Radiactividad: por qué algunos átomos se desintegran

En la última semana de febrero de 1896, Henri Becquerel estaba atascado esperando al sol. Trabajando en su laboratorio del Muséum National d'Histoire Naturelle de París, había estado investigando sales fosforescentes de uranio, con la expectativa de que los cristales cargados por la luz solar pudieran emitir los misteriosos rayos nuevos que Wilhelm Röntgen había anunciado el noviembre anterior. Su plan era sencillo: dejar que las sales absorbieran la luz del día, colocarlas sobre una placa fotográfica envuelta en papel negro grueso y comprobar si algo atravesaba la envoltura. Pero París se cubrió de nubes durante días y, sin luz solar para cargar sus cristales, Becquerel desistió por el momento y metió todo el montaje, la sal apoyada sobre la placa envuelta, en un cajón.

Cuando por fin reveló esa placa el primero de marzo, encontró la silueta de la sal de uranio impresa con claridad sobre ella, nítida e inconfundible. Ninguna luz solar había llegado nunca a los cristales. Lo que fuera que había expuesto la placa no procedía del exterior del uranio sino de su interior, una emisión que la sal producía por sí sola, en la oscuridad, sin ninguna fuente de energía aparente. Becquerel se había topado con una propiedad de la materia que nadie había sospechado: ciertos átomos no son estables en absoluto, y se desintegran según su propio calendario, lanzando radiación a su paso.

Este artículo sigue ese hilo desde el cajón de París hasta el hospital moderno y la datación de la Tierra. ¿Qué es lo que realmente sale de un átomo inestable, por qué algunos se desintegran en minutos y otros a lo largo de miles de millones de años, y por qué nada de ello se ve afectado por la química ordinaria del calor, la presión y los enlaces?

Un accidente en un cajón se convierte en una ciencia nueva

La rareza del resultado de Becquerel es fácil de subestimar. Los rayos X de Röntgen, descubiertos apenas unos meses antes, necesitaban un aparato: un tubo de vacío, una alta tensión, un haz de electrones estrellándose contra un metal. El uranio de Becquerel no necesitaba nada, permaneciendo inerte en un cajón cerrado y radiando de todas formas. El tiempo nublado, lejos de arruinar el experimento, fue lo que hizo posible el descubrimiento, porque eliminó la luz solar como explicación y dejó al uranio solo como única fuente.

El fenómeno encontró a su defensora en una joven física de origen polaco afincada en París. Marie Skłodowska Curie, junto con su marido Pierre Curie, retomó el enigma de Becquerel y lo llevó mucho más lejos. A partir de 1898, en la Escuela de Física y Química Industriales de París, los Curie procesaron toneladas de pechblenda, un oscuro mineral de uranio de las minas de Bohemia, separándolo químicamente fracción a fracción y midiendo la actividad de cada una. Algunas fracciones eran mucho más activas de lo que el contenido de uranio por sí solo podía explicar, lo que significaba que el mineral contenía otros elementos, más intensamente radiantes, en cantidades minúsculas. De este trabajo minucioso aislaron dos elementos nuevos, el polonio (llamado así por la patria de Marie) y el radio, este último alrededor de un millón de veces más radiactivo que el propio uranio.

El reconocimiento que siguió fue histórico. Marie Curie compartió el Premio Nobel de Física de 1903 con Pierre y Becquerel, y en 1911 ganó el Premio Nobel de Química por el aislamiento del radio. Sigue siendo la única persona que ha obtenido Premios Nobel en dos ciencias distintas. La palabra radiactividad, la emisión espontánea de partículas o radiación desde núcleos inestables, fue suya.

Tres tipos de rayos, ordenados con un imán

Si los átomos inestables emiten algo, la siguiente pregunta evidente es qué. La respuesta resultó no ser una sola cosa sino tres, y la persona que las desenredó fue Ernest Rutherford. Trabajando en la Universidad McGill en 1899, hizo pasar la radiación a través de un campo magnético y la vio dividirse en componentes distintos que se desviaban en diferentes direcciones y en diferentes magnitudes. Un campo magnético desvía las cargas en movimiento, de modo que la forma en que se curvaba cada componente revelaba su carga y, aproximadamente, su masa. Rutherford nombró a los tres con las primeras letras del alfabeto griego: alfa, beta y gamma.

Una partícula alfa es un núcleo de helio-4: dos protones y dos neutrones unidos, con una carga de +2 y una masa de unas 4 unidades de masa atómica. Es pesada y lenta para lo que es la radiación y, aunque energética, pierde esa energía casi de inmediato al contacto, así que una sola hoja de papel o la capa externa muerta de la piel la detiene.

Una partícula beta-menos es un electrón, pero no uno arrancado de las capas externas de un átomo. Se crea en el instante de la desintegración, cuando un neutrón dentro del núcleo se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino, expulsando estos dos últimos. La carga es menos uno y la masa es diminuta. Al ser ligeras y rápidas, las partículas beta penetran más que las alfa, pero unos pocos milímetros de aluminio las absorben.

La radiación gamma es de otra clase. No es en absoluto una partícula de materia, sino un fotón de alta energía, un paquete de radiación electromagnética con masa cero y carga cero, razón por la cual un imán no la desvía. Sin carga a la que aferrarse y sin masa que detener, los rayos gamma atraviesan la materia con facilidad, y atenuarlos requiere centímetros de plomo denso o decenas de centímetros de hormigón. La propiedad que los hace útiles para esterilizar equipos y obtener imágenes del cuerpo también los convierte en los más difíciles de los tres de blindar.

El reloj que nada puede frenar

Saber qué sale de un núcleo inestable todavía deja la pregunta más profunda: cuándo. Un átomo dado de uranio podría permanecer inalterado durante mil millones de años, mientras que un átomo de un isótopo de vida corta podría desintegrarse en el segundo siguiente, sin manera de predecir cuál. La desintegración es fundamentalmente estadística, y la ley que la gobierna es la vida media, el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de una muestra radiactiva.

La aritmética es limpia. Tras una vida media, queda la mitad de los núcleos originales. Tras dos, una cuarta parte. Tras tres, una octava parte. Tras n vidas medias, la fracción que queda es uno dividido entre dos elevado a n. La muestra nunca llega del todo a cero; simplemente sigue reduciéndose a la mitad. Lo notable es lo rígido que es este reloj. La vida media es una propiedad del núcleo mismo, fija para cada isótopo, y no depende de la temperatura, la presión, los enlaces químicos ni de cuánta sustancia se tenga, lo que distingue a la radiactividad de casi todo lo demás que estudia un químico.

Cada isótopo lleva su propio tiempo, y la diferencia es asombrosa. El carbono-14 tiene una vida media de 5730 años, el uranio-238 se sitúa en unos 4500 millones de años, comparable a la edad de la Tierra, y el yodo-131, un producto de fisión, se desintegra en apenas 8,02 días. Tres isótopos, tres relojes a velocidades enormemente distintas, todos gobernados por la misma sencilla ley de reducción a la mitad.

Leer el tiempo mismo, de un mamut a la Tierra

Como cada isótopo se desintegra a un ritmo fijo, una muestra radiactiva es un reloj, y se puede leer el tiempo transcurrido midiendo cuánto se ha desintegrado. El truco está en hacer coincidir el reloj con la pregunta, ya que un isótopo solo sirve para datar cosas del orden de su propia vida media.

El carbono-14 es el reloj del pasado reciente. Los seres vivos absorben carbono constantemente, incluida una traza estable de carbono-14 radiactivo, y dejan de hacerlo cuando mueren, momento a partir del cual el carbono-14 simplemente se desintegra, de modo que medir cuánto queda da el tiempo transcurrido desde la muerte. Con su vida media de 5730 años, el carbono-14 data de forma fiable material orgánico desde unos pocos cientos de años de antigüedad hasta unos 50 000 años, más allá de los cuales queda demasiado poco para medirlo. La técnica fue desarrollada por Willard Libby en la Universidad de Chicago en 1949, y transformó la arqueología.

Para el tiempo profundo se necesita un reloj mucho más lento. El uranio-238, que se reduce a la mitad solo cada 4500 millones de años, data los objetos más antiguos del sistema solar: los meteoritos más antiguos rondan los 4567 millones de años, y los minerales terrestres más viejos que se conservan, diminutos cristales de circón del oeste de Australia, datan de hace unos 4400 millones de años. Hay que ajustar el reloj a la escala temporal: no se dataría un mamut del Pleistoceno con uranio, ni un circón del Hadeico con carbono.

Dentro de la clínica, el plazo de 110 minutos

La radiactividad no es solo una herramienta para mirar hacia atrás; es un caballo de batalla de la medicina moderna, donde la vida media dicta la logística de todo un departamento. Pensemos en la tomografía por emisión de positrones, el PET. Se basa en el flúor-18, un isótopo que se desintegra emitiendo un positrón, la contrapartida de antimateria del electrón, con una vida media de 110 minutos. El flúor-18 se incorpora a la fluorodesoxiglucosa, o FDG, un imitador de la glucosa que las células más hambrientas del cuerpo absorben con avidez.

Tras inyectar al paciente, los tejidos con alta demanda de glucosa, como muchos tumores, el cerebro y el corazón, captan la FDG y la concentran. Cada positrón emitido recorre una distancia diminuta antes de encontrarse con un electrón, momento en el cual ambos se aniquilan y convierten su masa en un par de fotones gamma, cada uno con 511 kiloelectronvoltios, que salen disparados en direcciones exactamente opuestas. El anillo de detectores del escáner capta ambos y traza la línea que los une, cartografiando dónde se consume la glucosa.

Ese reloj de 110 minutos rige todo lo que rodea al procedimiento. El flúor-18 no puede fabricarse con antelación y almacenarse; en unas pocas horas, la mayor parte ha desaparecido. Por eso un centro de PET necesita o bien su propio ciclotrón in situ o una entrega el mismo día cronometrada al minuto, y cualquier dosis no utilizada simplemente se pierde por desintegración. La física de la vida media no es aquí una abstracción; es un calendario de entregas.

Poner la exposición en una sola regla

La radiación pone nerviosa a la gente, en parte porque es invisible y en parte porque las cifras resultan poco familiares. La dosis absorbida por el tejido vivo se mide en sieverts, pero una forma más intuitiva de fijar la escala es el plátano. Un plátano corriente contiene potasio, una pequeña fracción del cual es potasio-40 radiactivo, así que comerse uno aporta unos 0,1 microsieverts. Esto da un patrón de medida extraoficial, pero genuinamente útil, la dosis equivalente a un plátano.

Las comparaciones aclaran las cosas. Una radiografía de tórax aporta aproximadamente 100 microsieverts, unos mil plátanos. Un vuelo transatlántico, donde una atmósfera más fina deja pasar más radiación cósmica, da alrededor de 40. El límite anual de dosis para el público en Estados Unidos, por encima del fondo natural, es de 1000 microsieverts, unos diez mil plátanos. El síndrome agudo de irradiación no empieza hasta alrededor de 1 000 000 de microsieverts, diez millones de plátanos, decenas de miles de veces más allá de cualquier encuentro rutinario. Verlos uno al lado del otro no hace que la radiación sea inocua, pero sitúa cada exposición con honestidad en una escala donde un escáner y una catástrofe no están ni de lejos cerca el uno del otro.

Por qué la química no puede tocar el núcleo

En la base de todo esto hay un hecho que los estudiantes encuentran sistemáticamente contraintuitivo: la desintegración radiactiva es un proceso nuclear, no químico, y las palancas habituales de la química no llegan hasta él. Las velocidades de las reacciones químicas dependen marcadamente de la temperatura, la presión, la concentración y los enlaces que forma un átomo, mientras que la desintegración radiactiva no depende de ninguno de ellos. Enfriar una muestra de uranio hasta temperaturas de helio líquido no frena su desintegración, calentarla hasta su punto de fusión no la acelera, y disolverla en ácido no mueve el reloj en absoluto, porque la desintegración ocurre en lo profundo del núcleo, muy por debajo de las capas de electrones donde tiene lugar toda la química.

Las escalas de energía hacen vívida la separación. Romper un enlace químico implica unos pocos electronvoltios, mientras que una transición nuclear libera unos pocos megaelectronvoltios, alrededor de un millón de veces más. El núcleo opera en un régimen distinto.

Una última distinción protege frente a una confusión común: la vida media no es el tiempo de vida. Indica cuánto tarda en desintegrarse la mitad de una población numerosa, pero ningún núcleo individual tiene una duración de vida fija, ya que la desintegración es puramente estadística. Esto explica una paradoja aparente: una vida media larga hace que un isótopo sea, gramo a gramo, menos peligroso, porque se desintegran menos de sus núcleos cada segundo. El uranio-238, que se reduce a la mitad a lo largo de 4500 millones de años, es débilmente activo y seguro de manipular en cantidades modestas, mientras que la misma masa de yodo-131, que se reduce a la mitad en ocho días, sería gravemente peligrosa.

Puntos clave

La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o radiación desde núcleos inestables, descubierta por Henri Becquerel en marzo de 1896 cuando unas sales de uranio se imprimieron solas sobre una placa fotográfica envuelta en la oscuridad, con Marie y Pierre Curie aislando el polonio y el radio de la pechblenda de Bohemia en 1898 y Ernest Rutherford clasificando la radiación por desviación magnética en 1899 en alfa (un núcleo de helio-4 de carga +2, detenido por el papel), beta (un electrón nacido cuando un neutrón se convierte en protón, detenido por unos milímetros de aluminio) y gamma (un fotón de alta energía sin carga ni masa que necesita centímetros de plomo). La columna vertebral cuantitativa es la vida media, el tiempo fijo para que se desintegre la mitad de una muestra, una propiedad exclusiva del núcleo que es independiente de la temperatura, la presión, la química y la cantidad; va desde el carbono-14 con 5730 años para la datación por radiocarbono, pasando por el yodo-131 con 8,02 días y el flúor-18 con 110 minutos para las imágenes de PET, hasta el uranio-238 con 4500 millones de años para datar la Tierra, mientras que la dosis equivalente a un plátano (unos 0,1 microsieverts cada uno) sitúa cada exposición en una misma regla honesta, y el hecho de que la vida media sea estadística, y no un tiempo de vida, explica por qué un isótopo de larga duración es, gramo a gramo, el más seguro.