Cazadores de mitos: ¿las sustancias radiactivas brillan?

Realmente está muy extendido el mito de que las sustancias radiactivas brillan en la oscuridad, o incluso a plena luz del día si «la potencia» es lo suficientemente alta. Tanto es así que, en el hospital, más de un paciente ha dudado del funcionamiento del acelerador de radioterapia al no ver salir un haz brillante del equipo. Supongo que la gente se imagina un haz de radiación ionizante a modo de una espada láser como las que utilizaban Yoda, Obi-Wan o Luke Skywalker en su lucha contra el Lado Oscuro de la Fuerza.

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Otro de los grandes iconos de nuestra época y de mi generación, mi amado Homer J. Simpson, también aporta su granito de arena a la creencia general de que las sustancias radiactivas brillan. No hay más que ver la secuencia de inicio de la serie, cuando Homer está manipulando una barra de uranio (que finalmente se lleva entre la ropa y la tira por la ventana del coche).

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Pues bien, tal y como ya nos adelantaba Gaspar en su post sobre canciones radiactivas, la radiactividad es, en la gran mayoría de los casos, imperceptible, por lo que podemos afirmar sin demasiado temor a equivocarnos que si una sustancia, objeto o material es radiactivo, no brilla, ni siquiera en la oscuridad. Si así fuera, y dado que las rocas o nosotros mismos contenemos restos de material radiactivo (la radiactividad natural de la que hablamos en su momento en el post La España Radiactiva), la tierra, los animales y las plantas brillaríamos en la oscuridad, al más puro estilo Señor Burns tras decenas de años trabajando en su central.

La realidad es muy diferente: por el mero hecho de ser radiactivo, la energía de la radiación emitida es tan alta que se convierte en invisible para el ojo humano. Para entenderlo, no hay más que recurrir al espectro electromagnético. La sección visible (por el ojo humano) del espectro supone apenas una pequeña parte del mismo, y está concentrada en la zona de bajas energías. La radiación ionizante, por el contrario, está localizada en la parte de alta energía, más allá del ultravioleta y, por tanto, no visible. Es precisamente por ser tan energética por lo que se vuelve peligrosa para el ser humano y, al contrario de lo que dice la creencia popular, está más alejada de la visibilidad humana cuanto más energética sea.

Ahora bien, el mito del brillo de las sustancias radiactivas, como casi todas las creencias populares, tiene una base histórica. ¿De dónde viene, pues, la idea de que las sustancias radiactivas son brillantes, o de que si ingieres algo radiactivo vas a brillar en la oscuridad, como si fueras Radiactivo Man? Hay dos efectos físicos responsables de que esa creencia esté tan extendida: la radioluminiscencia y la radiación Cerenkov. En este post vamos a intentar dar algo de luz (nunca mejor dicho) sobre ambos efectos para ayudar a entender por qué se producen determinados brillos en presencia de según qué sustancia radiactiva.

RADIOLUMINISCENCIA

A finales del siglo XIX y principios del XX, el matrimonio Curie descubrió un hecho insólito (y que, según ellos, violaba el principio de Carnot): las radiaciones emitidas por los compuestos de polonio y de radio convertían en ligeramente luminiscente al platino-cianuro de bario. Por lo tanto, el asunto del brillo de las sustancias radiactivas ha estado presente en la creencia popular desde el mismo descubrimiento de la propia radiactividad.

Este efecto de producir luz en un material mediante el bombardeo con radiación ionizante se conoce como radioluminiscencia y se puede utilizar como fuente de luz de bajo nivel para la iluminación de ciertos objetos, relojes o señalizaciones de carretera sin la necesidad de utilizar fuentes externas de energía. A nivel físico, la partícula de radiación incidente interacciona con un átomo del material blanco, excitando un electrón orbital. Dicho electrón vuelve a su estado original de menor energía emitiendo un fotón con la energía “sobrante”, que depende del material. Por lo general, este fotón está fuera del rango visible pero, escogiendo un material adecuado, como puede ser el fósforo o el zinc, pueden producirse fotones visibles al ojo humano, liberando así el material un brillo de color determinado.

(ciencillamentehablando.blogspot.com)

La popularidad del “brillo verde de la radiactividad” se expandió como la pólvora cuando se descubrió que si se le añadía un poquito de radio a cierto tipo de pinturas, éstas adquirían una luminosidad verdosa extraordinaria, incluso en la oscuridad. Este brillo caló tan hondo en la sociedad que todavía hoy en día más de una gran empresa de pintura denomina “verde radiactivo” al verde más brillante de su paleta de colores. Alguien tuvo, pues, la idea de decorar relojes y paredes con esta extraña mezcla (que la US Radium Corporation patentó como pintura Undark) para resaltar la viveza de los colores. Además, si se le añadía manganeso, la luminiscencia era anaranjada, creando así toda una amplia paleta de tonalidades “radiactivas”. Sin embargo, lo que brilla no es la radiactividad del radio como tal, sino una reacción (la radioluminiscencia) que se produce al mezclar el radio con cobre y sulfuro de zinc que contenía la propia pintura.

Por desgracia, lejos de quedarse en una mera anécdota luminosa, este invento llevó a la muerte a más de cien mujeres, las llamadas “chicas del radio”, trabajadoras que se dedicaban a aplicar capas de esta pintura en fábricas de relojes, y que murieron tras padecer problemas renales, óseos o cánceres faciales ya que ingerían gran cantidad de radio al humedecer el pincel con el que trabajaban con su propia lengua. Es más, ignorando el problema real de la radiación ionizante, algunas utilizaban los restos de pintura sobrantes para resaltar sus uñas y labios. Lo realmente peligroso no era la luz verde brillante que emitía el sulfuro de zinc (totalmente inocua) sino la radiación invisible generada por el radio.

No os asustéis si en casa tenéis algún objeto radioluminiscente de los que aún quedan por ahí que brillan en la oscuridad, como pulseras o relojes. Estad tranquilos, no os estáis irradiando sin daros cuenta. Actualmente, el uso del radio para producir fosforescencia está prohibido, siendo el tritio (un isótopo inestable del hidrógeno) el único radionucleido legalmente permitido para ser utilizado como fuente de luz radioluminiscente. El tritio emite partículas beta que interaccionan con las moléculas de fósforo que recubren el interior del recipiente para emitir una luz de tono verdoso y se utiliza debido a que no presenta un riesgo radiológico para el usuario ya que la energía de sus electrones es insuficiente como para atravesar el tubo de cristal en el que está contenido, siendo, en todo caso, incapaz de atravesar la piel humana. Además, su relativamente alto periodo de semidesintegración (12.3 años) hace que la vida útil de la fuente radioluminiscente sea muy alta. Pero conviene recordar, una vez más, que lo que brilla no es el tritio, sino la excitación del fósforo que, obviamente, no es radiactivo. El tritio como tal (al igual que el radio) no es brillante si no se le añade ninguna sustancia concreta.

EFECTO CERENKOV

Como tal, podríamos dedicarle horas y horas a explicar el efecto Cerenkov, pero como no es la idea original de este post, simplemente diremos que el efecto o la radiación de Cerenkov es una radiación electromagnética visible producida por el paso de partículas cargadas eléctricamente en un medio a unas velocidades superiores a la propia velocidad de la luz de ese mismo medio. Algo parecido, y quizás más fácilmente entendible, sucede con el estampido sónico: se produce una onda de choque en el aire cuando un determinado objeto (como el Concorde o los cazas militares) sobrepasa la velocidad Mach 1.

No os asustéis, no estamos tirando por tierra la relatividad de Einstein, la velocidad de la luz sigue siendo un límite físicamente insuperable EN EL VACÍO (el famoso dato de 300.000 km por segundo). En otros medios esta velocidad es inferior. Por poner un ejemplo, en el agua (a 20 ºC), la velocidad de la luz es, aproximadamente, 225.000 km por segundo que, aún siendo un valor muy elevado, se corresponde “sólo” con el 75% de la velocidad de la luz en el vacío y, por tanto, puede darse el caso de que una determinada partícula pueda viajar a una velocidad superior en dicho medio. Eso sí, no es válida cualquier partícula (tiene que ser cargada) ni cualquier medio (tiene que ser dieléctrico).

Esta radiación, además de valerle el premio Nobel de Física de 1958 a Pável Cerenkov (junto con Frank y Tamm que aportaron soporte teórico a sus descubrimientos), es la causante de un bonito brillo azulado típico de los reactores nucleares, tanto en los de piscina, en las vasijas abiertas de agua ligera o en las piscinas de desactivación de dichos reactores. En efecto, la formulación teórica de la radiación de Cerenkov predice que dicha radiación es más intensa en el rango ultravioleta y azul del espectro, tal cual se observa en las piscinas nucleares.

(wikimedia.org)

Las barras de combustible ya gastadas de las centrales nucleares se encuentran a una temperatura muy elevada, por lo que son almacenadas en unas piscinas llamadas SFP (Spent Fuel Pools), que sirven a modo de refrigerante para el calor residual producido por la desintegración del uranio y del resto de su cadena radiactiva, cuyo periodo de semidesintegración es muy elevado. Estas piscinas son las que emiten esa característica luz azulada, que nos lleva a pensar que la radiactividad es brillante, pero lo que brilla no es la radiactividad como tal: las partículas emitidas por los productos de fisión (principalmente electrones) se mueven más rápido que la luz en el medio que los recubre, que generalmente suele ser agua, produciendo, como hemos dicho, radiación Cerenkov. Es decir, lo que brilla, propiamente dicho, son las propias partículas del agua. Si extrajéramos una barra de uranio de la piscina y la secáramos convenientemente (os recomiendo no hacerlo) la pastilla dejaría de brillar aunque, lógicamente, seguiría emitiendo radiación que sería, de nuevo, indetectable para el ojo humano.

El brillo azulado de la radiación Cerenkov, aparte de producir un efecto realmente bonito, es de suma utilidad en diferentes ocasiones como, por ejemplo, para medir la velocidad de una partícula cargada en un determinado medio o a modo de trazador en determinados detectores de partículas. Uno de estos detectores (y quizás el más famoso) es el Super-Kamiokande, un detector de neutrinos de agua pesada.

Este efecto da nombre también a un tipo de telescopios (los telescopios Cerenkov), que aprovechan la radiación Cerenkov producida por la entrada en la atmósfera de rayos gamma cósmicos de muy alta energía procedentes del espacio. Aunque los rayos gamma como tal no tienen carga eléctrica, las interacciones que producen con los átomos de la atmósfera terrestre producen una cascada de partículas cargadas que, inicialmente, viajan a una velocidad superior a la de la luz en este medio, produciendo radiación Cerenkov, que puede ser detectada por este tipo de telescopios, como el HAWC (High Altitude Water Cerenkov) o el “español” MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cerenkov), situado en La Palma.

(www.wikipedia.org)