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Física y Química 3.º ESO · La radiactividad y sus aplicaciones

La radiactividad: isótopos inestables, usos y riesgos

Objetivo: Al terminar, sabrás describir la radiactividad como la emisión de radiación por núcleos inestables, distinguir las radiaciones alfa, beta y gamma, y explicar sus usos, sus riesgos y cómo protegerse.

Explicación

Un descubrimiento por casualidad

En 1896, el francés Henri Becquerel guardó unas sales de uranio en un cajón junto a placas fotográficas envueltas en papel negro. Al revelarlas, las placas estaban veladas: el uranio emitía «algo» que atravesaba el papel sin necesidad de luz. Poco después, Marie y Pierre Curie descubrieron dos elementos que emitían mucha más radiación, el polonio y el radio, y llamaron a este fenómeno radiactividad. Marie Curie recibió dos premios Nobel (Física en 1903 y Química en 1911).

¿Qué es la radiactividad?

En la sesión anterior viste que algunos isótopos tienen un núcleo inestable. Con el tiempo, ese núcleo se transforma por sí solo y emite radiación.

Radiactividad: emisión espontánea de radiación por núcleos atómicos inestables.

Es un fenómeno del núcleo, no de los electrones: no cambia aunque el elemento forme parte de un compuesto, ni aunque lo calentemos o enfriemos.
Al emitir radiación, el núcleo puede convertirse en el de otro elemento.

Tipos de radiación

	Alfa ( $\alpha$ )	Beta ( $\beta$ )	Gamma ( $\gamma$ )
¿Qué es?	Núcleos de helio (2 protones + 2 neutrones)	Electrones muy rápidos que salen del núcleo	Radiación electromagnética (como la luz) de mucha energía
Carga	$+2$	$-1$	sin carga
Poder de penetración	Muy pequeño: la detiene una hoja de papel o la piel	Medio: la detienen unos milímetros de aluminio	Muy grande: hacen falta varios centímetros de plomo o mucho hormigón

Radiactividad natural y artificial

Natural: siempre estamos expuestos a un poco de radiación. Viene de rocas y suelos (uranio, torio, y el gas radón, que sale de rocas como el granito de la sierra de Madrid), de alimentos (potasio-40 de los plátanos o de nuestro propio cuerpo) y del espacio (rayos cósmicos).
Artificial: radioisótopos fabricados en reactores y aceleradores para medicina, industria o investigación.

Cada radioisótopo se transforma a su ritmo: unos pierden casi toda su radiactividad en horas (el tecnecio-99m) y otros tardan miles de millones de años (el uranio-238).

Usos

Medicina: diagnóstico (gammagrafías, PET), radioterapia contra el cáncer, esterilización de material quirúrgico.
Energía: en las centrales nucleares, los núcleos de uranio-235 se rompen (fisión) y liberan mucha energía sin emitir $\text{CO}_2$ . En España producen, aproximadamente, una quinta parte de la electricidad.
Datación: carbono-14 para restos de seres vivos; otros isótopos para rocas.
Industria y hogar: radiografías de soldaduras, medidores de espesor, trazadores para localizar fugas, detectores de humo.

Riesgos y protección

Estas radiaciones son ionizantes: tienen energía suficiente para arrancar electrones de los átomos y pueden dañar las células y su ADN. El daño depende de la dosis recibida (se mide en sieverts, Sv, y sus milésimas, mSv): una radiografía da una dosis muy pequeña; una dosis alta produce quemaduras, enfermedades graves y aumenta el riesgo de cáncer.

Los residuos radiactivos de centrales y hospitales siguen emitiendo radiación durante mucho tiempo y deben guardarse vigilados (en España, los de baja y media actividad se almacenan en El Cabril, Córdoba). Los accidentes de Chernóbil (1986) y Fukushima (2011) muestran sus riesgos.

Para protegerse de una fuente radiactiva:

Tiempo: estar cerca de ella el menor tiempo posible.
Distancia: cuanto más lejos, menos radiación llega.
Blindaje: poner pantallas de plomo u hormigón.

Las personas que trabajan con radiación llevan un dosímetro que mide la dosis que reciben. En España, el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) vigila todas las instalaciones. Las zonas con radiación se señalan con el trébol radiactivo.

Puntos clave

La radiactividad es la emisión espontánea de radiación por núcleos inestables; es un fenómeno del núcleo.
Alfa: núcleos de helio (+2), la para un papel. Beta: electrones (−1), la paran unos mm de aluminio. Gamma: radiación electromagnética sin carga, necesita plomo u hormigón.
Hay radiactividad natural (radón, potasio-40, rayos cósmicos) y artificial.
Usos: medicina, energía nuclear, datación, industria.
La radiación ionizante daña las células según la dosis; protección: tiempo, distancia y blindaje.

Errores frecuentes

ErrorPensar que un objeto que ha recibido radiación se vuelve radiactivo (por ejemplo, una fruta esterilizada con rayos gamma).
Cómo corregirloRecibir radiación gamma no hace radiactivo un objeto: la radiación lo atraviesa o se absorbe, pero no deja núcleos inestables en él.
ErrorConfundir la radiación beta con un electrón de la corteza.
Cómo corregirloLos electrones beta salen del núcleo al transformarse un neutrón en un protón; no son los electrones que giran alrededor.
ErrorCreer que la radiación gamma es la más peligrosa en cualquier situación.
Cómo corregirloFuera del cuerpo, la gamma es la más difícil de detener. Pero una fuente alfa dentro del cuerpo (por ejemplo, radón inhalado) es muy dañina, porque deja toda su energía en muy poco espacio.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. ¿Qué emite esta fuente? experimental (contador Geiger)
En una práctica se coloca un contador Geiger frente a una fuente radiactiva y se interponen distintas pantallas. Sin fuente, el contador marca 30 cuentas por minuto (radiación de fondo). Resultados con la fuente:

Pantalla Cuentas por minuto

ninguna 1200

hoja de papel 800

5 mm de aluminio 300

5 cm de plomo 30

¿Qué tipos de radiación emite la fuente? Estima cuántas cuentas por minuto se deben a cada tipo.

Resolución
- El papel reduce las cuentas de 1200 a 800: detiene $1200 - 800 = 400$ cuentas/min → la fuente emite alfa.
- El aluminio reduce de 800 a 300: detiene $800 - 300 = 500$ cuentas/min → emite beta.
- Lo que atraviesa el aluminio y para el plomo es gamma: $300 - 30 = 270$ cuentas/min.
- Con plomo queda la radiación de fondo (30), que no viene de la fuente.
La fuente emite los tres tipos: unas 400 cuentas/min de alfa, 500 de beta y 270 de gamma.
Ejemplo 2. Trabajar con tecnecio-99m situación real (protección radiológica)
Un técnico del servicio de medicina nuclear de un hospital de Madrid prepara cada mañana dosis de tecnecio-99m, que emite radiación gamma, para hacer gammagrafías. Propón tres medidas para que reciba la menor dosis posible y explica para qué sirve el dosímetro que lleva en la bata.

Resolución
Aplicamos las tres reglas de protección:
1. Tiempo: preparar las dosis deprisa y no quedarse junto a la fuente más de lo necesario.
2. Distancia: manipular los viales con pinzas y guardarlos lejos de la zona donde trabaja.
3. Blindaje: como es radiación gamma, muy penetrante, trabajar detrás de una mampara de plomo (con cristal plomado) y guardar las jeringas en fundas de plomo.
El dosímetro mide la dosis que recibe a lo largo del mes, para comprobar que no supera los límites permitidos.

Pantalla	Cuentas por minuto
ninguna	1200
hoja de papel	800
5 mm de aluminio	300
5 cm de plomo	30

Ejemplo 3. ¿Centrales nucleares sí o no? argumentación (usos y riesgos)

En un debate de clase hay que preparar argumentos sobre las centrales nucleares. Haz una tabla con dos ventajas y dos inconvenientes basados en la ciencia, no en opiniones.

Resolución

Ventajas	Inconvenientes
Producen mucha energía con poco combustible (la fisión del uranio-235 libera muchísima energía).	Generan residuos radiactivos que hay que guardar vigilados durante mucho tiempo.
No emiten $\text{CO}_2$ al producir electricidad, así que no contribuyen al calentamiento global de la misma forma que el carbón o el gas.	Un accidente grave (Chernóbil, Fukushima) puede contaminar una zona amplia durante años.

Otros argumentos válidos: producen electricidad de forma estable, de día y de noche (ventaja); el uranio es un recurso limitado y construirlas es muy caro (inconvenientes).

Un buen argumento científico separa los hechos (qué residuos produce, cuánto $\text{CO}_2$ emite) de las opiniones (si merece la pena o no).

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Completa la tabla:

Radiación ¿Qué es? Carga ¿Qué la detiene?

Alfa

Beta

Gamma

Ver solución
Alfa: núcleos de helio, +2, una hoja de papel. Beta: electrones, −1, unos mm de aluminio. Gamma: radiación electromagnética, sin carga, varios cm de plomo u hormigón.
Ver la tabla de la explicación: α = núcleos de helio (2 p + 2 n), carga +2, la para un papel; β = electrones rápidos salidos del núcleo, carga −1, la paran unos mm de aluminio; γ = radiación electromagnética de mucha energía, sin carga, hace falta plomo grueso u hormigón.
2. Fácil
¿Verdadero o falso? Corrige las falsas. a) La radiactividad se produce en la corteza del átomo. b) Si calentamos una muestra de uranio, deja de ser radiactiva. c) La radiación gamma no tiene carga eléctrica. d) Todos estamos expuestos a algo de radiactividad natural. e) Una manzana esterilizada con rayos gamma se vuelve radiactiva.

Ver solución
a) F: en el núcleo. b) F: la radiactividad no depende de la temperatura. c) V. d) V. e) F: la radiación gamma no deja el alimento radiactivo.
a) Falso: es un fenómeno del núcleo. b) Falso: la radiactividad no cambia con la temperatura ni con las reacciones químicas. c) Verdadero. d) Verdadero: radón, potasio-40, rayos cósmicos… e) Falso: la radiación gamma la atraviesa y mata microorganismos, pero no crea núcleos inestables en la manzana.
3. Fácil
Clasifica estos usos de la radiactividad en medicina, energía, datación o industria: a) Gammagrafía de los huesos. b) Saber la edad de un hueso de mamut. c) Central nuclear de Trillo. d) Comprobar una soldadura en un gasoducto. e) Radioterapia contra un tumor. f) Detector de humo.

Ver solución
Medicina: a, e. Energía: c. Datación: b. Industria: d, f.
a) y e) medicina (diagnóstico y tratamiento); b) datación con carbono-14; c) energía; d) industria (radiografía industrial); f) industria y hogar (americio-241).
4. Media
Con un contador Geiger se mide la radiación de una fuente gamma a distintas distancias (ya se ha restado el fondo). Los resultados aparecen en la gráfica. a) ¿Cuántas cuentas por minuto hay a 10 cm y a 20 cm? ¿Y a 40 cm? b) ¿Qué ocurre con las cuentas cuando la distancia se duplica? c) ¿Qué medida de protección confirma esta experiencia?

Ver solución
a) 1600, 400 y 100 cuentas/min. b) Se reducen a la cuarta parte. c) La distancia: alejarse de la fuente reduce mucho la radiación recibida.
a) Leyendo la gráfica: 1600 cuentas/min a 10 cm, 400 a 20 cm y 100 a 40 cm. b) De 10 a 20 cm: $1600 : 400 = 4$ ; de 20 a 40 cm: $400 : 100 = 4$ . Al duplicar la distancia, las cuentas se dividen entre 4. c) La distancia: alejarse un poco de la fuente reduce mucho la radiación recibida.
5. Media
En algunos pueblos de la sierra de Madrid, construidos sobre granito, se recomienda ventilar bien los sótanos y las plantas bajas. a) ¿Qué gas radiactivo sale del suelo granítico? b) ¿Por qué se acumula sobre todo en sótanos y plantas bajas, y por qué ventilar ayuda? c) ¿Es radiactividad natural o artificial?

Ver solución
a) El radón. b) Sale del suelo y se acumula en espacios cerrados cercanos a él; ventilando se renueva el aire y baja su concentración. c) Natural.
a) Radón, un gas que se forma a partir del uranio de las rocas. b) Entra desde el suelo y, en espacios cerrados y poco ventilados cercanos al terreno, se concentra; al ventilar se sustituye por aire de fuera y se respira menos radón. c) Natural: procede de las rocas.
6. Difícil
Una fuente emite solo radiación alfa. Un compañero dice: «Como la radiación alfa la para una hoja de papel, es inofensiva». Explica en qué situación tiene razón y en cuál no.

Ver solución
Tiene razón fuera del cuerpo (la piel la detiene); no la tiene si la fuente se inhala o se ingiere, porque dentro del cuerpo la radiación alfa daña mucho las células cercanas.
Fuera del cuerpo, la radiación alfa no atraviesa ni la capa externa de la piel, así que el riesgo es muy bajo. Pero si la sustancia se respira o se traga (como el radón o el polonio), emite alfa dentro del cuerpo, junto a células vivas, y como deja toda su energía en muy poco espacio, el daño es grande. Por eso el radón es peligroso.

Para practicar más

1. Fácil
Relaciona: 1. Henri Becquerel; 2. Marie Curie; 3. Consejo de Seguridad Nuclear; 4. El Cabril. A. Descubrió el polonio y el radio. B. Almacén de residuos radiactivos de baja y media actividad. C. Descubrió que las sales de uranio velaban placas fotográficas. D. Organismo que vigila las instalaciones radiactivas en España.

Ver solución
1-C, 2-A, 3-D, 4-B.
Becquerel → placas veladas por uranio (1896); Marie Curie → polonio y radio; CSN → vigilancia; El Cabril (Córdoba) → residuos de baja y media actividad.
2. Fácil
¿De qué radiación se trata (alfa, beta o gamma)? a) No tiene carga. b) Son núcleos de helio. c) La detienen unos milímetros de aluminio. d) Es la menos penetrante. e) Son electrones que salen del núcleo.

Ver solución
a) Gamma. b) Alfa. c) Beta. d) Alfa. e) Beta.
a) γ; b) α (2 protones + 2 neutrones); c) β; d) α (la para un papel); e) β.
3. Media
Repite el análisis del ejemplo «¿Qué emite esta fuente?» con estos datos (radiación de fondo: 20 cuentas/min):

Pantalla Cuentas por minuto

ninguna 900

hoja de papel 900

5 mm de aluminio 600

5 cm de plomo 25

¿Qué radiaciones emite la fuente? ¿Cuántas cuentas por minuto corresponden a cada una?
Ver solución
No emite alfa; beta unas 300 cuentas/min; gamma unas 575-580 cuentas/min (la mayoría parada por el plomo).
- El papel no cambia nada (900 → 900): no hay alfa.
- El aluminio reduce de 900 a 600: $900 - 600 = 300$ cuentas/min de beta.
- El plomo reduce de 600 a 25: $600 - 25 = 575$ cuentas/min de gamma que detiene; quedan 25, apenas por encima del fondo (20), es decir, unas 5 cuentas/min de gamma atraviesan incluso el plomo. Emite beta y gamma (unas 300 y 580 cuentas/min).
4. Media
Explica por qué la misma propiedad de la radiación la hace útil para tratar un tumor y peligrosa para una persona sana.

Ver solución
Porque es ionizante: daña las células. En radioterapia se dirige a las células del tumor para destruirlas; en una persona sana daña células sanas.
La radiación es ionizante: arranca electrones y daña el ADN de las células. En radioterapia se concentra en el tumor para destruir sus células; si llega sin control a una persona sana, daña sus células sanas. Lo que cambia es dónde se dirige y la dosis.
5. Media
a) ¿Qué son los residuos radiactivos? Pon dos ejemplos de dónde se producen. b) ¿Por qué no se pueden tirar a un vertedero normal? c) ¿Dónde se guardan en España los de baja y media actividad?

Ver solución
a) Materiales que contienen radioisótopos y ya no se usan: combustible gastado de centrales, material de hospitales. b) Porque siguen emitiendo radiación mucho tiempo. c) En El Cabril (Córdoba).
a) Materiales que siguen siendo radiactivos y ya no sirven: combustible gastado de las centrales nucleares, guantes, jeringas y restos de medicina nuclear, piezas de instalaciones desmanteladas. b) Siguen emitiendo radiación ionizante durante años o incluso miles de años, y podrían contaminar el suelo y el agua. c) En El Cabril, en Hornachuelos (Córdoba).
6. Difícil
En el laboratorio hay que guardar tres fuentes: la A emite solo alfa, la B solo beta y la C, gamma. a) Ordénalas de menor a mayor poder de penetración. b) Propón el material más sencillo que sirva de blindaje para cada una. c) ¿Cuál de ellas es más peligrosa si se respira en forma de gas o polvo? ¿Por qué?

Ver solución
a) A < B < C. b) A: una caja de cartón o papel; B: una lámina de aluminio de unos mm; C: un contenedor de plomo grueso. c) La alfa (A), porque dentro del cuerpo deja toda su energía en las células cercanas.
a) Alfa < beta < gamma. b) A: papel o cartón (o cualquier recipiente cerrado); B: unos milímetros de aluminio (o plástico grueso); C: varios centímetros de plomo. c) La A: fuera del cuerpo es la menos peligrosa, pero dentro, la radiación alfa daña mucho las células que tiene al lado.