV. esto es. que son las que ionizan. como los fotones gamma y los neutrones.5 x 10−4 0⎯3. que son indirectamente ionizantes. A un fotón de energía E.. como ejemplo.3. Sea. formado por un único isótopo estable (el Na23). II . se puede construir una Química de Moléculas Marcadas paralela a la Química ordinaria de las sustancias naturales. salvo ligerísimas diferencias de segundo orden.hν β+ e. en direcciones opuestas.e- β+ + e− ⇒ 2 · h ν ( 0. cuando añadamos un isótopo radiactivo a un elemento estable17. Hoy día disponemos de isótopos radiactivos de todos los elementos de la Tabla Periódica y.51 MeV) hν Esquema de la formación de radiación gamma de 0. de este modo. por lo tanto.51 MeV. De ahí que. lo que equivale a decir que sus propiedades químicas son idénticas. una vez mezclados sus isótopos -los estables y el radiactivo.51 MeV El fenómeno se conoce con el nombre de aniquilación de positrones y consiste en la desmaterialización de un electrón positivo (β+ ≡ e+) con un electrón negativo de la corteza (e−). que son de gran utilidad en Medicina Nuclear (tomografía de emisión de positrones ).ya no se pueden separar. lo transforman en sodio radiactivo (radiosodio) Con los elementos radiactivos (o radielementos) se sintetizan toda clase de moléculas o compuestos marcados. químicos y biológicos que tienen lugar en la Naturaleza. por lo tanto. que se utilizan como trazadores radiactivos de las respectivas especies químicas. la misma corteza electrónica. La diferencia fundamental reside en que la Química de las Moléculas Marcadas es efímera. la adición de cualquiera de sus isótopos radiactivos (el Na22 o el Na24). es posible trazar los caminos de cualquier clase de materia a lo largo de los procesos físicos. debidas a la distinta masa de cada isótopo. o de los dos. como lo son los isótopos radiactivos sobre los cuales se construye.. Aplicaciones de los trazadores radiactivos Los isótopos de un elemento tienen todos el mismo número de protones en sus núcleos y. como consecuencia de ello se emiten dos fotones (hν) de 0. Isótopos Radiactivos 17 + Isótopos Estables = O lo formamos en él por irradiación 10 Elemento Radiactivo . el elemento ha quedado convertido en un elemento radiactivo o radielemento. el caso del sodio natural (Figura 3). en estos campos de la Química. Con radiocarbono C14 . C . C . Si a ello se une. estables y radiactivos. se han sintetizado prácticamente todas las moléculas de la Química Orgánica y de la Bioquímica.El Na22 ( T1/2 = 2.Na {Na22. C } 6 Con radiocarbono C11. desde los compuestos aromáticos marcados en posiciones concretas. se sintetizan glucosa y aminoácidos marcados. 11 12 13 14 C ≡ { C . a pesar del corto periodo de éste (20 minutos).) son trazadores del sodio El caso más importante es el de la Química de las Moléculas Marcadas del Carbono.23} 22 Na23 Na24 {Na23. la capacidad de marcado que ofrece el 18 El carbono tiene otros isótopos radiactivos de periodo inferior a 1 minuto. Este elemento está formado por el conjunto de isótopos. de periodo muy largo.. de gran utilidad en estudios cardiovasculares y oncológicos. esto es. 5730 a. a las bases púricas y pirimidínicas del ADN. que omitimos 11 . que se muestra a continuación18: Constitución isotópica del carbono β+ β− 20 m.24} Figura 3.) y el Na24 (T1/2 = 15 h.6 a. la Fisiología Humana. modelos metabólicos de alimentos o modelos de eliminación de tóxicos. Aplicaciones de las fuentes radiactivas Para abordar el tema de las aplicaciones de las fuentes radiactivas es necesario. 12 .H3 Con razón se ha dicho que los trazadores radiactivos son el paradigma de la moderna investigación científica. no hace falta decirlo. Se trata. y que. en el último medio siglo se han adquirido más conocimientos sobre los mecanismos que rigen los fenómenos de la Naturaleza que en todos los tiempos precedentes.tritio (H3). en Radioinmunoanálisis (RIA). vascular. esto es. como puede verse en las siguientes aplicaciones genéricas: • la dilución isotópica en Química Analítica. que permite determinar la cantidad de materia (de la misma especie que el trazador) presente en un sistema (o muestra). Con esta perspectiva. que permiten cuantificar in vivo el estado funcional de los diversos sistemas (tiroideo. El empleo de los trazadores ha supuesto una gran revolución en el conocimiento del Medio Ambiente. • los radiofármacos en Medicina Nuclear. se verá en seguida que el campo de las moléculas marcadas es prácticamente ilimitado. y limitándonos prácticamente a las fuentes gamma y de neutrones. de cuantificación. que sólo puede enfocarse desde un punto de vista utilitario. etc. etc. óseo. hacer un breve resumen de las interacciones de la radiación con la materia. gracias a ellos.4. el planteamiento puede ser el que se hace a continuación. en sustitución del hidrógeno (vide infra). etc.. que permiten detectar in vitro enfermedades infecciosas. previamente. II . y sin entrar en los detalles de los procesos primarios de interacción. niveles hormonales. 14 C6 H6 . en general. pulmonar. estimar la edad y tasa de reposición de los acuíferos. renal.. de un tema extraordinariamente complejo. Para finalizar con este apartado es pertinente subrayar que el empleo de los trazadores radiactivos cumple siempre funciones analíticas o. la Biología Celular y Molecular y. esto es. • los anticuerpos y antígenos marcados en Bioquímica. etc. se pueden validar modelos de transporte de contaminantes. • Con el empleo de trazadores se pueden medir caudales en hidrología. justificativo de las aplicaciones de las fuentes.) del organismo. por lo menos. C6 3H6 Benceno marcado con C14 y con tritio. en todas las Ciencias de la Naturaleza. En el vacío. 22 Para espesores finos (fabricación de papel). por el contrario. En un medio material. se emplea habitualmente radiación beta (β−). las causas de la atenuación F S ⇒ D ⇒ γ F… S… D… x… Fuente Sistema Detector espesor γ x Esquema de las aplicaciones por transmisión son las absorciones por efecto fotoeléctrico20 y las dispersiones por efecto de Compton21 (vide infra. magnéticos y nucleares de los átomos. por la que el fotón. su energía y las trayectorias rectilíneas originales. las radiaciones interaccionan con los campos eléctricos. al electrón. etc. 20 13 . y en ausencia de campos eléctricos y magnéticos. en forma cinética. en la que toda la energía del fotón es comunicada. niveles y densidades de sistemas23. L. esquemas respectivos). por colisiones elásticas e inelásticas con los electrones y núcleos atómicos. 21 Colisión elástica de un fotón gamma con un electrón cortical de las capas más externas. 23 Se emplea sistema como elipsis de sistema material o medio.). lo que se traduce en: • la alteración de la geometría de las trayectorias. sus dos manifestaciones más importantes son : ♣ la atenuación de la intensidad de un haz19 de radiación gamma al atravesar un medio material (aplicaciones por transmisión). a la vez que comunica parte de su energía al electrón. pertenecen a esta clase de aplicaciones la gammagrafía industrial y la instrumentación de control automático de espesores22. las radiaciones nucleares conservan su identidad. e− e− e− 19 Corriente aproximadamente unidireccional de fotones o partículas Absorción de un fotón gamma por un electrón cortical profundo (capas K. se desvía de su trayectoria. la retrodispersión de fotones gamma. accesibles solamente por una cara). Energía depositada en el medio por unidad de masa. lo que da lugar a la construcción de humidímetros para suelos y de sondas nucleares para prospección de hidrocarburos. • la alteración de la energía de la radiación. que se engloban en la disciplina denominada Química Bajo Radiación y comprende los efectos radiolíticos en 24 25 Pérdida de energía de los neutrones por colisiones elásticas que les desvían de su trayectoria. concretamente. a causa de las sucesivas dispersiones de Compton (en el caso de los fotones). con la que guardan relación diversos ♣ efectos químicos .Rayo X K L hν hν hν’ Esquema del efecto fotoeléctrico. por otro lado. con desviación y degradación del fotón ♣ la reflexión (o retrodispersión) de parte de un haz de fotones gamma o de neutrones al incidir sobre un medio material (aplicaciones por reflexión o albedulares). la reflexión de haces de neutrones. Cara accesible γ F ⇒ ⇒ Esquema de las aplicaciones por reflexión ⇓ γ’ D ⇐ S proporciona información sobre la densidad de sistemas materiales semi-infinitos (esto es. 14 . su esquema es similar al de la radiación gamma. por ionización y excitación de átomos y moléculas. o de las sucesivas colisiones elásticas de moderación24 (en el caso de los neutrones). es especialmente sensible a la concentración de hidrógeno en el medio. con absorción del fotón y fluorescencia de Rayos X Esquema del efecto de Compton. su manifestación principal es la transferencia de energía al medio. lo que da lugar a la magnitud dosis absorbida25. como los firmes de las carreteras (medidores Troxler) o las paredes de las perforaciones de sondeos mineros (sondas nucleares). general. etc. que tiene propiedades analíticas y se emplea para verificar niveles de impurezas en corrientes de materias primas que alimentan procesos industriales (cementeras. la inducción de mutaciones y. 15 . en los sistemas acuosos. que tienen aplicaciones en la esterilización de productos farmacéuticos y médico-quirúrgicos. es el que figura a continuación: γ n n’ 0 26 Es la forma simbólica de indicar que un núcleo atómico absorbe un neutrón n. como la fluorescencia de rayos X.. la emisión de radiación gamma instantánea. propiedades analíticas. la formación de radicales libres. • la alteración de la naturaleza de la radiación por procesos de absorción. inhibición de la función reproductora. la fluorescencia de rayos X. etc. siendo los más significativos los que se derivan de las lesiones al genoma celular (muerte celular. para colisiones del tipo (n. etc. y que la diferencia es emitida como radiación gamma (γ). juega un papel fundamental la radiolisis del agua (H2O) → (H2O)+ + e− → H+ + •OH + (e− )aq que genera radicales hidroxilo (•OH) y electrones hidratados. que se expulsa otro neutrón n’ de energía menor. estimulada por el efecto fotoeléctrico (ver esquema p. ♣ efectos biológicos . n’γ)26. su esquema.). grandes instalaciones de combustión. estimulada por colisiones inelásticas de neutrones energéticos (fuentes de Am241/Be y de Cf252). etc. en el campo de la Medicina. la radioterapia oncológica. que tiene.) ♣ a nivel del núcleo atómico. seguidos de emisión de radiaciones secundarias. estos efectos químicos tienen aplicaciones en la fabricación industrial de plásticos especiales (de alta resistencia térmica y eléctrica) . la pasteurización de alimentos. la polimerización de monómeros. sus manifestaciones más importantes son: ♣ a nivel de la corteza atómica. que se engloban en la disciplina de la Radiobiología. muy reactivos. en la destrucción de contaminantes resistentes a la degradación. 14).. la formación de centros de color en materiales cristalinos. tanto a nivel químico como bioquímico. y 3. los siguientes pares: U238 Rb87 K40 (4.. hace unos 4. cristalización. la evaluación II.5. sedimentación. etc.pozo de potencial nuclear E↑ Esquema de la emisión de energía gamma instantánea por colisión neutrónica inelástica y sus principales aplicaciones se centran en litológica de los sondeos de prospección minera.25 Ga) ⇒ ⇒ ⇒ Pb206 Sr87 Ar40 que obedecen al esquema padre t hijo Reloj radiactivo primordial 16 .) relacionado con el tiempo que se mide. roca. que se pusieron en marcha al crearse el Sistema Solar. Los relojes de esta naturaleza están basados en los radionucleidos primordiales.. o entre dos eventos sucesivos. Aplicaciones de los relojes radiactivos Todo radionucleido (padre) que decae dando un nucleido estable (hijo) es un reloj radiactivo (o atómico).que el reloj haya sido puesto a cero por algún evento singular (vulcanismo.. si cumple las siguientes condiciones: 1.51 Ma) (50 Ga) (1. fósil.650 Ma (millones de años). meteorito. etc.que el decaimiento tenga lugar en un sistema “cerrado” (mineral.) en el que no haya aporte ni pérdida de ninguno de los miembros del par (padre/hijo).que el radionucleido provea de “cuerda” suficiente al reloj para “andar” todo el lapso de tiempo desde el evento hasta el momento presente. en el cual la cantidad de hijo empieza a acumularse desde cero. 2.. Son ejemplos de esta clase. II . y N0 (= P + H). Con la muerte del ser vivo o con el aislamiento del estrato sedimentario. alcanzaron una concentración de equilibrio con cada uno de estos radionucleidos. se puede llegar a los 100. Tecnología de las aplicaciones 27 Esta concentración es el resultado de la dilución isotópica del C14 existente (unas 60 toneladas acumuladas a razón de 7.730 años de periodo. Pero.26 · 10-1 Bq/g de carbono27. Ambas cantidades. están ahora en sus inicios y es de esperar que aporten datos valiosos para esclarecer los puntos de origen y las primeras migraciones de la especie humana. t = λ−1 · ln ( 1 + H/P ) Con estos relojes se ha determinado la edad de la Tierra. que permiten contar átomos de C14 directamente. aparte del C14 hay otros muchos radionucleidos de mayor periodo. Al26 (730 ka).5 kg por año) en la masa de carbono intercambiable de la biosfera. El más notable de estos relojes es el del C14.000 años de antigüedad. etc.. … que han proporcionado información temporal sobre los eventos de la Era Cuaternaria. los materiales constituyentes de los sedimentos lacustres y marinos. 17 . ahora.. Ca41 (c. basado en una concentración “biosférica” de equilibrio de 2. la aparición y extinción de las especies. la edad de las rocas más antiguas. puesta en la forma t = λ−1 · ln (N0/N) donde N (= P) es el número de átomos del padre. siendo H el numero de átomos del hijo. hasta el momento presente. y sustituyendo se obtiene el tiempo transcurrido. Estos relojes. utilizando técnicas de recuento radiactivo. que hacen uso de técnicas de medida refinadísimas (como la antes citada de la espectrometría de masas). basados en los radionucleidos cosmogénicos. de 5. 100 ka). lo que permite ahora estimar el tiempo transcurrido.El tiempo se estima a partir de la ecuación de decrecimiento temporal.000 años de antigüedad. etc. hasta de 50. que miden el tiempo en base a otro principio: la constancia de la tasa de formación de estos radionucleidos a lo largo de los tiempos. aquella concentración de equilibrio empezó a decrecer. Hay otro tipo de relojes. ahora. con las nuevas técnicas de espectrometría de masas en tándem con aceleradores. con esta premisa resulta que los seres vivientes. son medibles.6. lo que permite fechar restos arqueológicos. como el Be7 (1600 ka). P y H. 18 . de una fuente puntual. Las fuentes gamma encapsuladas pueden prepararse en formas muy diversas. cuando son transportables a los lugares donde se realiza la aplicación.En toda aplicación concurren tres elementos fundamentales: la fuente radiactiva (F). pero. en el caso de las fuentes radiactivas encapsuladas28. las fuentes alfa son de uso muy limitado (eliminadores de electricidad estática) y apenas si cuentan en el panorama de las fuentes.) o por ser éstos solidarios al emplazamiento (perforaciones de sondeo. Pm147). centrales eléctricas. Ir192). y se expresa en roentgenios por hora. barcos. aviones. dada por E’ = Γ · A/ d2 al volumen total de la fuente. tanto fijas como móviles. a un reducido número de configuraciones típicas. pueden dotarse de blindajes colimadores para delimitar la exposición a los espacios de interés.). Las fuentes. R/h. empleados en los irradiadores. Las fuentes encapsuladas más importantes son las que contienen radionucleidos emisores gamma (Co60. previa realización de unas consideraciones generales sobre los mencionados elementos fundamentales. A la actividad de la 28 En el caso de los trazadores y los relojes. puentes. E’. que son los ocupados por el sistema material. En relación con las fuentes (F). debiendo entonces llevar al emplazamiento los sistemas materiales a tratar. cual es el caso de los grandes irradiadores industriales. donde Γ es la constante específica de la radiación gamma [en R/(Ci · h ). etc. que dan campos de tasa de exposición29 aproximadamente constante. éstas pueden ser móviles. Cualquier problema relativo a la tasa de exposición proveniente de fuentes complejas puede resolverse integrando la tasa de exposición. razón por la cual serán tratados marginalmente en este apartado. por el uso que de ellas se hace en irradiadores y gammágrafos. también pueden ensamblarse muchas fuentes unitarias para formar paneles multi-fuente. las fuentes también pueden ser de instalación fija. seguidas de las fuentes de neutrones (Am241/Be y Cf252). para exploraciones geofísicas. las fuentes beta (Sr90) tienen aplicaciones en instrumentación de control automático de espesores de pequeña y mediana densidad superficial (en el orden del gramo por centímetro cuadrado) y en la fabricación de pinturas luminiscentes (H3. 29 La tasa de exposición a la radiación gamma mide la tasa de ionización de esta radiación en el aire. el concepto de fuente radiactiva pierde consistencia. el detector de la radiación (D) y el sistema material (S) al cual se aplica la acción de la fuente. a 1 m de distancia]. la disposición geométrica de estos elementos da lugar. ya sea por su gran tamaño (turbinas. Cs137. etc. edificios. desde las cuasi-puntuales hasta las cilíndricas de decenas de centímetros de longitud (varillas de cobalto y alambres de iridio irradiados con neutrones). que se discutirán más adelante. finalmente. tal es el caso de las fuentes gammagráficas aplicadas a sistemas inamovibles. de centelleo. por lo tanto. En cuanto a los detectores (D).3 Ir192 0. A continuación se dan los valores de Γ para algunos isótopos Isótopo Γ Co60 1. los detectores no son sino sistemas materiales especiales de respuesta bien definida. en última instancia. La ciencia de la detección de las radiaciones y la electrónica de impulsos han alcanzado una perfección extraordinaria en este último medio siglo. en un caso. que recibe habitualmente el nombre de sonda nuclear. porque los efectos de ambas radiaciones son similares y la impartición de energía a la materia corre a cargo de las mismas partículas.3 Cs137 0. En las aplicaciones de irradiación de materiales.5 en donde puede apreciarse la prevalencia del Co60 en cuestiones de irradiación (exposición de placas gammagráficas y provisión de dosis a materiales). frente a la inmodificable emisión de radiación gamma de las fuentes. lo que permite 19 . para la vigilancia del campo de radiación que afecta a la protección radiológica del operador (monitores y dosímetros personales y de campo). intensidad y energía de la radiación. • los espectrómetros alfa y beta de centelleo líquido. en el otro). • las cámaras de ionización y cámaras de positrones • los detectores de centelleo (INa) y de semiconductores (Si y Ge). Es importante tener presente que las radiaciones ionizantes no son perceptibles por los sentidos y que. no sólo desde el punto de vista de la medición de la radiación para obtener el resultado. etc. etc. • las placas fotográficas y los registros electrónicos • los espectrómetros de masas en tándem con aceleradores. los electrones (primarios. sino también. los detectores de neutrones de F3B. pero esta desventaja es compensada con la seguridad radiológica que supone la extinción del haz de electrones al apagar el acelerador. Esta oferta se extiende en muchos casos a la combinación de fuente con detector. y secundarios. acoplados a analizadores multicanal. en términos absolutos o relativos (calibración). los aceleradores de electrones compiten seriamente con las fuentes gamma encapsuladas.fuente (en Ci) y d la distancia (en m). englobaremos en el epígrafe de los detectores a • los contadores proporcionales. lo que permite afirmar que hoy día para cada aplicación existe una oferta de detectores comerciales que resuelven el problema de la medida. formando una unidad solidaria. de Geiger-Müller. englobaremos en esta denominación a todo instrumento de medida que proporcione información cuantitativa sobre la naturaleza. los detectores son componentes necesarios en toda aplicación . por lo tanto. La única diferencia reside en la menor penetración de los electrones acelerados. etc. etc. las aplicaciones de los trazadores y de los relojes radiactivos pueden representarse mediante una configuración de la forma (F: S)⏐D. y las industrias de transformación. En resumen. Si a las aplicaciones de las fuentes sumamos las de los trazadores. esta configuración es esencialmente válida también para las aplicaciones de fluorescencia. el detector y el sistema) son las que se describen a continuación: • la configuración de transmisión. los límites de dosis legalmente En cuanto a los sistemas materiales (S). en segundo lugar. para indicar que la fuente F y el detector D.D)⏐S. como sistema de soporte de la salud (Radioterapia y Diagnóstico por Técnicas Nucleares) y. correspondiente a las aplicaciones de este nombre (ver esquema en p. • la configuración de reflexión.Topología de las aplicaciones CONFIGURACIÓN APLICACIÓN 20 . 13). para indicar que la fuente F está diluida en el sistema S. con sus cadenas de producción en serie de bienes de consumo. conservación e higienización de alimentos. correspondiente a las aplicaciones de este nombre (ver esquema en p. la producción. están situados en el mismo semiespacio libre.. Tabla 2 . nos interesa en primer lugar nuestro propio organismo. que pueden representarse en la forma F⏐S⏐D. Por extensión. propia de las aplicaciones de los irradiadores. que puede representarse en la forma (F. justamente el opuesto al que ocupa el sistema material S. para indicar que el sistema S y el detector D que le acompaña. e interpuesto entre ellos. objeto de la aplicación de las fuentes. de nuevo aparece en primer lugar nuestro propio organismo (Radiofármacos y Medicina Nuclear). que se puede representar en la forma F⏐(S. para indicar que el sistema S está físicamente separado de la fuente F y del detector D.D). están separados de la fuente F. cual son los relacionados con las industrias primarias de extracción de metales y combustibles. • la configuración de irradiación. mientras el detector D permanece separado e independiente. aunque separados físicamente. 14). nos interesan aquellos sistemas cuyo control o transformación tienen contenido económico o valor medioambiental. Las configuraciones topológicas en las que pueden disponerse los tres elementos básicos que acabamos de comentar (la fuente. que arrastran buena parte de la investigación científica a nivel fisiológico y de biología celular.evitar exposiciones que sobrepasen establecidos. la topología de las aplicaciones es la que se resume en la Tabla 2. trazadores o aparatos productores de radiaciones ionizantes con fines científicos. trazadores (fuentes no encapsuladas. El Registro Oficial de Instalaciones Radiactivas españolas30 -rayos X de uso médico aparte. 2ª y 3ª).Transmisión Reflexión y Fluorescencia Irradiación Trazadores y Relojes F⏐S ⏐D (F. las Instalaciones Radiactivas. según la cantidad de radionucleidos que están autorizadas a poseer y manejar (Reglamento de Instalaciones Nucleares y Radiactivas de 1972 y Directiva 96/29 de EURATOM). Normativa de las Instalaciones Radiactivas Se entiende por instalación radiactiva todo local. comerciales o industriales. según Categoría y finalidad. médicos. aparte de estar aceptablemente equipadas para la manipulación de fuentes. 21 .Número de Instalaciones Radiactivas. agrícolas.estaba compuesto.D) ⏐D F ⏐(S. y que cumple con los requisitos del régimen de autorizaciones administrativas vigente en España. Para ello. que dimana de las Directivas y Reglamentos del Ordenamiento Comunitario. Tabla 3. laboratorio o fábrica donde se manejan fuentes.D) (F:S) ⏐D II... a principios de 1997 CATEGORÍA 2ª 3ª 44 17 64 92 FINALIDAD Comercialización y fabricación Investigación y Enseñanza 30 Subtotal 61 156 Las Instalaciones Radiactivas en España se clasifican en tres Categorías ( de 1ª. por el conjunto de Instalaciones cuya finalidad se especifica en la Tabla 3. al cual hay que añadir 1 instalación de 1ª Categoría dedicada a la esterilización de material médico-quirúrgico. El objetivo final de dicho Ordenamiento sobre Instalaciones Radiactivas es el fomento de las aplicaciones de las radiaciones ionizantes que aporten un beneficio social o económico. sin incurrir en los perjuicios que dimanan de los efectos nocivos de las radiaciones sobre las personas o sobre el medio ambiente. se les llama a veces) y aparatos productores de radiaciones. a principios de 1997.7. deben contar con el personal capacitado para dirigirlas (Supervisores) y operarlas (Operadores). hay un consumo también regular. si son de corto periodo. A continuación se comentan algunas de las aplicaciones más representativas. También se importan anualmente del orden de 150. que puede cifrarse en unos 10 kCi/a para el M99-Tc99m y en unos cientos de Ci/a para el I131.Clasificación de las aplicaciones por campos de actividad. son de reposición más esporádica..APLICACIONES REPRESENTATIVAS En la Tabla 4 se han recogido las principales aplicaciones en los campos de la Investigación. con unas 300 unidades anuales (entre 10 y 150 Ci/unidad). son recogidos por ENRESA. han hecho posible el conocimiento de los mecanismos básicos de los fenómenos biológicos. la información proporcionada por las moléculas marcadas en las distintas etapas del ciclo celular y el auxilio prestado por las técnicas de separación analítica. 22 . y. caso contrario. Tabla 4.367 Operadores. la Medicina. con indicación del tipo al cual pertenecen. donde no se acomete ningún estudio sin hacer uso de los trazadores . El número de ejemplos que se podrían poner de empleo de trazadores en investigación es prácticamente ilimitado. que los acondiciona y deposita en el Centro de Almacenamiento de El Cabril (Córdoba). por ser de mayor duración. NN. de 1. antes de consolidarse la moderna Biología Molecular (Watson y Cricks. no obstante. Investigación Los trazadores han sido los instrumentos fundamentales para el esclarecimiento de los procesos biológicos. la Industria. III . 1953).000 detectores de humo (con fuentes exentas de Am241). que se consideran productos de consumo de libre comercio. Xe133. es muy pequeña (< 5 %.. en actividad) con relación a los que generan las CC.1.536 225 869 Industria Medicina Total 185 118 412 721 343 1.838 Supervisores y de 3. a la mencionada fecha. a título de ilustración.. la Agricultura y el Medio Ambiente. citaremos el caso de la fotosíntesis. La significación de estos residuos. Ga67 y Tl201. De los isótopos empleados en diagnóstico médico -que suelen tener un periodo de semidesintegración del orden de una semana o menor. Los residuos radiactivos que generan las aplicaciones de los isótopos se autoeliminan por decaimiento.281 El número de Licencias de Personal de Instalaciones Radiactivas era. por la importancia que tuvo como investigación pionera en la década de los años 40. III. Las fuentes encapsuladas de consumo más regular son las de Ir192. cada vez más refinadas. mientras que las de Co60 y Cs137. Análisis por activación neutrónica Industria Agricultura Procesos dinámicos de mezcla. Pesada en línea de materias primas. Control recubrimientos Polimerización. Esterilización. Abatimiento y destrucción de contaminantes. Vacunas. Curado de plásticos. Luz fría. El esquema de este proceso. prescindiendo de los 31 32 Radioinmunoanálisis. Minería Medio Ambiente Cadenas tróficas. Hidrología. Vulcanización. dio lugar a los combustibles fósiles). RIA31. PET32 Geocronología. Medida de caudales. en el pasado. Instrumentación de Control. 23 . Esterilización. por poner un ejemplo bien conocido). convierte el agua y el dióxido de carbono (productos últimos de la oxidación) en oxígeno y en compuestos orgánicos ricos en energía (en glucosa. Paliativos cáncer. Detectores de humo. no es sino la expresión simplificada de un ciclo complejo (el Ciclo de Calvin). que comprende por lo menos una docena de reacciones catalizadas por enzimas específicos. Gammagrafía. Datación arqueológica y variaciones climáticas Meteorología en estaciones inaccesibles Hidrología Humidímetros Control de impurezas.CAMPOS TIPO DE APLICACIÓN Investigación Medicina Mecanismos de Diagnóstico procesos radiofármacos. algas cianofíceas entre ellos) transforman la energía lumínica en energía química (que queda almacenada en forma de biomasa y alimentos. Pasteurización. Densidades. La energía de la luz solar. Fitogenética. Tasa de Reposición de acuíferos. Instrumentación de Control. Eficacia uso abonos. Detectores de humos. Haces/Transmisión Haces/Reflexión Haces/ Fluorescencia Irradiación Miscelánea Química bajo Radiación Braquiterapia. Trazadores Relojes Radioterapia. Litología. Siglas inglesas de "Positron Emission Tomography". La representación habitual de este proceso. y que. absorbida por los cloroplastos. Luz 6 · CO2 + 6 · H2O C6H12O6 + 6 · O2 sin embargo. Asociación de la radiactividad natural con minerales valiosos Conservación del patrimonio histórico • El ciclo de la fotosíntesis La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas (y algunos otros organismos. Fechado radiactivo. Osteoporosis (densidad ósea). Productos de consumo. • Datación de objetos carbonosos 24 . el almidón y otros polisacáridos.. e identificando los sucesivos compuestos radiactivos de carbono que se van formando. por otro lado. 32PO43−). suministrando a las plantas dióxido de carbono marcado (14CO2). el Ciclo de Calvin gira indefinidamente. ATP ADP 6 · C5 C6 H12O6 6 · CO2 6 · (C6) ADP ATP Figura 4. mediante la recuperación por la luz del caudal energético del ATP. a partir de los cuales se forma la glucosa. mientras que otras. que son como las monedas de cambio energético que las plantas emplean para impulsar las reacciones de síntesis de los compuestos orgánicos (como la glucosa). de alta eficiencia fotosintética (como el maíz y la caña de azúcar). es el representado en la Figura 4.compuestos aldehídicos de 3 átomos de carbono que intervienen de forma transitoria.Esquema del Ciclo de Calvin ¿Cómo se ha averiguado todo esto? Simplemente. el P32 (en forma de ion ortofosfato. de este modo. produciendo materia orgánica. donde C5 es un compuesto fosforilado de pentosa que fija CO2 para dar (C6). usan otro mecanismo ligeramente diferente (plantas C4). Así se ha visto que la mayoría de las especies vegetales (plantas C3) sigue este mecanismo de síntesis de sus compuestos orgánicos. ayuda a estimar el número de moléculas de ATP necesarias para impulsar el ciclo. Las reacciones de este ciclo serían termodinámicamente imposibles de realizar si no fuera porque los cloroplastos captan la luz solar y la utilizan para transformar moléculas de adenosindifosfato (ADP) en adenosintrifosfato (ATP). un compuesto inestable de seis átomos de carbono que se descompone dando los mencionados compuestos aldehídicos. que es una reminiscencia evolutiva de prototipos surgidos bajo condiciones más estrictas de temperatura y humedad. bajo distintas condiciones de iluminación y de tiempo de exposición. En la Figura 5 se muestran los restos humanos prehistóricos encontrados en una turbera en Inglaterra.. Los trazadores de uso médico son. cuyo fechado del lino con el que está hecha dio lugar recientemente a una intensa polémica .Fragmento de la Sábana Santa fechados por el C14. • in vitro. 25 .. y también. Con las modernas técnicas de cuenta directa de átomos de C14 (con espectrometría de masas y acelerador) la muestra necesaria para fechar un objeto puede ser muy pequeña (del orden de los miligramos). Turín para el fechado con C14.-2. por ello. mediante pruebas analíticas con moléculas marcadas (RIA). iniciada por Libby en1949.La datación (o fechado) de objetos carbonosos puede considerarse un fruto maduro de la cronología isotópica con C14. fármacos marcados con un isótopo radiactivo y. reciben el nombre de radiofármacos. En la Figura 6 se muestra el pequeño fragmento de la Sábana Santa de Turín. La Medicina Nuclear hace uso de estas sustancias • in vivo. como ejemplo de fechado con C14 de un “objeto” carbonoso.Restos humanos prehistóricos Figura 6. lo cual es de gran importancia cuando se trata de objetos únicos y de gran valor simbólico. de Figura 5. para realizar estudios morfológicos y funcionales de diversos órganos (ver Figura 7). en realidad. III. Medicina En Medicina son de gran utilidad tanto los trazadores radiactivos como las fuentes encapsuladas. Pero. cuando la selectividad metabólica del órgano por el isótopo es muy elevada. en general. Figura 7. a título de ejemplo. y. en Radioterapia (Teleterapia y Braquiterapia). para el tratamiento de tumores malignos. salvo el mencionado caso del tiroides y de algunos tumores tratables por vía intracavitaria (Braquiterapia). 26 . obtenidas con estos radiofármacos. en la Figura 8 se muestra la morfología tiroidea de un individuo sano y de otro enfermo (aquejado de un carcinoma en el istmo interlobular).. para tumores tiroideos). Las fuentes encapsuladas se emplean. que la diagnosis del tiroides puede realizarse tanto con I131 (en forma yoduro) como con Tc99m (en forma de pertecnato). fundamentalmente. ello no excluye que en algunos casos se puedan emplear isótopos sin encapsular (I131 en disolución. los fines son predominantemente diagnósticos.Principales radiofármacos empleados en la diagnosis de diferentes órganos del cuerpo humano. lo que predomina en el tratamiento oncológico es la Teleterapia con fuentes de Co60 (corrientemente denominadas bombas de cobalto). • Diagnosis tiroidea En la Figura 7 puede verse.En ambos casos. para ello. incluso los de localización Figura 11 se muestra un moderno equipo de bomba de cobalto. En la Figura 9 se muestra el esquema utilizado habitualmente en la Tomografía de Emisión de Positrones (de siglas inglesas PET. descubierto por Mme Curie en 1898. • La bomba de cobalto La Radioterapia se inició a principios del siglo XX utilizando el isótopo natural Ra226 . de los muchos que existen hoy día en los hospitales..a b Figura 8. se le administra al paciente un radiofármaco emisor de positrones que sea utilizado metabólicamente por el cerebro. por ejemplo. pero. empezó a ser sustituido por el isótopo artificial Co60 y desde entonces sigue siendo éste el isótopo clave en el tratamiento del cáncer. tal es el caso de la glucosa marcada con C11 o de un derivado de la glucosa marcado con F18. • Tomografía cerebral Desde hace un par de décadas es posible ver el estado funcional del cerebro a distintos planos de corte (Tomografía) mediante el empleo de la cámara de positrones. con las que se le designa abreviadamente) y en la Figura 10 pueden verse las imágenes tomográficas que se obtienen para un individuo sano y para otro afectado por un tumor frontal. con actividad biológica localmente exacerbada (X). para obtener la energía que necesita en su funcionamiento. como la fluodeoxiglucosa (18FDG). 27 . porque permite a b profunda. en los años de 1950.Exploración de una glándula tiroidea normal (a) y otra afectada por un carcinoma (b). En la irradiar toda clase de tumores. Figura 11.Esquema ilustrativo de la realización de una tomografía cerebral mediante suministro al paciente de un radiofármaco emisor de positrones. 1 aniquilación de positrones.Moderno equipo de radioterapia (bomba de cobalto) de cabezal giratorio.Figura 10. Industria 28 .. III.. Figura 9. 2 detector gamma en coincidencia y 3 tomograma.Tomografía cerebral normal (a) y con tumor frontal (b). obtenidas con fluordeoxiglucosa marcada (18FDG)..-3. en los irradiadores industriales. esterilización de productos de "usar y tirar". la firma comercial del país proveedor las retira cuando procede a su reposición. todo depende de la naturaleza rutinaria y del carácter empresarial que se le dé a la aplicación. bien sea controlando espesores o densidades mediante equipos de transmisión o de reflexión de haces.Esquema de un aparato de control automático de espesor de productos laminares. como se dijo. . . 29 .desde las decenas de milicurios. en las fuentes de medidores de control. Figura 12. etc.. • Control de calidad por gammagrafía 33 Las aplicaciones industriales a veces son difíciles de deslindar de las aplicaciones mineras. refinerías petrolíferas. una vez inservibles. en las fuentes gammagráficas. bien sea discriminando materiales por umbrales de impurezas (habitualmente por fluorescencia de rayos X). agrícolas y de protección del medio ambiente. ya sea en el control de calidad de productos fabricados en serie. porque. Curiosamente.). También. El contenido isotópico de las fuentes industriales varía según el tipo de aplicación: . las fuentes de uso industrial no suelen producir residuos radiactivos en el país que las utiliza. centrales térmicas.). que actúan sobre servomecanismos que controlan este parámetro.La Industria33 ofrece un amplio campo de actividades para el empleo de las fuentes encapsuladas. la irradiación con fuentes intensas se considera como una operación unitaria de proceso para mejorar la calidad de determinados productos ( plásticos especiales. • Medidores de control Forman parte. En la Figura 12 se muestra el esquema de los medidores de espesores. etc.a las decenas de curios. ya sea en el control de calidad de las materias primas de procesos industriales (cementeras. del control automático de líneas de producción industrial.o las centenas de kilocurios. Es la aplicación más importante de las fuentes de Ir192. En la Figura 14 se esquematiza el proceso de polimerización del polietileno. El resto de estos controles se realiza con fuentes de Co60 (para grandes espesores. si se continúa la irradiación del material. Aplicada la radiación (fuentes de Co60) a los monómeros con los que se fabrican los plásticos se induce la formación de grandes cadenas poliméricas. y. que por sí solas llegan a cubrir el 95% de los ensayos no destructivos que se realizan en el control de calidad de productos de fundición.Esquemas de la disposición de elementos que intervienen en la gammagrafía industrial y de la fuente de Ir192 (con dimensiones acotadas en milímetros).. se forman plásticos especiales de alto grado de entrecruzamiento catenario. hasta decenas de centímetros de acero) o con Tm170 (para pequeños espesores. Colimador Fuente radiactiva Pieza Defecto Iridio-192 Pantalla reforzadora Película Imagen del defecto Penumbra geométrica Figura 13. que es la que da mayor nitidez radiogáfica. del orden de milímetros). soldaduras de construcciones metálicas. que son las especies intermediarias de muchas reacciones químicas. En la Figura 13 se muestra la disposición de elementos en la gammagrafía industrial y un croquis de una fuente casi puntual de Ir192 (acotada en milímetros). etc. 30 . • Polimerización por la radiación La radiación gamma ioniza la materia y crea radicales libres. que mejora considerablemente sus propiedades como aislante térmico y eléctrico. etc. En la Figura 15 se muestra una de las etapas de la selección de mutantes que ha conducido. la paciente labor de selección de variantes de cultivos que el agricultor ha realizado desde el neolítico para obtener el reducido número de especies útiles que configuran el sistema agrícola heredado. esporádicamente. pero una pequeña fracción de ellas dan lugar a variantes genéticas de interés (mutantes). 31 . mejor adaptación a las condiciones climáticas. por su mayor contenido de sustancias tróficas. • Mejora de cultivos por selección de mutantes La irradiación de semillas da lugar a una gran variedad de mutaciones en sus genes. etc. También se emplean los trazadores radiactivos en el estudio de la absorción de nutrientes por las plantas y en la diagnosis de enfermedades infecciosas del ganado. a medida que se hagan visibles los resultados de la ingeniería genética (alimentos transgénicos). en parte.-4. a unos pocos años. etc. sorgo. la irradiación de semillas para provocar la aparición de mutaciones. para la conservación de alimentos. producción de defensas naturales contra agresores medioambientales.Inducción de la polimerización del etileno por la radiación para formar polietileno. cebada.. En definitiva. la esterilización de insectos. desde 1950. resolviendo el problema de la subalimentación de algunas regiones del mundo.. Agricultura En Agricultura se hace uso de las fuentes de Co60 y. III.Figura 14. de Cs137. lo que ahora se hace científicamente por selección de mutantes no es sino abreviar.000 cultivos obtenidos por mutación inducida -variantes de arroz. la mayoría de estas mutaciones no aportan nada positivo desde el punto de vista de la fitotecnia. a la introducción de más de 2.que están cambiando el panorama agrícola y. etc. Este sistema está cambiando rápidamente por efecto de la selección de mutantes y. cambiará más. trigo. . que actualmente es de muy bajo rendimiento. • Incremento de la producción pecuaria Con la ayuda de los organismos FAO y OIEA de las Naciones Unidas se está intentando relanzar la producción ganadera de los países en vías de desarrollo.a b Figura 15. por no controlar el ciclo reproductivo. a b Figura 16.Ejemplos de mejora en la cabaña del búfalo indio: toma de sangre (a) y ejemplares después del tratamiento (b). entre otras causas.. como condición previa a su optimización. En la Figura 16 se muestra la toma de sangre para el análisis hormonal y el aumento de producción que se consigue utilizando técnicas nucleares de gestión del ciclo y de alimentación del ganado. 32 .Selección de mutantes de expresión favorable en campos de experimentación (a) y aplicación de la variedad UNA-La Molina 95 de cebada mutada en la inhóspita sierra andina de Perú (b). Ello ha dado lugar a la introducción de técnicas de radioinmunoanálisis (RIA) de las hormonas del ciclo. a b 33 . en la enfermedad del sueño (en humanos) y la tripanosomiasis (en animales) transmitidas por la mosca tsetsé. Figura 17. y en la Figura 19 la producción de millones de moscas esterilizadas. no sólo técnicamente. porque tiene que contarse con la cooperación de todos los países afectados. la técnica empleada ha sido la de los insectos estériles.La mosca mediterránea (a) produce grandes pérdidas en los frutales de las zonas infestadas (b). que se sueltan por tandas para que compitan sexualmente con los nativos del territorio infestado.Zonas de Africa subsahariana afectadas por la peste de la mosca tsetsé. hasta lograr su extinción. Figura 18. pero el problema es muy difícil. La FAO y el OIEA han iniciado ya la erradicación de esta plaga en Tanzania. mermando así su descendencia.. que consiste en la producción masiva de insectos machos esterilizados por irradiación. junto con la fruta dañada por la puesta de huevos en su pulpa. contando con la experiencia de éxitos precedentes (erradicación de la mosca de la fruta y del gusano barrenador en el Caribe y Sur de los Estados Unidos). por las muchas variantes de insectos tsetsé existentes en territorios tan extensos.• La técnica de los insectos estériles Hay grandes regiones del planeta cuyas poblaciones. Piénsese. dispuestas para su suelta mediante avionetas. por ejemplo.. que afecta a numerosos países del Africa subsahariana (ver Figura 17). lo que se repite una y otra vez. En los casos concluidos con éxito. En la Figura 18 puede verse la mosca de la fruta (o mosca mediterránea). tanto a nivel humano como pecuario. están arruinadas por las infecciones transmitidas por los insectos. sino también políticamente. etc. que producen su destrucción o putrefacción. listas para su suelta aérea con avioneta (c) en la zona infestada. Todas estas pérdidas e intoxicaciones pueden paliarse mediante la irradiación de los alimentos dentro de un intervalo de dosis que sea suficiente para conseguir el efecto deseado (reducción de la carga microbiana).. la carga patógena portada por los alimentos es causa de múltiples infecciones entéricas. hongos.a b c Figura 19. • Conservación de alimentos por irradiación Las grandes pérdidas de alimentos recolectados que tienen lugar anualmente en el mundo se deben. 34 . fundamentalmente. sin que dé lugar a la alteración de los caracteres organolépticos de los mismos.. a que los productos alimentarios están infestados por insectos. gorgojos. en este caso en Tanzania (mosca tsetsé). Por otro lado.Larvas de mosca mediterránea (a) y envasado de moscas estériles (b). se ha comprobado reiteradamente que los alimentos son inocuos y tienen una mayor vida útil.Los productos agrícolas casi siempre están contaminados con microorganismos patógenos.-5. Equivale a 1 J•kg-1. para determinar (por reflexión) la densidad de los estratos y. que conservan su mismo aspecto y textura. etc. 35 . con ello. que pueden consistir en • un simple detector gamma. porque todos estos datos pueden indicar si un estrato reúne las condiciones favorables para albergar minerales o combustibles beneficiables.. Th232 y U238).. • una fuente y un detector gamma. Figura 20. su radiactividad natural. expresada por el símbolo "radura" (circulo en verde).Procediendo de este modo. la porosidad necesaria para albergar hidrocarburos. para medir la radiactividad natural (radionucleidos K40. en particular. que suele ir asociada a otros minerales de interés. su densidad. como la Salmonella. 34 El gray es la unidad de dosis absorbida en el Sistema Internacional. Esta información se obtiene haciendo descender por la perforación sondas nucleares. y para dosis inferiores a 10 kilograys34. la composición elemental del estrato. La irradiación es un método eficaz para garantizar su calidad higiénica. En la Figura 20 se muestran diversos alimentos irradiados. III. y tienen un contenido patógeno mucho menor que los no irradiados. Minería En Minería se presenta el problema de conocer las características de los estratos que atraviesa una perforación de sondeo. En la Figura 21 puede verse el esquema de uso de una sonda nuclear y el espectro de radiación gamma “instantánea” que se obtiene de un estrato carbonífero.-6. 1997). Polonia/OIEA) para captar los gases que producen las lluvias ácidas.• o. III. hasta llegar a ser el elemento crítico en la selección de las tecnologías de menor impacto ambiental. En la Figura 22 puede verse el esquema de un proyecto piloto (Szczecin. a b Figura 21. Medio Ambiente La protección del Medio Ambiente ha ido creciendo en consideración durante los últimos 30 años. relegando a un segundo lugar el sobrecoste que ello pueda suponer. para obtener la composición elemental del estrato. mediante 36 . una fuente de neutrones y un detector gamma. mediante colisiones inelásticas de neutrones energéticos (fuentes de Am241/Be y de Cf252). con indicación del espectro gamma instantáneo obtenido (b). • Abatimiento de contaminantes En el caso de las grandes instalaciones de combustión es urgente conseguir el abatimiento de los gases que producen las lluvias ácidas (SO2 y NOx). independientemente de que quede pendiente para mejor ocasión la reducción de emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero (Kioto.Empleo de una sonda nuclear (fuente + detector) para determinar la composición litológica de los estratos de un sondeo (a).. Una solución puesta en práctica en algunos países.). etc. como Francia. que produce la consolidación de la pieza por polimerización y la eliminación de los insectos xilófagos. con formación de abonos nitrogenados.. lo que da lugar a la formación de abonos nitrogenados para la Agricultura. libros. documentos. es la restauración de piezas deteriorados por impregnación con un monómero y su posterior irradiación gamma. hongos. a b Figura 22.su irradiación con haces de electrones en presencia de amoniaco. a 37 . • Conservación del patrimonio histórico Los contaminantes atmosféricos han agravado el problema de la conservación del patrimonio de bienes culturales (estatuas.Contaminación (a) por gases de chimenea (SO2. objetos de arte. etc. NOX) y abatimiento (b) mediante su ionización con haces electrónicos en atmósfera de NH3. En la Figura 23 puede verse una estatua restaurada por este procedimiento y la cámara donde se ha llevado a cabo la irradiación. por esterilización. .b Figura 23.Conservación de estatuas del patrimonio histórico por irradiación. 38 . que consiste en la polimerización de un monómero de impregnación (a) y la esterilización contra insectos xilófagos y hongos (b). reunidas por campos. De cuanto antecede se desprende la conclusión de que los isótopos radiactivos (o los átomos radiactivos en general) forman parte esencial de la 39 .Trazadores radiactivos.RESUMEN Y CONCLUSIONES En esta ponencia se han presentado las aplicaciones positivas de las radiaciones ionizantes. El empleo de los isótopos en Medicina ha permitido crear nuevas técnicas de diagnóstico de la enfermedad y ha proporcionado los procedimientos terapéuticos más eficaces en la lucha contra los tumores malignos. en menos de medio siglo. como instrumentos polivalentes para analizar. Finalmente. estimulando la reactividad química de los contaminantes de difícil retención. con la consecuencia de haber conseguido reunir.IV . mediante la consolidación y esterilización de los bienes culturales. En la Industria. en sus dos modalidades de . como instrumentos de valor inestimable en la investigación científica. y . En Minería se emplean las sondas nucleares en la determinación de las características litológicas de las perforaciones de prospección en cuencas mineras y campos petrolíferos. los trazadores radiactivos se emplean en el diagnóstico de enfermedades infecciosas y en la optimización del ciclo reproductivo de la cabaña pecuaria.. Se han expuesto los fundamentos de los distintos tipos de aplicaciones y se han descrito las de uso más frecuente.Fuentes de radiación. así como en la conservación del Patrimonio Histórico. En Investigación Científica. las fuentes se emplean en la inducción de mutaciones en semillas. las fuentes radiactivas han permitido crear sensores para el control en tiempo real de las cadenas de producción de bienes de consumo y han elevado el nivel de la garantía de calidad de los productos y sistemas tecnológicos. controlar o transformar gran número de sistemas materiales. las radiaciones ionizantes pueden utilizarse en la protección del Medio Ambiente. más conocimientos sobre las ciencias de la Naturaleza que en todos los tiempos precedentes. las aplicaciones de los isótopos han aportado nuevas herramientas para profundizar en los mecanismos que rigen los fenómenos naturales. erradicación de plagas y en la conservación de alimentos por irradiación. En Agricultura. materia que nos rodea y nos constituye. por lo tanto. en vez de obstinarse en luchar inútilmente contra la radiactividad como "residuo nocivo y peligroso". La actitud racional. con sus cualidades buenas y malas como todas las cosas de este mundo. debe consistir en maximizar los beneficios que nos reporta frente a los perjuicios que puede ocasionar. ante el control tecnológico de la radiactividad por el hombre del siglo XX. ¡La radiactividad es residuo sólo cuando deja de sernos útil! 40 .