RADIOISÓTOPO.

    Además de la complejidad de los átomos, se suma que todos los elementos son (en cierta manera) radiactivos. Si bien cada uno tiene diferentes isótopos (estables o no), en este artículo sólo se explica sobre los radioisótopos.

Ernesto Russo.

Tabla periódica de los elementos.

 Un radioisótopo (radionucleido, radionúclido, nucleido radioactivo o isótopo radiactivo) es un átomo que tiene un exceso de energía nuclear, lo que lo hace inestable. Este exceso de energía puede ser utilizado de tres maneras: emitida desde el núcleo como radiación gamma; transferida a uno de sus electrones para liberarlo como un electrón de conversión interna; o utilizada para crear y emitir una nueva partícula (partícula alfa o partícula beta) desde el núcleo. Durante esos procesos, se dice que el radioisótopo sufre una desintegración radiactiva. Estas emisiones se consideran radiación ionizante porque son lo suficientemente potentes como para liberar un electrón de otro átomo. La desintegración radioactiva puede producir un isótopo estable o a veces produce un nuevo radioisótopo inestable que puede sufrir una mayor desintegración. La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales: es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. Sin embargo, para una colección de átomos de un solo elemento, la tasa de desintegración, y por lo tanto la vida media. (t1/2) para esa colección puede calcularse a partir de sus constantes de decaimiento medidas. El rango de vida media de los átomos radiactivos no tiene límites conocidos y abarca un rango de tiempo de más de 55 órdenes de magnitud. Los radioisótopos se producen naturalmente o artificialmente en reactores nucleares, ciclotrones, aceleradores de partículas o generadores de radioisótopos. Hay alrededor de 730 radioisótopos con vidas medias de más de 60 minutos. Treinta y dos de ellos son radioisótopos primigenios que fueron creados antes de que se formara la tierra. Al menos otros 60 radioisótopos son detectables en la naturaleza, ya sea como hijos de radioisótopos primigenios o como radioisótopos producidos a través de la producción natural en la Tierra por la radiación cósmica. Más de 2400 radioisótopos tienen una vida media inferior a 60 minutos. La mayoría de ellos se producen solo artificialmente y tienen una vida media muy corta. Para la comparación, hay cerca de 252 isótopos estables. (En teoría, solo 146 de ellos son estables, y se cree que los otros 106 se desintegran (desintegración alfa o desintegración beta o doble desintegración beta o captura electrónica o captura de doble electrón)). Todos los elementos químicos pueden existir como radioisótopos. Incluso el elemento más ligero, hidrógeno, tiene un conocido radioisótopo, tritio. Los elementos más pesados que el plomo, y los elementos tecnecio y prometio, existen solo como radioisótopos. (En teoría, los elementos más pesados que disprosio existen solo como radioisótopos, pero la vida media de algunos de estos elementos (por ejemplo, oro y platino) es demasiado larga para encontrarlos). La exposición no planificada a los radioisótopos tiene generalmente un efecto nocivo sobre los organismos vivos, incluidos los seres humanos, aunque los bajos niveles de exposición se producen de forma natural y sin daños. El grado de daño dependerá de la naturaleza y extensión de la radiación producida, de la cantidad y naturaleza de la exposición (contacto cercano, inhalación o ingestión) y de las propiedades bioquímicas del elemento, siendo la consecuencia más habitual el aumento del riesgo de cáncer. Sin embargo, los radioisótopos con propiedades adecuadas se utilizan en medicina nuclear tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. Un marcador de imágenes hecho con radioisótopos se llama marcador radioactivo. Un medicamento farmacéutico hecho con radioisótopos se llama radiofármaco. 

Origen

Natural

En la Tierra, los radioisótopos naturales se dividen en tres categorías: radioisótopos primigenios, radioisótopos secundarios y radioisótopos cosmogónicos. Los radioisótopos se producen en nucleosíntesis estelar y explosiones de supernova junto con los isótopos estables. La mayoría se desintegran rápidamente, pero todavía se pueden observar astronómicamente y pueden desempeñar un papel en la comprensión de los procesos astronómicos. Los radioisótopos primigenios, tales como el uranio y el torio, existen en la actualidad porque sus vidas medias son tan largas (>100 millones de años) que aún no se han desintegrado completamente. Algunos radioisótopos tienen una vida media tan larga (muchas veces la edad del universo) que la desintegración solo ha sido detectada recientemente, y para la mayoría de los propósitos prácticos pueden ser considerados estables, más notablemente el bismuto-209: la detección de esta desintegración significaba que el bismuto ya no era considerado estable. Es posible la desintegración que se pueda observar en otros isótopos que se añaden a esta lista de radioisótopos primigenios. Los radioisótopos secundarios son isótopos radiogénicos derivados de la desintegración de los radioisótopos primigenios. Tienen una vida media más corta que los radioisótopos primigenios. Surgen en la cadena de desintegración de los isótopos primigenios torio-232, uranio-238 y uranio-235. Los ejemplos incluyen los isótopos naturales de polonio y radio. Los Isótopos cosmogónicos, como carbono-14, están presentes porque se están formando continuamente en la atmósfera debido a los rayos cósmicos. Muchos de estos radioisótopos existen solo en cantidades mínimas en la naturaleza, incluyendo todos los isótopos cosmogónicos. Los radioisótopos secundarios se producirán en proporción a su vida media, por lo que los de corta duración serán muy raros. Así, el polonio puede encontrarse en los minerales de uranio a unos 0,1 mg por tonelada métrica. (1 parte en 1010). En la naturaleza pueden ocurrir más radioisótopos en cantidades prácticamente indetectables como resultado de eventos raros como la fisión espontánea o interacciones de rayos cósmicos poco comunes.

Fisión Nuclear

Los radioisótopos se producen como resultado inevitable de la fisión nuclear y explosiones termonucleares. El proceso de fisión nuclear crea una amplia gama de productos de la fisión nuclear, la mayoría de los cuales son radioisótopos. Se pueden crear más radioisótopos a partir de la irradiación del combustible nuclear (creando un rango de actínidos) y de las estructuras circundantes, produciendo productos de activación. Esta compleja mezcla de radioisótopos con diferentes químicas y radiactividad hace que el manejo de los desechos nucleares y el tratamiento de la lluvia radiactiva sea particularmente problemático.

Sintético

Los radioisótopos sintéticos se sintetizan deliberadamente utilizando reactores nucleares, aceleradores de partículas o generadores de radioisótopos:

• Además de ser extraídos de desechos nucleares, los radioisótopos pueden ser producidos deliberadamente con reactores nucleares, explotando el alto flujo de neutrones presentes. Estos neutrones activan elementos situados en el interior del reactor. Un producto típico de un reactor nuclear es iridio-192. Se dice que los elementos que tienen una gran propensión a absorber los neutrones en el reactor tienen una sección transversal del neutrón alta.

• Los aceleradores de partículas como el ciclotrón aceleran las partículas para bombardear un objetivo y producir radioisótopos. Los ciclotrones aceleran los protones en un objetivo para producir radioisótopos emisores de positrones, por ejemplo el flúor-18.

• Los generadores de radioisótopos contienen un radioisótopo padre que se descompone para producir una hija radioactiva. La matriz se produce generalmente en un reactor nuclear. Un ejemplo típico es el generador de tecnecio-99m utilizado en medicina nuclear. El padre producido en el reactor es molibdeno-99.

Usos

Los radioisótopos se utilizan de dos maneras principales: bien solo por su radiación (irradiación, baterías nucleares) o bien por la combinación de sus propiedades químicas y su radiación (trazadores, biofármacos).

• En biología, los radioisótopos de carbono pueden servir como trazadores radiactivos porque son químicamente muy similares a los isótopos no radioactivos, por lo que la mayoría de los procesos químicos, biológicos y ecológicos los tratan de una manera casi idéntica. Uno puede entonces examinar el resultado con un detector de radiación, tal como un contador Geiger, para determinar dónde se incorporaron los átomos provistos. Por ejemplo, se podrían cultivar plantas en un ambiente en el que el dióxido de carbono contenga carbono radioactivo; entonces las partes de la planta que incorporan carbono atmosférico serían radioactivas. Los radioisótopos pueden ser utilizados para monitorear procesos como la replicación del ADN o el transporte de aminoácidos.

• En medicina nuclear, los radioisótopos se utilizan para el diagnóstico, el tratamiento y la investigación. Los trazadores químicos radioactivos que emiten rayos gamma o positrones pueden proporcionar información diagnóstica sobre la anatomía interna y el funcionamiento de órganos específicos, incluyendo el cerebro humano. Esto se usa en algunas formas de tomografía: tomografía computarizada de emisión monofotónica, tomografía por emisión de positrones (PET) e Imágenes de luminiscencia Cherenkov. Los radioisótopos son también un método de tratamiento en las formas hematopoyéticas de los tumores; el éxito del tratamiento de los tumores sólidos ha sido limitado. Las fuentes de rayos gamma más potentes esterilizan las jeringas y otros equipos médicos.

• En la conservación de alimentos, la radiación se utiliza para detener la brotación de los cultivos de raíces después de la cosecha, para matar parásitos y plagas, y para controlar la maduración de las frutas y verduras almacenadas.

• En la industria y en la minería, los radioisótopos se utilizan para examinar soldaduras, detectar fugas, estudiar la tasa de desgaste, erosión y corrosión de metales, y para el análisis de una amplia gama de minerales y combustibles.

• En las naves espaciales y en otros lugares, los radioisótopos se utilizan para suministrar energía y calor, en particular a través de los generadores termoeléctricos radioisotópicos (RTGs).

• En astronomía y cosmología los radioisótopos juegan un papel en la comprensión del proceso estelar y planetario.

• En física de partículas, los radioisótopos ayudan a descubrir nuevas físicas (física más allá del Modelo Estándar) midiendo la energía y el momento de sus productos de desintegración beta.

• En ecología, los radioisótopos se utilizan para rastrear y analizar agentes contaminantes, para estudiar el movimiento de las aguas superficiales y para medir las escorrentías de lluvia y nieve, así como los caudales de arroyos y ríos.

• En geología, arqueología, y paleontología, se utilizan los radioisótopos naturales para medir las edades de las rocas, minerales y materiales fósiles.

Ejemplos

En la siguiente tabla se enumeran las propiedades de los radioisótopos seleccionados, ilustrando la gama de propiedades y usos.

• Tritio (3H). Vida media: 12.3 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. El radioisótopo más ligero, usado en fusión nuclear artificial, también usado para la radioluminiscencia y como trazador de transitorios oceánicos. Sintetizado a partir del bombardeo de neutrones de litio-6 o deuterio.

• Berilio-10. Vida media: 1,387,000 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. Se utiliza para examinar la erosión del suelo, la formación del suelo a partir del regolito y la edad de los núcleos de hielo.

• Carbono-14. Vida media: 5,700 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. Usado para datación por radiocarbono.

• Flúor-18. Vida media: 110 minutos. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. Fuente de positrones, sintetizada para su uso como trazador radioactivo en tomografías por emisión de positrones.

• Aluminio-26. Vida media: 717,000 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. Datación por exposición de rocas, sedimentos.

• Cloro-36. Vida media: 301,000 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. Datación por exposición de rocas, trazador de aguas subterráneas.

• Potasio-40. Vida media: 1.24×109 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Primigenio. Usado para datación potasio-argón, fuente de argón atmosférico, fuente de calor radiogénico, la fuente más grande de radiactividad natural.

• Calcio-41. Vida media: 102,000 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. Datación por exposición de rocas carbonática.

• Cobalto-60. Vida media: 5.3 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Produce rayos gamma de alta energía, utilizados para radioterapia, esterilización de equipos e irradiación de alimentos.

• Estroncio-90. Vida media: 28.8 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Producto de fisión. Productos de fisión de vida media; probablemente el componente más peligroso de la lluvia radiactiva.

• Tecnecio-99. Vida media: 6 horas. Modo de desintegración: radiación Gamma. Sintético. El isótopo más común del elemento inestable más ligero, el más significativo de productos de fisión de larga vida.

• Tecnecio-99m. Vida media: 6 horas. Modo de desintegración: radiación Gamma. Sintético. El radioisótopo médico más comúnmente usado, usado como un trazador radioactivo.

• Yodo-129. Vida media: 15,700,000 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Cosmogénico. El más longevo producto de fisión; trazador de agua subterránea.

• Yodo-131. Vida media: 8 días. Modo de desintegración: radiación Beta. Producto de fisión. El riesgo más significativo a corto plazo para la salud debido a la fisión nuclear, utilizado en medicina nuclear, trazador industrial.

• Xenón-135. Vida media: 9.1 horas. Modo de desintegración: radiación Beta. Producto de fisión. El «veneno nuclear» (absorbente de neutrones) más fuerte conocido, con un efecto importante en el funcionamiento de los reactores nucleares.

• Cesio-137. Vida media: 30.2 años. Modo de desintegración: radiación Beta. Producto de fisión. Otro producto de fisión de vida media de interés.

• Gadolinio-153. Vida media: 240 días. Modo de desintegración: CE. Sintético. Calibración de equipos nucleares, cribado de la densidad ósea.

• Bismuto-209. Vida media: 1.9×1019 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Primigenio. Considerado estable durante mucho tiempo, la descomposición solo se detectó en 2003.

• Polonio-210. Vida media: 138 días. Modo de desintegración: radiación Alfa. Producto de desintegración. Altamente tóxico, usado en el envenenamiento de Aleksandr Litvinenko.

• Radón-222. Vida media: 3.8 días. Modo de desintegración: radiación Alfa. Producto de desintegración. Gas, responsable de la mayor parte de la exposición pública a las radiaciones ionizantes, segunda causa más frecuente de cáncer de pulmón.

• Torio-232. Vida media: 1.4×1010 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Primigenio. Base del ciclo de combustible de torio.

• Uranio-235. Vida media: 7×108 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Es fisible y es el combustible nuclear principal.

• Uranio-238. Vida media: 4.5×109 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Primigenio. Principal isótopo de uranio.

• Plutonio-238. Vida media: 87.7 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Sintético. Utilizados en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTGs) y calentadores de radioisótopos como fuente de energía para naves espaciales.

• Plutonio-239. Vida media: 24110 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Sintético. Usado para la mayoría de las armas nucleares modernas.

• Americio-241. Vida media: 432 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Sintético. Utilizado en detectores de humo domésticos como agente ionizante.

• Californio 252. Vida media: 2.64 años. Modo de desintegración: radiación Alfa. Sufre una fisión espontánea (3 % de las desintegraciones), lo que lo convierte en una potente fuente de neutrones, utilizada como iniciador de reactores y para dispositivos de detección.

Impacto en los organismos

Los radioisótopos que se introducen en el medio ambiente pueden causar efectos nocivos como la contaminación radiactiva. También pueden causar daño si se usan excesivamente durante el tratamiento o si se exponen de otras maneras a seres vivos, por envenenamiento por radiación. El daño potencial a la salud por la exposición a los radioisótopos depende de una serie de factores, y puede dañar las funciones de los tejidos y órganos sanos. La exposición a la radiación puede producir efectos que van desde el enrojecimiento de la piel y la pérdida de cabello, hasta quemaduras por radiación y síndrome de irradiación aguda. La exposición prolongada puede llevar a que las células se dañen, y a su vez, a que se desarrolle el cáncer. Los signos de células cancerosas podrían no aparecer hasta años, o incluso décadas, después de la exposición.

Referencias

• R.H. Petrucci, W.S. Harwood and F.G. Herring.: “General Chemistry”. (2002).

• Stabin, Michael G.: “Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics”. (2007).

• Eisenbud, Merril; Gesell, Thomas F.: “Environmental Radioactivity: From Natural, Industrial, and Military Sources”. (1997).

• World Health Organization.: “Ionizing radiation, health effects and protective measures”. (2012).

• World Nuclear Association.: “Radioisotopes in Industry”.

Fotografías: Créditos a quien corresponda.