radionúclido

Un radionúclido ( nucleido radiactivo , radioisótopo o isótopo radiactivo ) es un nucleido inestable que se desintegra radiactivamente en otro nucleido, que puede ser otro radionúclido (véase cadena de desintegración ) o ser estable. La radiación emitida por los radionúclidos es casi siempre radiación ionizante, ya que tiene la energía suficiente para liberar un electrón de otro átomo.

La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales : es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Para un conjunto de átomos de un mismo nucleido, se puede medir su tasa de desintegración promedio y calcular su vida media ( t _1/2 ). Las vidas medias varían en 55 órdenes de magnitud y no tienen límites conocidos.

Todos los elementos químicos tienen radionúclidos; incluso el más ligero, el hidrógeno , tiene un radionúclido bien conocido, el tritio (aunque el helio , el litio y el boro no tienen ninguno con una vida media superior a un segundo). Los elementos más pesados ​​que el plomo ( Z > 82), y los elementos tecnecio y prometio , solo tienen radionúclidos y no existen en formas estables, aunque el bismuto puede considerarse estable, ya que la vida media de su isótopo natural es más de un billón de veces mayor que la edad actual del universo .

Entre los métodos de producción artificial de radionúclidos se incluyen las fuentes de neutrones , como los reactores nucleares , así como los aceleradores de partículas , como los ciclotrones .

La radiación de los radionúclidos generalmente tiene un efecto nocivo en los organismos , incluidos los humanos , aunque se producen niveles bajos de exposición de forma natural. El grado de daño depende de la naturaleza y la extensión de la radiación ( alfa , beta , gamma o neutrones ), la cantidad y la naturaleza de la exposición (contacto cercano, inhalación o ingestión ) y las propiedades bioquímicas del elemento ( toxicidad ). El aumento del riesgo de cáncer es inevitable, y en los casos más graves puede provocar cáncer , síndrome de radiación crónica o síndrome de radiación aguda . Los radionúclidos pueden utilizarse como armas debido a los efectos de la lluvia radiactiva de las armas nucleares y a las armas radiológicas .

Los radionúclidos se utilizan en medicina nuclear tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. Un trazador de imagen elaborado con radionúclidos es un trazador radiactivo . La terapia con radionúclidos es una forma de radioterapia . Un fármaco elaborado con radionúclidos se denomina radiofármaco .

Los radionúclidos se encuentran en la naturaleza y se producen artificialmente en reactores nucleares , ciclotrones , aceleradores de partículas o generadores de radionúclidos . Hay 735 radionúclidos conocidos con vidas medias mayores a una hora (ver lista de nucleidos ); 35 de ellos son radionúclidos primordiales cuya presencia en la Tierra ha persistido desde su formación, y otros 62 son detectables en la naturaleza, producidos continuamente ya sea como productos de desintegración de radionúclidos primordiales o por radiación cósmica . Más de 2400 radionúclidos tienen vidas medias menores a 60 minutos . La mayoría de ellos solo se producen artificialmente y tienen vidas medias muy cortas. A modo de comparación, hay 251 nucleidos estables .

En la Tierra, los radionúclidos que se producen de forma natural se dividen en tres categorías: radionúclidos primordiales, radionúclidos secundarios y radionúclidos cosmogénicos .

• Los radionúclidos se producen en la nucleosíntesis estelar y en las explosiones de supernovas, junto con los nucleidos estables. La mayoría se desintegran rápidamente, pero algunos pueden observarse astronómicamente y contribuir a la comprensión de los procesos astrofísicos. Los radionúclidos primordiales, como el uranio y el torio , aún existen debido a que sus vidas medias son tan largas (>100 millones de años) que el contenido inicial de la Tierra aún no se ha desintegrado por completo. Algunos radionúclidos tienen vidas medias tan largas (muchas veces la edad del universo) que su desintegración se ha detectado recientemente, y para la mayoría de los fines prácticos pueden considerarse estables, especialmente el bismuto-209 : la detección de esta desintegración significó que el bismuto ya no se considerara estable. Es posible que se observe desintegración en otros nucleidos que ahora se consideran estables, lo que añadiría más radionúclidos primordiales a la lista.
• Los radionúclidos secundarios son isótopos radiogénicos derivados de la desintegración de radionúclidos primordiales. Tienen vidas medias más cortas que los radionúclidos primordiales. Se originan en la cadena de desintegración de los isótopos primordiales torio-232 , uranio-238 y uranio-235 , como los isótopos naturales de polonio y radio ; algunos también se producen por fisión natural y otros procesos nucleogénicos .
• Los isótopos cosmogénicos , como el carbono-14 , están presentes porque se forman continuamente en la Tierra, normalmente en la atmósfera, debido a la acción de los rayos cósmicos .

Muchos de estos radionúclidos existen en la naturaleza solo en cantidades ínfimas, incluidos todos los nucleidos cosmogénicos. Los radionúclidos secundarios en una cadena de desintegración se producen en proporción a sus vidas medias, por lo que los de vida corta son muy raros. Por ejemplo, el polonio se puede encontrar en los minerales de uranio en una concentración de aproximadamente 1 parte ^10¹⁰ de uranio (0,1 mg por tonelada métrica ) calculando la relación de las vidas medias del polonio-210 y el uranio-238 , su precursor último.

Los radionúclidos se producen como resultado inevitable de la fisión nuclear y las explosiones nucleares . El proceso de fisión nuclear genera una amplia gama de productos de fisión , la mayoría de los cuales son radionúclidos. Además, se generan radionúclidos por la irradiación del combustible nuclear (que produce diversos actínidos ) y de las estructuras circundantes, generando productos de activación . Esta compleja mezcla de radionúclidos con diferentes composiciones químicas y niveles de radiactividad dificulta especialmente el manejo de los residuos nucleares y la gestión de la lluvia radiactiva .

Los radionúclidos sintéticos se crean en reactores nucleares o mediante aceleradores de partículas (no necesariamente a propósito) o como productos de desintegración de los mismos: ^{[ 3 ]}

• Además de extraerse de los residuos nucleares, los radioisótopos pueden producirse deliberadamente en reactores nucleares, aprovechando el alto flujo de neutrones presente. Estos neutrones activan los elementos colocados dentro del reactor. Un producto típico de un reactor nuclear es el iridio-192 , obtenido mediante la activación de blancos de iridio . Se dice que los elementos con alta propensión a absorber neutrones en el reactor tienen una sección transversal de neutrones elevada , pero incluso con secciones transversales bajas, este proceso suele ser económico.
• Los aceleradores de partículas, como los ciclotrones, aceleran partículas para bombardear un blanco y producir radionúclidos. Los ciclotrones aceleran (generalmente) protones hacia un blanco para producir radionúclidos emisores de positrones, por ejemplo, flúor-18 .
• Los generadores de radionúclidos , estándar para muchos isótopos médicos, contienen un radionúclido padre que se desintegra para producir un isótopo hijo radiactivo de vida más corta. Un ejemplo típico es el generador de tecnecio-99m , que utiliza molibdeno-99 producido en un reactor.

Los radionúclidos se utilizan principalmente de dos maneras: por su radiación en sí ( irradiación , baterías nucleares ) o por la combinación de sus propiedades químicas y su radiación (trazadores, biofármacos). Para el estudio científico, pueden utilizarse únicamente por sus propiedades químicas cuando no existe una forma estable de dicho elemento.

• En biología , los radionúclidos (generalmente de carbono ) pueden servir como trazadores radiactivos debido a su gran similitud química con los nucleidos no radiactivos, por lo que la mayoría de los procesos químicos, biológicos y ecológicos los tratan de forma casi idéntica. Posteriormente, se puede analizar el resultado con un detector de radiación, como un contador Geiger , para determinar dónde se incorporaron los átomos. Por ejemplo, se podrían cultivar plantas en un entorno donde el dióxido de carbono contuviera carbono radiactivo; en ese caso, las partes de la planta que incorporan el carbono atmosférico serían radiactivas. Los radionúclidos también pueden utilizarse para monitorizar procesos como la replicación del ADN o el transporte de aminoácidos .
• En física y biología, la fluorescencia de rayos X con radionúclidos (aunque también se pueden usar fuentes de rayos X convencionales) se utiliza para determinar la composición química de un compuesto . La radiación de una fuente de radionúclidos incide sobre la muestra y genera rayos X característicos. Esta radiación se registra y, a partir del análisis del espectro medido, se puede determinar la composición química de la muestra. Midiendo la energía de las líneas de radiación características, es posible determinar el número atómico del elemento químico que emite la radiación, y midiendo el número de fotones emitidos , es posible determinar la concentración de cada elemento químico.
• En medicina nuclear , los radioisótopos se utilizan para diagnóstico, tratamiento e investigación. Los trazadores químicos radiactivos que emiten rayos gamma o positrones pueden proporcionar información diagnóstica sobre la anatomía interna y el funcionamiento de órganos específicos, incluido el cerebro humano . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} Esto se utiliza en algunas formas de tomografía: tomografía computarizada por emisión de fotón único y tomografía por emisión de positrones (PET) e imágenes de luminiscencia Cherenkov . Los radioisótopos también son un método de tratamiento en formas hematopoyéticas de tumores; el éxito para el tratamiento de tumores sólidos ha sido limitado. Las fuentes gamma más potentes esterilizan 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 eliminar parásitos y plagas, y para controlar la maduración de frutas y verduras almacenadas. La irradiación de alimentos generalmente utiliza emisores gamma potentes como el cobalto-60 o el cesio-137 .
• En la industria y en la minería , la radiación de los radionúclidos puede utilizarse para examinar soldaduras, detectar fugas, estudiar la tasa de desgaste, erosión y corrosión de los metales, y para el análisis en tiempo real de una amplia gama de minerales y combustibles.
• En las naves espaciales , los radionúclidos se utilizan para proporcionar energía y calor, principalmente a través de generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) y unidades de calentamiento de radioisótopos (RHU).
• En física de partículas , los radionúclidos ayudan a descubrir nueva física ( física más allá del Modelo Estándar ) midiendo la energía y el momento de sus productos de desintegración beta (por ejemplo, la desintegración beta doble sin neutrinos y la búsqueda de partículas masivas de interacción débil ). ^{[ 7 ]}
• En ecología , los radionúclidos se utilizan para rastrear y analizar contaminantes, para estudiar el movimiento del agua superficial y para medir la escorrentía de agua procedente de la lluvia y la nieve, así como los caudales de arroyos y ríos.
• En geología , arqueología y paleontología , los radionúclidos naturales se utilizan para medir la edad de rocas, minerales y materiales fósiles. Esto se denomina datación radiométrica .

Los radionúclidos tienen diversas propiedades y usos:

Clave: Z  =  número atómico ; N  =  número de neutrones ; DM = modo de desintegración; DE = energía de desintegración; EC =  captura electrónica

Los radionúclidos están presentes en muchos hogares, ya que se utilizan en los detectores de humo domésticos más comunes . El radionúclido empleado es el americio-241 , que se crea bombardeando plutonio con neutrones en un reactor nuclear. Se desintegra emitiendo partículas alfa y radiación gamma para convertirse en neptunio-237 . Los detectores de humo utilizan una cantidad muy pequeña de ^241Am (aproximadamente 0,29 microgramos por detector) en forma de dióxido de americio . El ^241Am se utiliza porque emite partículas alfa que ionizan el aire en la cámara de ionización del detector . Se aplica un pequeño voltaje eléctrico al aire ionizado, lo que genera una pequeña corriente eléctrica. En presencia de humo, algunos de los iones se neutralizan, disminuyendo así la corriente, lo que activa la alarma del detector. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Los radionúclidos que llegan al medio ambiente pueden causar efectos nocivos como contaminación radiactiva . También pueden causar daños si se utilizan en exceso durante un tratamiento o si, por otras vías, exponen a los seres vivos a ellos, provocando envenenamiento por radiación . El daño potencial a la salud por la exposición a radionúclidos depende de varios factores y puede dañar las funciones de los tejidos y órganos sanos. La exposición a la radiación puede producir efectos que van desde enrojecimiento de la piel y caída del cabello hasta quemaduras por radiación y síndrome de radiación agudo . La exposición prolongada puede dañar las células y, a su vez, provocar cáncer. Los signos de células cancerosas pueden no aparecer hasta años, o incluso décadas, después de la exposición. ^{[ 10 ]}

A continuación se presenta una tabla resumen de la lista de 986 nucleidos con vidas medias superiores a una hora. Un total de 251 nucleidos nunca se han desintegrado y se consideran clásicamente estables. De estos, se cree que 90 son absolutamente estables, excepto frente a la desintegración por protones (que nunca se ha observado), mientras que el resto son " observacionalmente estables " y, teóricamente, pueden sufrir desintegración radiactiva con vidas medias extremadamente largas.

Los radionúclidos restantes tabulados tienen vidas medias mayores a 1 hora y están bien caracterizados (ver lista de nucleidos para una tabulación completa). Incluyen 31 nucleidos con vidas medias medidas mayores que la edad estimada del universo (13.8 mil millones de años ^{[ 11 ]} ), y otros cuatro nucleidos con vidas medias lo suficientemente largas (> 100 millones de años) como para ser nucleidos primordiales radiactivos , y pueden ser detectados en la Tierra, habiendo sobrevivido desde su presencia en polvo interestelar desde antes de la formación del Sistema Solar , hace unos 4.6 mil millones de años. Otros 60+ nucleidos de vida corta pueden detectarse naturalmente como hijos de nucleidos de vida más larga o productos de rayos cósmicos. Los nucleidos restantes conocidos se conocen únicamente a partir de transmutación nuclear artificial .

Es posible que las cifras varíen ligeramente en el futuro, ya que se ha observado que algunos nucleidos clasificados actualmente como estables son radiactivos y tienen vidas medias muy largas.

Esta es una tabla resumen ^{[ 12 ]} para los 986 nucleidos con vidas medias mayores a una hora (incluidos los que son estables), que se muestran en la lista de nucleidos .

• La lista de nucleidos muestra todos los radionucleidos con una vida media > 1 hora.
• Tabla de hiperacumuladores – 3 (incluye organismos conocidos por acumular radionúclidos)
• Radiactividad en biología
• Datación radiométrica
• cisternografía con radionúclidos
• Usos de la radiactividad en pozos de petróleo y gas

• Carlsson, J.; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Stigbrand, T; Tennvall, J; et al. (2003). "Terapia tumoral con radionúclidos: evaluación de progresos y problemas". Radiotherapy and Oncology . 66 (2): 107– 117. doi : 10.1016/S0167-8140(02)00374-2 . PMID  12648782 .
• "Radioisótopos en la industria" . Asociación Nuclear Mundial . Archivado del original el 27 de febrero de 2013. Consultado el 2 de mayo de 2008 .
• Martin, James (2006). Física para la protección radiológica: Un manual . John Wiley & Sons. pág. 130. ISBN 978-3527406111.

• Luig, H.; Kellerer, AM; Griebel, JR (2011). "Radionucleidos, 1. Introducción". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi : 10.1002/14356007.a22_499.pub2 . ISBN 978-3527306732.

• EPA – Radionúclidos – Programa de protección radiológica de la EPA: Información.
• FDA – Radionúclidos – Programa de protección radiológica de la FDA: Información.
• Tabla interactiva de nucleidos : una tabla con todos los nucleidos.
• Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos – Fuente de radionúclidos del Gobierno de EE. UU. – producción, investigación, desarrollo, distribución e información
• Gráfico en tiempo real de nucleidos – OIEA
• Simulador de producción de radionúclidos – OIEA