Radiactividad: Tipos, Aplicaciones y Equilibrio en Medicina Nuclear

Radiactividad: Conceptos Fundamentales

La radiactividad, descubierta por Becquerel en 1886, es la emisión de partículas desde un núcleo atómico como resultado de la inestabilidad nuclear. Los núcleos se clasifican en estables y radiactivos (RAD). En un proceso radiactivo, un núcleo padre inestable se transforma espontáneamente en uno o varios núcleos hijos más estables, con menor energía por nucleón (E/N). Este proceso, también llamado desintegración nuclear, transformación nuclear o decaimiento nuclear, es puramente estadístico.

La energía de desintegración, que es la diferencia de energía entre los dos niveles cuánticos implicados en una transición radiactiva, se emite en forma de radiación electromagnética (rayos gamma) o en forma de energía cinética de los productos de reacción.

Razones de la Radiactividad

Existen tres razones principales para la inestabilidad nuclear y, por lo tanto, para la radiactividad:

1. Exceso de protones.
2. Exceso de neutrones.
3. Exceso de ambos.

Decaimiento Radiactivo: El balance para los núcleos estables generalmente muestra un ligero exceso de neutrones sobre protones. Los radionúclidos, por otro lado, pueden ser ricos en protones o neutrones.

Radionúclidos: Origen y Producción

Los radionúclidos se encuentran naturalmente en cantidades ínfimas, dispersos en el suelo desde la creación de la Tierra, o son producidos continuamente por los rayos cósmicos en la atmósfera superior. También existen radionúclidos artificiales.

Creación de Radionúclidos:

• Reactor nuclear: Un material blanco es introducido y bombardeado por neutrones, produciendo un radionúclido rico en neutrones.
• Ciclotrón (acelerador de partículas): El material blanco es bombardeado con partículas cargadas (protones), produciendo radionúclidos ricos en protones.

Niveles de Energía Nuclear y Tipos de Decaimiento

El núcleo posee niveles de energía. Cuando un núcleo decae, puede pasar al nivel más bajo de energía (estado basal) correspondiente al núcleo hijo, el cual es estable. Sin embargo, en muchos casos, la transformación prosigue con uno o más estados excitados del núcleo hijo, que a su vez emiten rayos gamma de energías específicas para alcanzar el estado basal.

Tipos de Decaimiento Radiactivo

• Emisión Beta Negativa (β-): El número másico (A) se mantiene constante, mientras que el número atómico (Z) aumenta en 1. Es un decaimiento isobárico. Las interacciones débiles permiten la transformación de un neutrón (N) en un protón (P). El espectro de energía de las partículas beta es continuo, con una energía promedio de aproximadamente 1/3 de la energía máxima. Ejemplo: Iodo-131. En este proceso, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico.

• Emisión Beta Positiva (β+): A se mantiene constante y Z disminuye en 1. Es un proceso isobárico. Un protón (P) se transforma en un neutrón (N), un positrón y un neutrino electrónico. El positrón, al ser antimateria, se aniquila rápidamente con un electrón del entorno, liberando energía en forma de dos fotones gamma que viajan en direcciones opuestas. Estos radionúclidos, como el Flúor-18 (F-18), se utilizan en estudios de Tomografía por Emisión de Positrones (PET).

• Captura Electrónica (CE): A se mantiene constante y Z disminuye en 1. Es un proceso isobárico. Un electrón de las capas internas del átomo (generalmente de la capa K) es capturado por el núcleo, combinándose con un protón para formar un neutrón y un neutrino electrónico. Muchos radionúclidos utilizados en Medicina Nuclear decaen por captura electrónica, como el ¹²⁵I, ¹²³I, ²⁰¹Tl, ⁶⁷Ga y ¹¹¹In.
• Emisión Alfa (α): A disminuye en 4 y Z disminuye en 2. Los radionúclidos con exceso de protones y neutrones suelen decaer por emisión de partículas alfa, que son núcleos de helio (⁴He) con carga +2. En Medicina Nuclear, se utilizan emisores alfa para terapia, como el ²²³Ra. También se emplean en fuentes de braquiterapia en Radioterapia.
• Transición Isomérica (Emisión Gamma): La emisión gamma ocurre comúnmente después de la captura electrónica o la emisión beta, con la emisión inmediata de uno o más rayos gamma. El producto final de la emisión puede ser, a su vez, un radionúclido que decae posteriormente. Un ejemplo importante es el Tecnecio-99m (^99mTc).
• Conversión Interna (CI): En algunos casos, la energía emitida por el núcleo es transferida a un electrón de una capa interna (K, L), el cual es emitido en lugar del fotón gamma. Este proceso puede ir acompañado de la emisión de rayos X característicos. La conversión interna, al igual que las partículas beta, produce una mayor dosis de radiación local.

Actividad, Vida Media y Conceptos Relacionados

Actividad: Es la tasa de desintegración de los átomos de una sustancia radiactiva. Disminuye con el tiempo. Se mide en Becquerelios (Bq). La actividad administrada a un paciente en Medicina Nuclear suele estar en el rango de los Megabecquerelios (MBq).

Vida Promedio y Período de Semidesintegración (T_1/2):

• Vida Promedio: Representa el promedio de vida de un núcleo atómico en una muestra radiactiva.
• Período de Semidesintegración (T_1/2): Es el tiempo necesario para que el número de núcleos radiactivos en una muestra se reduzca a la mitad.

Actividad Específica: Es la radioactividad total de un radionúclido dado por gramo de un compuesto, elemento o nucleído radiactivo.

Concentración Radiactiva: Es la cantidad de actividad por unidad de volumen (sólido, líquido o gaseoso). No debe confundirse con la Actividad Específica.

Branching Ratio (Fracción de Ramificación): Es la fracción de un radionúclido que decae de una forma determinada. Es la probabilidad, dentro de todos los tipos de decaimiento posibles del núcleo padre, de que se produzca un núcleo hijo específico.

Equilibrio Radiactivo

• Equilibrio Secular: Se produce cuando el período de semidesintegración del núcleo padre es mucho mayor (casi infinito) comparado con el del núcleo hijo. Ejemplo: ²²⁶Ra (1620 años) → ²²²Rn (3.8 días).
• Equilibrio Transitorio: Se produce cuando el período de semidesintegración del núcleo padre es mayor que el del núcleo hijo, pero no de forma tan marcada como en el equilibrio secular. Ejemplo: ⁹⁹Mo (66 horas) → ^99mTc (6 horas).

Series Radiactivas Naturales

Existen cuatro series radiactivas naturales principales:

• Uranio
• Actinio
• Torio
• Neptunio (artificial)

El Radón-222 (²²²Rn) es un miembro de la serie de desintegración del Uranio-238 (²³⁸U), y el Radón-220 (²²⁰Rn) pertenece a la serie del Torio-232 (²³²Th). El radón puede causar cáncer de pulmón.

Datación Radiactiva

El período de semidesintegración (T_1/2) es independiente de la temperatura, el estado físico o químico, y cualquier otra influencia externa al núcleo. Esta propiedad se utiliza en la datación radiactiva.

• Datación por Carbono: Se utiliza para datar materiales orgánicos que alguna vez estuvieron vivos.
• Relojes en las Rocas: Se utilizan isótopos de larga vida media para modelar la formación de la Tierra y el sistema solar.

Reacciones Nucleares

Las reacciones nucleares implican el reagrupamiento de los nucleones cuando un núcleo es alcanzado por otro núcleo o una partícula más simple. Se requiere una gran cantidad de energía para vencer la repulsión electrostática. Uno de los núcleos debe ser un proyectil con alta energía cinética inicial.

En la ecuación de un proceso nuclear, se conservan:

• El número atómico (Z).
• El número másico (A).
• La carga eléctrica.

Esto permite determinar el núcleo final de la reacción a partir del núcleo inicial, el proyectil y las partículas emitidas. Las reacciones nucleares pueden ser:

• Exotérmicas (Q > 0): Liberan energía.
• Endotérmicas (Q < 0): Absorben energía.

Fisión y Fusión Nuclear

• Fisión Nuclear: Consiste en la ruptura de un núcleo pesado (por ejemplo, Uranio) en dos fragmentos de masa intermedia más estables, mediante el bombardeo con neutrones. En el proceso se libera energía y se emiten nuevos neutrones, que pueden originar una reacción en cadena. Una reacción en cadena crítica puede lograrse a bajas concentraciones de ²³⁵U si los neutrones se moderan para reducir su velocidad.
• Fusión Nuclear: Consiste en la unión de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado y estable. Se liberan cantidades de energía muy superiores a las de la fisión.

Producción de Rayos X

Los rayos X se producen cuando los electrones son desacelerados repentinamente tras colisionar con un objetivo metálico (radiación de frenado o bremsstrahlung). Si los electrones tienen suficiente energía, pueden arrancar electrones de las capas internas de los átomos del objetivo. Los electrones de los estados superiores caen para llenar los huecos, emitiendo fotones de rayos X con energías precisas (rayos X característicos).

Reactores y Aceleradores

• Reactores Nucleares: Producen isótopos deficientes en protones. Ejemplo: ²³⁵U + n → ²³⁶U* → (n,f) (2n,f) (n,p).
• Aceleradores (Ciclotrones): Aceleran partículas a alta energía. Producen isótopos deficientes en neutrones. Ejemplo: ¹⁸F.

Ecuaciones y Cálculos

Ecuación de decaimiento:

Función de decaimiento:

Donde:

• N(t): Número de núcleos radiactivos en el tiempo t.
• N₀: Número inicial de núcleos radiactivos.
• λ: Constante de desintegración.
• T_1/2: Período de semidesintegración.

Relaciones importantes:

T_1/2 = ln(2) / λ     λ = ln(2) / T_1/2

Cálculo de la energía de reacción (Q):

Q = (M_a + M_X - M_Y - M_b)c²

Donde:

• M_a: Masa del proyectil.
• M_X: Masa del núcleo blanco.
• M_Y: Masa del núcleo resultante.
• M_b: Masa de la partícula emitida.
• c: Velocidad de la luz.

Se puede utilizar la equivalencia 1 u = 931.5 MeV/c². Si Q > 0, la reacción es exotérmica. Si Q < 0, la reacción es endotérmica.