Química nuclear: la Alquimia del s. XXI

Durante siglos, los alquimistas buscaron la transmutación de los metales en oro. El conocimiento actual que se tiene sobre la estructura interna de los elementos químicos nos permite concluir que la transformación de un elemento químico en otro diferente implica procesos muy complejos y unas condiciones de trabajo inalcanzables en los tiempos de los alquimistas. Sin embargo, la transmutación entre elementos es posible y constituye la base de la llamada Química nuclear. En este trabajo se muestran algunas ideas fundamentales sobre este campo de la Química y algunas de las aplicaciones derivadas de las que la sociedad ha sacado provecho.

El año 1898 llegaba a su fin. La tarde caía en París y el frío se empezaba a notar, especialmente en un lugar ajeno a la vista de todos: el cobertizo de la escuela de Física y Química Industriales. Allí, una joven venida de Polonia llamada Marie Curie realizaba su tesis doctoral sobre los “rayos uránicos” descubiertos por H. Becquerel dos años antes. A pesar de la precariedad de las instalaciones, trabajaba incansablemente con los kilos y kilos de mineral de pechblenda que le habían mandado desde las minas de Joachimsthal. La razón por la cual se encontraba embarcada  junto con su marido en esta tarea se debía a que la radiactividad de la pechblenda, un mineral formado por un compuesto de uranio, era muy superior a la propia actividad del uranio puro. Este exceso de actividad debía producirse por algo, desconocido en aquel momento, que estaba presente en el mineral.

Llegar a comprender la base que sustenta el fenómeno de la radiactividad implica conocer los fundamentos de la estructura del núcleo atómico. El núcleo de los átomos está formado por dos tipos de partículas: los protones (con carga positiva) y los neutrones (carentes de carga). Un elemento de la Tabla Periódica se caracteriza por tener siempre el mismo número de protones (que se representa como el número atómico). Sin embargo, puede modificar su número de neutrones, dando lugar a los llamados isótopos. La suma del número de protones y neutrones del núcleo de un átomo constituye el número másico, que puede ser diferente para los distintos isótopos. Así, por ejemplo, el Carbono tiene tres isótopos: Carbono-12 (6 protones y 6 neutrones), Carbono-13 (6 protones y 7 neutrones) y Carbono-14 (6 protones y 8 neutrones). Puede observarse que siempre hay 6 protones (para que el átomo siga siendo Carbono) pero se modifica el número de neutrones.

No todos los isótopos de un elemento son igual de estables. Aquellos núcleos que se encuentran en una situación de baja estabilidad suelen sufrir transformaciones en su número de protones o neutrones con el fin de alcanzar una situación de mayor estabilidad. Estos procesos pueden ocurrir por medio de desintegraciones radiactivas espontáneas, de las que existen tres tipos fundamentales:

• Emisión α (alfa): Se produce cuando un núcleo emite una partícula formada por dos protones y dos neutrones. Esta partícula puede ser absorbida por una gran cantidad de objetos, incluida una hoja de papel. Sin embargo, resultan ser altamente tóxicas para el organismo y pueden favorecer el desarrollo de tumores.
• Emisión β^- (beta): Presente cuando un neutrón se transforma en un protón y como consecuencia se emite un electrón. Una fina capa metálica puede ser suficiente para detener estos electrones. Existe otra variante denominada β⁺ en la que un protón se transforma en un neutrón y se emite un positrón (que es la antipartícula del electrón). Posteriormente se hará mención a la importancia que en medicina tiene la producción de positrones.
• Emisión γ (gamma): Se trata de radiación electromagnética (constituida por fotones) que se emite por núcleos inestables. Es el tipo más penetrante de radiación, siendo detenida solamente por capas gruesas de plomo u hormigón.

 

Tanto la emisión α como la β implican una modificación del número de protones que constituyen el núcleo de un elemento de partida, por lo que finalmente resulta un núcleo con un número atómico que corresponde a un elemento completamente diferente. La trascendencia de este último hecho no es baladí. La posibilidad de que por medio de un proceso radiactivo un elemento pueda transformarse en otro supone aceptar que es posible la transmutación entre elementos. La transmutación había sido el fin último de la alquimia, disciplina totalmente desterrada del conocimiento científico a principios del S. XX (aunque en el caso de los alquimistas el objetivo no era muy altruista, ya que se buscaba la obtención de oro a partir de cualquier metal).

En 1903 E. Rutherford y F. Soddy fueron capaces de establecer las series radiactivas, esto es, el conjunto de elementos en los que se va transformando un elemento inicial por transformaciones radiactivas sucesivas. En la Figura 1 puede observarse la serie radiactiva del Uranio-238, isótopo mayoritario del elemento de partida con el que Marie Curie realizó sus trabajos. Puede comprobarse cómo tras varias desintegraciones α y β aparecen dos elementos que en 1898 no se conocían: el Polonio (Po) y el Radio (Ra), que fueron los descubiertos por Marie Curie (el nombre del primero de ellos lo puso en honor a su país natal). En 1903, el matrimonio Curie y H. Becquerel recibieron el premio Nobel de Física por sus trabajos con la radiactividad. En 1911, Marie Curie recibiría el premio Nobel de Química por el descubrimiento del Polonio y el Radio. Como Rutherford y Soddy vendrían a concluir posteriormente, la presencia de estos elementos en minerales naturales como la pechblenda se debía a que los procesos de desintegración radiactiva del Uranio-238 habían tenido lugar continuamente durante largos periodos de tiempo. El único problema es que la cantidad de los mismos presentes en el mineral era muy pequeña, por lo que no habían sido detectados anteriormente por métodos de análisis clásicos. Por ello, Marie Curie tuvo que procesar en torno a 8 toneladas de mineral para poder aislar solamente un gramo de cada elemento.

Figura 1. Serie radiactiva del Uranio-238.

Las flechas diagonales representan emisiones alfa y las horizontales, beta.

Las transmutaciones entre elementos por procesos radiactivos como consecuencia de la inestabilidad de los núcleos tienen aplicaciones prácticas de gran importancia en diferentes campos.

La primera de ellas hace referencia a la energía nuclear. Uno de los principales combustibles empleados para la obtención de energía por esta vía es el uranio enriquecido en el isótopo Uranio-235. Sobre este isótopo se hace incidir primeramente un neutrón de baja energía, de manera que al añadirse al Uranio-235 se obtiene un nuevo isótopo, el Uranio-236. Sin embargo, debido a la inestabilidad del nuevo isótopo, se produce una ruptura del núcleo, dando lugar a la aparición de Criptón-92 y Bario-141 como elementos productos, y tres nuevos neutrones que pueden reaccionar con nuevos átomos de Uranio-235, dando lugar así a un proceso en cadena. En el proceso de ruptura del núcleo de Uranio-236 se liberan además alrededor de 200 MeV de energía. Esta energía es la que se aprovecha para generar vapor de agua a presión que mueva una turbina y la transforme en corriente eléctrica (Figura 2). Por su parte, tanto el Criptón-92 como el Bario-141 son inestables por tener un exceso de neutrones. Por ello estos elementos y otros productos de la fisión dan lugar a procesos radiactivos, generalmente emisiones β, que son los causantes de que los residuos nucleares deban ser sometidos a un estricto control en instalaciones especialmente diseñadas para tal fin.

Figura 2. Representación general del proceso de fisión del núcleo de

Uranio aprovechado en la energía nuclear.

Poco después de conseguir aislar el polonio y el radio, Pierre Curie, marido de Marie, pensando que la radiactividad de los nuevos elementos descubiertos podía tener unas propiedades similares a los Rayos X, observó que un pañuelo impregnado con una disolución de radio y en contacto con la piel del brazo provocaba una inflamación que duraba varias semanas. Este hecho aumentó su interés por buscar aplicaciones médicas a la radiactividad tan acentuada que poseía el radio. Los primeros ensayos terapéuticos fueron llevados a cabo por el médico Henri Daulos para tratar distintas enfermedades cutáneas. Los resultados mostraban que las enfermedades tendían a remitir, por lo que se empezó una carrera en diferentes países por buscar más aplicaciones curativas de este elemento, incluyendo el tratamiento del cáncer. A este tipo de tratamiento se le llamó Curieterapia. El éxito mediático del radio fue tal que hasta se fabricaron con este elemento cremas para el maquillaje. Si bien este tipo de tratamientos resultaban efectivos, tuvieron el gran problema de no tener en cuenta que la radiación también afectaba a los tejidos sanos. Hoy en día, la Física nuclear y el empleo de isótopos radiactivos constituyen una rama muy importante en la medicina. Pueden distinguirse dos modalidades dentro de esta aplicación:

- La primera de ellas es heredera directa de la Curieterapia, aunque presta muchísima más atención a los efectos adversos de la radiación. Este uso comenzó sustituyendo al Radio por nuevos elementos como el Cobalto-60, Cesio-137 y Oro-198, para dar paso posteriormente al Tántalo-182 y el Iridio-192. La radiación que se aprovecha para destruir las células tumorales puede ser gamma (en el caso de los tres primeros) o beta. Esta modalidad en la que la fuente radiactiva se introduce en el interior del paciente junto al tejido tumoral recibe el nombre de braquiterapia. La fuente radiactiva se implanta en el interior del paciente por medio de una operación, y la cantidad de isótopo radiactivo a introducir depende de la dosis que sea precisa y del tipo de tumor que se quiera tratar. La principal ventaja que presenta esta forma de actuar frente al uso de radioterapias externas es que al focalizar la radiación en el tejido afectado, se evitan dosis de radiación innecesaria al tejido sano. Además, se suelen reducir los tiempos del tratamiento y la posibilidad de que el tumor se propague.

- La segunda gran modalidad es el diagnóstico por imagen. La imagen nuclear es un excelente medio diagnóstico ya que, además de información anatómica también aporta información funcional sobre los órganos. Dentro de la imagen nuclear existen dos tipos:

• SPECT (del acrónimo inglés Single Photon Emission Computer-aided Tomography). Esta modalidad emplea isótopos que son administrados al paciente y que dan lugar a emisiones gamma, que se detectan por medio de una cámara situada externamente a la persona. Como la radiación gamma obtenida no es muy diferente a la de los rayos X, el instrumental empleado es bastante similar. Por otro lado, los isótopos más empleados en esta variante se pueden obtener fácilmente incluso en el propio hospital. El isótopo que más se utiliza con este fin es el Tecnecio-99 (metaestable) 
• PET (Tomografía por emisión de positrones). En esta modalidad se emplean isótopos emisores β⁺. Como se comentó anteriormente, estos isótopos sufren cambios en su estructura nuclear emitiendo un positrón. Estos positrones se focalizan sobre el cuerpo del paciente, de manera que se van frenando al atravesar el tejido biológico. Al tratarse de la antipartícula del electrón, cuando los positrones interactúan con alguno de los múltiples electrones que forman parte de las moléculas del organismo, se aniquilan, emitiendo simultáneamente dos fotones que salen en direcciones opuestas. Rodeando al paciente se sitúan los detectores sobre los cuales inciden simultáneamente los fotones producidos por el proceso anterior, de manera que al ser detectados puede deducirse que se ha producido una desintegración en el punto medio que une los detectores. Una de las principales limitaciones que tiene esta técnica es que varios de los isótopos radiactivos, cuyos tiempos de vida media no superan los 20 minutos, tienen que producirse por medio de ciclotrones en los mismos lugares donde se toma la imagen, haciendo así más compleja la instrumentación necesaria en comparación con la técnica SPECT. La única excepción es el Flúor-18, cuya vida media llega hasta los 110 minutos, lo que permite que pueda ser producido en lugares ajenos a las instalaciones hospitalarias.

En definitiva, la Química nuclear que subyace en los procesos de transmutación entre elementos por procesos radiactivos demuestra ser, además de interesante a nivel conceptual, fuente de aplicaciones que tienen un fuerte impacto en la vida cotidiana que nos rodea y de la que interesa tener un mínimo conocimiento sobre la base científica que la rige.