Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas · La física nuclear
Aplicaciones tecnológicas y sanitarias de la física nuclear
Cuando un doctor te manda una radiografía en un hospital de Managua o de León, o cuando a un paciente con cáncer le dan radioterapia, se usa radiación ionizante, la misma que sale de los núcleos inestables. ¿Cómo se aprovecha la radiactividad para curar, diagnosticar y controlar la calidad de productos sin que nos haga daño? Eso vamos a resolver en esta página.
Medicina nuclear: diagnóstico y radiofármacos
Un paciente toma una pequeña solución incolora y, minutos después, una cámara detecta fotones gamma que salen casi solo de su tiroides, y muestra su forma y su funcionamiento sin una sola incisión. ¿Cómo puede una sustancia química actuar como «espía» desde dentro del cuerpo sin dañarlo gravemente?
La ventaja es clara: la radiación gamma atraviesa los tejidos y sale del cuerpo, así que el detector puede «ver» dónde está el isótopo. Mira cómo se desintegra una muestra con período de semidesintegración de 6 horas:
En cada período de semidesintegración la actividad se reduce a la mitad: tras $n$ períodos queda la fracción $\left(\tfrac{1}{2}\right)^n$ de la actividad inicial.
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En medicina nuclear de diagnóstico se administran al paciente pequeñísimas cantidades de radiofármacos, sustancias marcadas con isótopos radiactivos que se acumulan en…
En medicina nuclear de diagnóstico se administran al paciente pequeñísimas cantidades de radiofármacos, sustancias marcadas con isótopos radiactivos que se acumulan en el órgano que se quiere estudiar.
a) Explica qué ventaja ofrece usar un isótopo radiactivo para estudiar el funcionamiento de un órgano desde fuera del cuerpo.
b) Razona por qué interesa que el radiofármaco tenga una semivida de horas y no de años.
Para destruir un tumor profundo sin quemar la piel sana que lo cubre, los médicos cruzan varios haces débiles desde distintos ángulos, o colocan diminutas cápsulas radiactivas dentro de la lesión. ¿Cómo se concentra la energía destructiva solo sobre las células enfermas?
La radiación ionizante daña el ADN de las células. Las que se dividen rápido, como las cancerosas, tienen menos tiempo para reparar ese daño, así que sufren más. La dosis de radioterapia es mucho mayor que la de un diagnóstico, que busca solo obtener la imagen; por eso en radioterapia se cruzan varios haces (la dosis se suma solo en el tumor) y se protege el tejido sano.
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La radioterapia emplea radiaciones ionizantes para destruir tumores. a) Explica por qué las radiaciones ionizantes dañan sobre todo a las células que se dividen con…
La radioterapia emplea radiaciones ionizantes para destruir tumores.
a) Explica por qué las radiaciones ionizantes dañan sobre todo a las células que se dividen con rapidez, como las cancerosas.
b) Indica qué diferencia hay entre la dosis de radiación usada en una prueba de diagnóstico y la usada en radioterapia.
c) Menciona una precaución lógica para proteger los tejidos sanos que rodean al tumor durante el tratamiento.
Centrales nucleares: fisión y el futuro de la fusión
Nicaragua no tiene centrales nucleares: su electricidad viene de la geotermia, el viento, el agua, el sol y plantas térmicas. En otros países sí las hay. ¿Cómo convierte un núcleo de uranio en electricidad, y qué beneficios y perjuicios trae?
Si se retiraran demasiadas barras de control, los neutrones aumentarían sin límite, la potencia se dispararía y el reactor se sobrecalentaría.
Una sola fisión libera muy poca energía; lo que importa es que en una muestra pequeña hay una cantidad enorme de núcleos. Para contarlos se usa el mol: un mol de una sustancia tiene $N_A = 6.02\times10^{23}$ partículas y su masa en gramos es la masa molar (numéricamente, el número másico del isótopo en g/mol).
Dos ventajas de la fusión frente a la fisión: combustible muy abundante (el deuterio está en el agua) y residuos de mucha menor duración. En el Sol, con menos temperatura, la fusión se sostiene porque su enorme masa genera una presión gravitatoria que confina el plasma.
Desechos radiactivos y período de semidesintegración
La radiactividad no se puede «apagar» ni «quemar»: cada núcleo se desintegra a su ritmo y nada de lo que hagamos (calor, presión, reacciones químicas) lo cambia. Solo queda esperar o aislar el material.
@@INICIO_RADON@@
El radón-222 es un gas radiactivo natural que sale del suelo y se filtra en las casas. Su período de semidesintegración es de solo $3.8$ días, y aun así en una vivienda sobre suelo rico en uranio siempre se detecta radón. ¿Por qué no se agota si cada átomo desaparece en pocos días?
Un átomo de radón desaparece al desintegrarse, pero el suelo produce átomos nuevos todo el tiempo: el radón viene de la cadena de desintegración del uranio-238, cuyo período de semidesintegración es de miles de millones de años. Es como una pila con el chorro abierto y el desagüe destapado.
Protección radiológica
Un detector Geiger a $50\ \text{cm}$ de una fuente marca $16\ \mu\text{Sv/h}$; a $100\ \text{cm}$ marca solo $4\ \mu\text{Sv/h}$, y con una lámina de plomo baja casi al nivel de fondo. ¿De qué depende el daño y cómo nos protegemos?
Las tripulaciones de los aviones reciben más dosis anual que quienes viven a nivel del suelo porque a gran altura la atmósfera protege menos de los rayos cósmicos y pasan muchas horas allí.
El principio ALARA no prohíbe los estudios con radiación: un TAC está justificado cuando el médico necesita esa información para decidir un diagnóstico o un tratamiento, el beneficio es mucho mayor que el riesgo y no se puede obtener con una prueba sin radiación (como el ultrasonido). Aun así se exigen precauciones: la dosis mínima necesaria, no repetir estudios sin necesidad y proteger las zonas del cuerpo que no se estudian.
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El efecto biológico de la radiación se mide en sievert ($\text{Sv}$), y recibimos dosis naturales continuamente: del radón del suelo, de los rayos cósmicos, de los…
El efecto biológico de la radiación se mide en sievert ($\text{Sv}$), y recibimos dosis naturales continuamente: del radón del suelo, de los rayos cósmicos, de los alimentos e incluso de nuestro propio cuerpo.
a) Ordena de menor a mayor estas dosis efectivas típicas: radiografía de tórax ($0.1\ \text{mSv}$), vuelo transatlántico ($0.1\ \text{mSv}$) y fondo natural recibido en un año ($2.4\ \text{mSv}$).
b) Razona por qué las tripulaciones de los aviones reciben una dosis anual mayor que la población que vive en la superficie.
Dosis efectivas típicas: radiografía de tórax, $0.1\ \text{mSv}$; TAC de abdomen, $10\ \text{mSv}$; vuelo transatlántico, $0.1\ \text{mSv}$; fondo natural recibido en un…
Dosis efectivas típicas: radiografía de tórax, $0.1\ \text{mSv}$; TAC de abdomen, $10\ \text{mSv}$; vuelo transatlántico, $0.1\ \text{mSv}$; fondo natural recibido en un año, $2.4\ \text{mSv}$.
a) Calcula a cuántas radiografías de tórax equivale, en dosis, un TAC de abdomen.
b) Calcula a cuántos años de fondo natural equivale ese mismo TAC.
c) El principio ALARA («tan bajo como sea razonablemente posible») guía la práctica de la medicina nuclear y la radiología: úsalo para argumentar cuándo está justificado realizar un TAC a pesar de su dosis y qué precauciones cabe exigir.
Gammagrafía industrial: la radiación gamma atraviesa una soldadura de un oleoducto y deja una imagen en una placa; una grieta o burbuja deja pasar más radiación y se ve.
Control de espesor: una fuente beta a un lado de la hoja de papel y un detector al otro; si la hoja es más gruesa, pasan menos partículas y se ajusta la máquina.
Esterilización: el material quirúrgico desechable y algunas especias se irradian con gamma de cobalto-60, que rompe el ADN de bacterias y mohos. Se prefiere al calor porque no daña plásticos ni deja restos.
Generadores de radioisótopos (RTG): las sondas Voyager usan plutonio-238 ($T = 87.7$ años), de período largo, para producir electricidad durante décadas lejos del Sol.
La fuente de cobalto-60 se guarda bajo una piscina de agua o tras muros gruesos de concreto porque la radiación gamma es muy penetrante y solo un blindaje denso y grueso la detiene.
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Las fuentes radiactivas tienen muchas aplicaciones fuera de la medicina y de la producción de electricidad. a) En la construcción de oleoductos se «radiografían» las…
Las fuentes radiactivas tienen muchas aplicaciones fuera de la medicina y de la producción de electricidad.
a) En la construcción de oleoductos se «radiografían» las soldaduras con fuentes gamma: explica en qué se basa esa técnica de control de calidad.
b) En la industria del papel se usan fuentes beta para controlar el grosor de la hoja de forma continua: razona en qué consiste el método.
c) El material quirúrgico desechable se esteriliza con radiación gamma: indica por qué se prefiere este procedimiento al calor.
En algunas plantas se irradian especias y otros alimentos con gamma de cobalto-60 para eliminar bacterias, mohos e insectos. a) Explica cómo consigue la radiación gamma…
En algunas plantas se irradian especias y otros alimentos con gamma de cobalto-60 para eliminar bacterias, mohos e insectos.
a) Explica cómo consigue la radiación gamma eliminar a los microorganismos.
b) Razona por qué el alimento irradiado no se vuelve radiactivo, teniendo en cuenta que a las energías empleadas la radiación no llega a modificar los núcleos de los átomos del alimento.
c) Cuando la fuente no se usa, se sumerge en una piscina de agua o se guarda tras muros gruesos de concreto: justifica esa medida con las propiedades de penetración de la radiación gamma.
Vuelve al principio: la radiación ionizante sirve para diagnosticar, curar y controlar la calidad, pero exige responsabilidad: tiempo, distancia, blindaje y ALARA. ¿Conviene apostar por la energía nuclear?
Resumen
¡A practicar! 1 ejercicios de nivel medio en este apartado