Pirámide Sur de Dashur

Es obvio que los dos titulares anteriores son sensacionalistas y que los modificaron para ajustarse mejor a lo que era la noticia. Aunque el hecho de anunciar haber detectado unas partículas tan reveladoras dejó sorprendidos  a los arqueólogos, físicos, geólogos y demás científicos  involucrados.

Sin embargo, este hallazgo no es algo nuevo, porque en octubre de 2015 ya se publicó un artículo que explicaba bien la noticia y la técnica empleada: “Escanear las pirámides del Antiguo Egipto para desvelar sus secretos”. La noticia incluye un vídeo incrustado de sólo dos minutos que detalla la metodología empleada. Os recomiendo que le echéis un vistazo, es muy didáctico:

https://vimeo.com/145399600

Scan Piramids Mission  es un proyecto ambicioso respaldado por el gobierno de Egipto en el que participan varios organismos y empresas. Cuentan con una buena financiación para llevar a cabo tres tipos diferentes de estudios de todos los monumentos de interés: un escaneo mediante láseres fijos (apoyados en trípodes) y móviles (teledirigidos mediante drones); una termografía de infrarrojos para tener imágenes 3D de las distintas temperaturas y flujos de calor y por último imágenes 2D y 3D mediante la detección de muones, que es de lo que os quiero hablar en este post.

El muón fue una de las primeras partículas elementales que se descubrió como un elemento no perteneciente (en forma directa) al átomo. La carga eléctrica del muón es igual a la del electrón, pero tiene una masa 200 veces mayor. Los muones se producen de forma artificial en los centros de experimentación (CERN, Los Álamos,…) y de forma natural como consecuencia de la interacción de los rayos cósmicos con nuestra atmósfera, tal como se ilustra en la figura 1. La página web de la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) ofrece información general multimedia sobre los rayos cósmicos.

Figura 1. Cascada de partículas generadas por la interacción de los rayos cósmicos con las capas altas de la atmósfera terrestre. Cortesía http://tandem.nipne.ro/~muon1/detector/

Por lo tanto, los muones son partículas radiactivas (se desintegran en otras) que están presentes en todo el Universo y que proceden fundamentalmente del viento solar y del fondo galáctico. La Tierra está siendo constantemente bombardeada por dicha radiación cósmica, por consiguiente hay una incidencia contínua de muones sobre la superficie terrestre. Su energía es tan elevada que son capaces de atravesar grandes espesores de materiales (piedras, metales, rocas, edificios…), pero a medida que atraviesan capas van perdiendo intensidad. Si dichos muones son medidos por un detector, se obtendrá una “radiografía muónica”. Si se dispone de varios detectores en distintas posiciones se obtiene mucha más información y, posteriormente mediante un algoritmo matemático, se puede realizar una reconstrucción de una imagen 3D (tomografía) de aquéllo que hayan atravesado nuestros muones de interés. De esta forma, si se colocan adecuadamente detectores de muones en el interior de una pirámide egipcia, se podrá saber si las paredes del edificio son sólidas o si hay huecos (por ejemplo, cámaras ocultas aún no descubiertas), si hay fisuras estructurales importantes, si hay objetos muy densos aún por descubrir… Y por eso las noticias sensacionalistas iniciales decían que estas partículas eran reveladoras y que aportarían mucha información a los egiptólogos.

Si os interesa este tema y queréis saber más, os remito a un podcast de 14 minutos en el cual se entrevista a Javier Sierra y explica bastante bien lo que hasta aquí os he contado. Pero si preferís leer la transcripción del podcast os dejo este otro enlace. Ahora seguro que muchos me diréis que 4º Milenio no es científico y que en ciencia eso de la “nave del misterio”, «como que no pega». Es cierto, pero este podcast sí merece la pena, hacedme caso.

Detectores y Física de la Tomografía con muones

Hasta aquí ha sido la parte divulgativa, ahora me introduciré en la parte más técnica para explicar cómo se detectan los muones, cuáles son sus aplicaciones y los proyectos actuales. Así que si sólo queréis saber de qué iba esto ya habréis leído bastante y no os hará falta más hard info. Pero los que tengáis interés por conocer más acerca de estas partículas, podéis seguir leyendo.

El primer experimento para detectar muones lo llevó a cabo un equipo dirigido por el físico Luis Walter Álvarez a finales de los años 60. Álvarez,  de origen español y nacido en San Francisco, fue galardonado con el premio Nobel en 1968 por su contribución a la física de partículas.

Figura 2. Experimento de L. W. Álvarez. Cortesía Jacques Marteau.

Álvarez utilizó un dispositivo parecido a las películas radiográficas actuales (ver Figura 2), pero más sofisticado, tal que los muones dejaban su rastro en ellas. Por el tipo de trazas detectadas, este detector se denominó “cámara de chispas”. El trabajo fue arduo, ya que el tiempo de detección era de días (¡incluso semanas!) y la resolución y exactitud no tan buenas como se hubiese deseado, por lo que a pesar de la tenacidad de los investigadores, los resultados no fueron del todo satisfactorios. Además estalló el conflicto entre Egipto e Israel (la Guerra de los Seis Días) y con sólo un 20% escaneado de la pirámide de Keops se abortó el proyecto. Álvarez y colaboradores presentaron, con los resultados que disponían, un informe ante la American Physical Society, pero siempre quedó la incógnita de qué habría pasado si se hubiese finalizado la investigación.

Actualmente las películas de emulsiones (detector a base de bromuro de plata)  presentan una gran resolución espacial en la radiografía con muones. Por otra parte la lectura se realiza mediante microscopios electrónicos automatizados, herramienta que ya hubiera gustado tenerla a Álvarez, porque habría obtenido mucho mejores resultados. Además, estas radiografías presentan la ventaja de no necesitar alimentación externa para su funcionamiento, ya que su lectura se efectúa offline.

Pero los equipos más utilizados son las tiras de detectores de centelleo plástico y las cámaras de placas de resistencias, ya que permiten el procesado online de los sucesos y una mejor reconstrucción tomográfica. Los muones llegan a la superficie de la Tierra con un rango de energías entre 1-1000 GeV e interaccionan con la materia de dos formas principalmente: perdiendo energía por interacción electromagnética que produce electrones tras la ionización a su paso por el medio, y dispersiones culombianas múltiples (MCS, siglas en inglés) con los núcleos generándose un cambio respecto a la dirección inicial. En otros casos los muones pierden suficiente energía y se absorben en el medio. A groso modo, se depositan unos 2,2 MeV de energía por gramo  y cm². En la tabla inferior (Tabla 1) se muestra una estimación de la energía perdida por los muones al atravesar 10 cm de varios materiales.

Tabla 1. Cortesía Larry Joe Schultz

Se define como alcance a la distancia que recorre una partícula en un medio hasta que se detiene por completo. En la Tabla 2 se ilustra el alcance para muones de varias energías.

Tabla 2. Cortesía Larry Joe Schultz

Según el medio que se quiera radiografiar con muones (una pirámide, una parte de una montaña) lo atravesarán más o menos muones en función de su densidad y grosor. A nivel del mar hay un flujo de unos 10,000 muones m² min^-1. Para tener una buena resolución habrá que registrar muchos sucesos, lo cual hace que las medidas pueden ser muy largas antes de ser procesadas. Hay que tener en cuenta que el flujo de muones no es uniforme para todas las energías y además depende del ángulo de detección. Por tanto, amigos tomográficos muónicos, mucha paciencia (ahora me acuerdo de nuevo de Álvarez… ¡ay! qué lastimica).

Los detectores de centelleo y las cámaras de placas usan las MCS para registrar los sucesos. La incertidumbre de las medidas disminuye a medida que aumenta la energía de los muones, por lo que se suelen diseñar para detectar los muones alta energía, que además son los más penetrantes. El tipo de material también es importante, así un modelo de detector estándar es montar tres superficies de distintas densidades (hormigón-hierro-plomo por ejemplo) alineadas (ver Figura 3), tal que los muones atraviesan dichas superficies. Las dispersiones producidas permiten segregar las interacciones (de baja-media-alta energía) y realizar medidas bastante precisas.

Figura 3. Instalación de un detector de muones con tres planos de 1 m2 cada uno. En la jerga, son denominados telescopios. Cortesía Larry Joe Schultz.

Aplicaciones y proyectos actuales

Dejaré ya de lado las pirámides, porque he hablado bastante. Antes de que la tomografía con muones se aplicara a las pirámides en su forma actual, se inició con éxito en la monitorización de volcanes activos en Japón. Fueron Hiroyuki Tanaka y colaboradores los que consiguieron en 2007 por primera vez radiografiar un volcán, concretamente la parte superior del monte Asama. Los resultados demostraron la existencia de rocas de baja densidad debajo del cráter, es decir, lava. La computarización de los datos pudo simular posibles erupciones y advertir qué zonas terrestres estarían expuestas a mayor peligro (ver Figuras 4 y 5).

Figura 4. Ubicación de un detector. En la práctica hay varios, pero todos por debajo del cráter. Cortesía de H.K.M. Tanaka

Figura 5: Detección experimental de material de baja densidad debajo del cráter.

Actualmente hay un proyecto ambicioso, el Mu-Ray Project, que usa los rayos cósmicos para la tomografía de volcanes. Decidir dónde colocar los detectores, cuántos e incluso el diseño de los mismos es una tarea primordial en este campo. La simulación Monte Carlo (MC) ha ayudado muchísimo, de tal forma que se puede realizar una simulación a partir de reconstrucciones 3D (recordad el mapeo en 3D del Scan Pyramids Mission), decidir la ubicación óptima de los detectores y la cantidad, ya que no pasarse del presupuesto es importante. También se podrá estimar cuánto demorará la toma de datos e incluso modificar el diseño de los detectores. El código MC más usado para este campo es el GEANT 4.

Recientemente la aplicación industrial de la tomografía de muones se dio a conocer cuando fue usada en la desgraciada central nuclear de Fushima para advertir de las posibles fisuras en el blindaje del reactor. Una vez reparada la avería, fue muy útil poder radiografiar las zonas de interés y verificar si estructuralmente estaban bien selladas (ver Figura 6). Si queréis ver un buen resumen os dejo este vídeo de 4 min donde se cuenta muy bien y se muestran los resultados obtenidos.

Figura 6. Disposición de los detectores de muones alrededor del reactor nuclear dañado. Cortesía Decision Sciences International Corporation (DSIC).

De la misma forma, es posible usar esta misma técnica para detectar objetos muy densos dentro otros poco densos, y viceversa. Así, los países integrantes del tratado de no proliferación de armas nucleares están planteándose instalar estos detectores en zonas de paso de mercancías, como puertos, aeropuertos, instituciones militares, políticas y centros de investigación. Podéis leer este pdf completo de la IAEA que contiene mucha información al respecto.

Todo esto no hubiera sido posible sin el Laboratorio Nacional de los Álamos (LANL) en EE.UU. A mediados de los noventa desarrollaron la radiografía con protones con multitud de aplicaciones. Más adelante tuvieron la idea de usar muones en vez de protones, dando lugar a la tecnología que he explicado en este post.

En un futuro próximo…

El desarrollo de la tomografía de muones nace de la necesidad de radiografiar objetos muy grandes, como ya he hablado (pirámides, volcanes, contenedores de mercancías,…). Pero si nos planteamos obtener imágenes a mayor escala, como por ejemplo planetas, ¿cómo lo haríamos? Pues será muy fácil cuando se desarrolle la radiografía de neutrinos. Gracias a que los neutrinos son capaces de atravesar planetas enteros e interaccionar muy poco, podrán proporcionar (tiempo al tiempo, Figura 7) datos sobre su densidad y especular sobre la geofísica planetaria.

Figura 7. Aplicaciones radiográficas según el alcance de la radiación empleada. Cortesía K. Hoshima.

REFERENCIAS

Además de todos los enlaces que ido adjuntando, para un vistazo general y bien explicado recomiendo:

–https://en.m.wikipedia.org/wiki/Muon_tomography

–http://www.scienceinschool.org/node/4253

Aplicación a la vulcanología:

–https://youtu.be/CPYhqJ3e-2o

–http://iactalks.iac.es/m/talks/view/413

Sobre tomografía con muones en profundidad (hard papers):

–http://ndip.in2p3.fr/ndip11/AGENDA/AGENDA-by-DAY/Presentations/GenTalk/GT4-Marteau.pdf

–http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.308.810&rep=rep1&type=pdf

–http://people.na.infn.it/~strolin/MU-RAY.pdf

Código MC GEANT 4 (hard papers):

–http://iactalks.iac.es/m/talks/view/413

–http://arxiv.org/pdf/0811.0187.pdf

Tomografía con neutrinos (hard papers):

–http://icecube.wisc.edu/~hoshina/myslides/2011/EarthCore_IC40_WSERI2.pdf

–http://soundideas.pugetsound.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2059&context=faculty_pubs

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Pero hay otro tipo de radiactividad, la natural, que recibimos todos los terrícolas, nos guste o no, y que constituye una parte muy importante de la dosis anual acumulada por la población. De hecho, según la NCRP160 esta contribución supone aproximadamente el 50% de la dosis poblacional.

Sin entrar en demasiado detalle, el Foro de la Industria Nuclear define fondo radiactivo natural como el conjunto de radiaciones ionizantes que existen en el medio ambiente de forma natural y que provienen de fuentes cósmicas o radiactivas terrestres. Y es que esas son las dos contribuciones más importantes a la radiactividad natural terrestre. Por un lado, los rayos cósmicos provenientes de la evolución de alguna estrella o la explosión de una supernova. Estos rayos están compuestos principalmente de protones y partículas alfa, que interactúan con la materia y nos dejan un amplio espectro de radiación en la superficie. Como consecuencia del efecto absorbente de la atmósfera, la intensidad de los rayos cósmicos aumenta según la altitud. Así, en las zonas costeras se puede llegar a recibir hasta un tercio de la radiación cósmica recibida en ciudades a gran altura, como México D.F., Bogotá o Denver. Como dato curioso de estos rayos cósmicos, son desviados por el campo magnético terrestre hacia los polos, por lo que las dosis aumentan considerablemente con la latitud.

La otra gran contribución al fondo radiactivo natural proviene de los rayos gamma emitidos por núcleos radiactivos presentes en la corteza terrestre. Las rocas ígneas (granito, basalto…) presentan un nivel de radiactividad importante, superior al de la mayoría de las rocas sedimentarias, aunque la pizarra, por ejemplo, también suele tener un cierto componente radiactivo. De los más de 70 isótopos radiactivos naturales que existen, el principal componente radiactivo de las rocas es el radón, un gas noble que proviene de la desintegración del radio y del torio. Es este último, junto con el uranio y el potasio, el más común en rocas y en materiales de construcción como cemento, ladrillos o yeso.

Por lo tanto, cabe pensar, y ahí es donde vamos a centrar el post de hoy, que según la composición geológica del lugar donde vivas (no sólo por el suelo sino también por los materiales típicos de las construcciones), así será la dosis recibida debida al fondo natural.

La teoría, como siempre, está muy bien, pero ¿cómo afecta esto a España? ¿Vivimos en un país altamente radiactivo? ¿Los madrileños se irradian más o menos que yo, que vivo en Salamanca? Para resolver estas cuestiones, el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) y ENUSA han realizado un proyecto de colaboración, denominado MARNA, en el que evalúan los niveles de radiación gamma natural en España. Partiendo de medidas de radiación gamma procedentes del suelo en campañas de exploración del uranio y complementándolo con nuevas medidas terrestres y aéreas en exploraciones de uranio, radón y otros isótopos, el resultado es una bonita foto del país teñida de colores, en función de la tasa de exposición a la radiación gamma natural medida a un metro del suelo y expresada en µR/h.

Según este mapa, en la España peninsular tenemos un fondo radiactivo natural promedio de aproximadamente 8.7 µR/h, aunque vemos que la distribución dista mucho de ser homogénea. A simple vista se observan varias zonas interesantes:

• El sureste peninsular y, en general, el levante, es, con diferencia, la región española con un fondo radiactivo menor. En concreto, las provincias de Murcia, Castellón, Valencia, Alicante y Albacete presentan los valores más bajos de tasa de exposición natural.
• Por el contrario, las tasas de exposición más altas de la España peninsular parecen concentrarse en el sur de Galicia, el sur de Castilla y León y el norte de Extremadura. En concreto, las provincias con mayor tasa de exposición son, por este orden, Pontevedra, Ávila, Orense, Lugo, Cáceres y Madrid.

Si ordenamos las provincias por orden de mayor a menor tasa de exposición, el resultado es el siguiente:

Si dejamos de hablar de exposición y empezamos a hablar de tasa de dosis absorbida en aire (en mSv/año) promediada para cada provincia, obtenemos este otro bonito mapa:

¿A qué son debidas estas diferencias? ¿Por qué el fondo radiactivo de gallegos, extremeños y castellanos es mayor que el resto?

La respuesta está, obviamente, en la composición química del suelo. La zona del levante español tiene los niveles más bajos de fondo radiactivo natural principalmente debido a que su suelo está compuesto de formaciones sedimentarias de origen marino. Por el contrario, las zonas con alto contenido en granito del Sistema Central, las Arribes del Duero o el sur de Galicia presentan un fondo radiactivo considerablemente más alto, ya que muchos granitos contienen los tres elementos radiactivos naturales que destacábamos antes: el potasio, el torio y el uranio. Algunas rocas metamórficas de pirineos y el sistema ibérico también hacen que se observen fondos radiactivos superiores a la media en ciertas zonas alejadas de los suelos graníticos.
Para ser conscientes aún más si cabe de la heterogeneidad que presenta el fondo radiactivo natural, basta con ver un mapa ampliado de cualquier provincia española. Centrémonos, a modo de ejemplo (y elegido por casualidad) en el mapa de Salamanca:

Al contrario que con los rayos cósmicos (que en una determinada región se puede considerar una contribución relativamente uniforme sin cometer demasiado error), se puede observar un gradiente importante en cuanto a fondo radiactivo se refiere debido a la composición de los suelos en apenas unas pocas decenas de kilómetros. Las zonas del Campo Charro y La Armuña, con predominio de suelo de origen sedimentario, tienen un fondo radiactivo que podemos considerar bajo. Sin embargo, aquellas zonas donde el componente granítico es importante, como son las Arribes del Duero en el oeste y las faldas del Sistema Central en el sureste, presentan un fondo radiactivo con un valor de hasta tres veces superior al resto.

Toda esta información, lejos de ser irrelevante y quedarse como una mera curiosidad, tiene su importancia, entre otros muchos aspectos, en el que nos preocupa y da sentido a este blog, la física médica, ya que el propio Centro Nacional de Dosimetría tiene en cuenta estos datos a la hora de analizar las dosis recibidas por cualquier personal expuesto a radiación ionizante.

Basándose en el Reglamento de Protección Sanitaria contra Radiaciones Ionizantes, el CND ha de sustraer de las lecturas de los dosímetros la dosis debida al fondo radiactivo natural. Así pues, como los dosímetros se emplean en regiones distintas de la península y ya hemos visto que la distribución del fondo debido a la radiación ambiental es suficientemente heterogéneo, desde el año 2003 se aplica un factor de corrección debido a la localización del dosímetro durante todo el proceso de uso, transporte y lectura para poder sustraer de una manera más realista el valor de radiación de fondo. En el siguiente mapa se muestran los valores de contribución del fondo ambiental que tiene en cuenta el Centro Nacional de Dosimetría y que, como vemos, concuerdan bastante bien con el mapa generado en el proyecto MARNA.

De todas formas, para la gente menos puesta en números, cifras y unidades, no conviene perder la perspectiva y empezar a pensar que España es un país altamente peligroso por su radiactividad natural y que vamos a morir todos por este motivo, que si algo nos sobra a los españoles es el alarmismo.

Si analizamos los datos y hacemos comparaciones sencillas, vemos que España es un país con un fondo radiactivo que podemos considerar bajo, con un nivel muy parecido al de nuestros vecinos franceses, por ejemplo. Se estima que, en promedio, el fondo radiactivo natural mundial ronda los 2.5 mSv/año, más del doble que el que encontramos en la provincia con fondo radiactivo más alto de España (Pontevedra, 1.5 mSv/año), por lo que no debemos preocuparnos.

Si expandimos un poco nuestras miras hacia otras partes del mundo, vemos zonas en las que la radiactividad natural sí que puede tener unos valores significativamente elevados. Las playas de Brasil, por ejemplo, además de ser uno de sus principales atractivos turísticos, son a la vez uno de los puntos con mayor nivel de radiactividad natural del mundo. En concreto, las de Guarapari (en realidad toda la zona que va desde el sur de Bahía hasta el norte de Río de Janeiro, en total unos 800 km de costa) son famosas por la fina arena blanca de sus playas. La realidad es que esa arena está compuesta de monacita, un mineral con alto contenido en torio, el cual, como hemos dicho, es radiactivo y en su cadena de desintegración tiene elementos como el radio, el actinio o el radón. En concreto, se han llegado a obtener lecturas de hasta 175 mSv/año o, lo que es lo mismo, más de cien veces más alta que el promedio de Pontevedra, que apenas se llegaba a 1.5 mSv/año.

En Karunagappally, al suroeste de India, también hay zonas ricas en monacita, llegando a obtener lecturas de hasta 70 mSv/año, al igual que en Yangjiang, China, cuyas casas están fabricadas con arena y arcilla de la región, rica en este mineral. En Arkaroola, Australia, tienen manantiales subterráneos que fluyen a través de rocas ricas en uranio, llevando el uranio y el radón a la superficie. Peor están aún en Ramsar, Irán. Esta región al sur del mar Caspio es famosa por tener los niveles de radiación natural más altos del planeta, con valores que rozan los 250 mSv/año, debidos a la piedra caliza contenida en las aguas termales naturales y las construcciones del lugar.

Visto así, al menos en cuanto a fondo radiactivo natural se refiere, en España no se está tan mal, ¿verdad?

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La historia de los minerales radiactivos va unida a la del descubrimiento de la radiactividad y sus protagonistas, que fundamentalmente fueron físicos y químicos.

En 1789 M. H. Klaproth obtuvo a partir de la pechblenda (una variedad de uraninita, UO₂) un polvo negro que, según él, contenía un nuevo elemento químico. Sin embargo, fue E. Peligot quien en 1841 aisló por primera vez el uranio metálico.

En 1896 H. Becquerel observó que sólo los minerales de uranio (VI) eran fluorescentes y/o fosforescentes y que esta propiedad era independiente de la exposición al sol. Mientras, los minerales de uranio (IV) no eran fluorescentes ni fosforescentes, sin embargo emitían una radiación invisible que podía atravesar una lámina de aluminio e impresionar una placa fotográfica. Becquerel sugiere la existencia de los “rayos uránicos”, lo que hoy conocemos como radiactividad.

Marie y Pierre Curie observaron que los rayos uránicos de Becquerel no eran exclusivos del uranio y que también aparecían en el torio, además de en el polonio y en el radio que ambos descubrieron en 1898.

B. Boltwood descubrió en 1905 que el radio procedía de la desintegración del uranio y que el uranio estaba presente en muchos minerales como el zircón o la monacita. Además, introdujo el concepto de plomo radiogénico, es decir, el Pb como producto final de la desintegración del uranio. Observa que en rocas geológicamente muy antiguas la proporción plomo-uranio es mayor que en rocas más nuevas e inventa la datación de rocas y minerales mediante la medida de la proporción entre uranio y plomo revolucionando así la geología. Ya se puede estimar la edad de la tierra a partir de la de sus rocas.

A partir de aquí, se sucedieron en avalancha los descubrimientos que dieron lugar a la determinación de las series radiactivas naturales, el descubrimiento de la radiactividad artificial o la explicación de la naturaleza de la radiación cósmica, entre otros.

2. Radiactividad en la Tierra

Hoy sabemos que en torno al 80 % de la radiación de fondo que recibimos anualmente por vivir en la Tierra (en promedio 2 mSv, como un TAC de cabeza) procede de los minerales que nos rodean, la radiación cósmica y los alimentos que tomamos. Por lo tanto, no parece caprichoso aprender un poco más de los minerales y de las rocas (que son mezclas heterogéneas de minerales) que nos irradian a diario.

Nuestro planeta nos vino de serie hace unos 4500 millones de años con unos pocos radioisótopos, a los que llamamos primarios por tener vidas medias al menos tan largas como la propia edad de la Tierra. Los más importantes por su abundancia y contribución a la radiación de fondo son el K-40 (presente en alimentos y rocas como las arcillas), el Th-232 y el U-238, U-235 (presentes en muchos minerales). Éstos forman cationes grandes que requieren minerales y rocas con estructuras cristalinas amplias capaces de albergarlos.

De la desintegración radiactiva de los radioisótopos primarios y sucesivos surgen series de isótopos secundarios, que como ocurre en el caso del uranio-radio, a veces producen radiaciones más intensas que los primarios. Al tener vidas medias más cortas que la edad de la Tierra, su existencia sólo se puede explicar por la de los primarios. Uno de los radioisótopos secundarios más relevantes por su contribución a la dosis de fondo es el radón (Rn-222) que, al ser un gas, constituye la principal fuente de radiación por inhalación. El radón está emanando continuamente de la superficie terrestre.

Finalmente, los radioisótopos terciarios son los que son inducidos continuamente en la naturaleza por medio de reacciones nucleares producidas por la radiación cósmica. Entre los terciarios más nombrados tenemos el C-14, que se ha tornado muy útil para la datación de restos orgánicos.

Aunque los radioisótopos están distribuidos alrededor de la superficie terrestre de una manera más o menos uniforme, existen regiones en las que por distintas causas geológicas y geoquímicas, las concentraciones de los elementos radiactivos son anormalmente altas. Además, en contra de lo que cabría pensar, el uranio y el torio son mucho más abundantes en la Naturaleza que otros elementos estando en una proporción casi 1000 veces mayor que el oro, por ejemplo.

A continuación, voy a presentar de manera muy somera los tipos de rocas en los que se suelen concentrar los minerales radiactivos y algunos ejemplos de éstos.

3.- Rocas y Minerales

Granito, roca muy utilizada en la construcción

Las rocas ígneas (granito, pegmatita, riolita, toba volcánica, etc.), formadas tras el enfriamiento y solidificación del magma o roca fundida del interior de la tierra, a menudo contienen elementos radiactivos distribuidos dentro de partículas cristalinas muy finas. Pero la radiactividad no es exclusiva de estas rocas ya que, a veces, los depósitos de rocas formadas por acumulación de sedimentos o sedimentarias (conglomerados, arcillas, areniscas, esquistos arcillosos, calizas, etc.), al ser porosas y permeables alojan bien minerales de U y Th dando lugar a yacimientos importantes de minerales radiactivos. Las rocas metamórficas (mármol, cuarcita, esquistos metamórficos, gneis, pizarra, etc.), formadas a altas presiones a partir de rocas ígneas o sedimentarias, tienden a mantener el contenido de minerales radiactivos de las rocas originarias.

Los depósitos de fosfatos (roca sedimentaria compuesta por minerales del grupo del apatito) y carbón (hidrocarburos) tienen una consideración especial ya que tanto los fosfatos como los hidrocarburos alojan muy bien los enormes cationes de U y Th, por lo que en algunos casos estos depósitos contienen altas concentraciones de uranio.

Resumiendo, en general, podemos pensar que la concentración de elementos radiactivos en rocas es:
– Frecuente en granito, pizarra, esquisto, carbón, depósitos de fosfatos,
– Ocasional en andesita, conglomerados, arenisca, gneis,
– Rara en basalto, caliza, depósitos de yeso y sales, cuarcitas, mármol.

Teniendo en cuenta lo anterior, uno puede comprender por qué Pontevedra (donde abunda el granito) está expuesta a niveles de radiación natural casi cuatro veces por encima de los de Murcia (donde abunda el mármol), según  los resultados del Proyecto Marna (Mapa de Radiación Gamma Natural) disponibles en la web del CSN.

En cuanto a los minerales, en la Naturaleza hay cientos con isótopos radiactivos. Algunos de ellos son realmente estéticos y por eso se exponen en museos públicos y colecciones privadas. Entre los más representativos que contienen potasio, uranio y torio (además de sus productos de desintegración) nos encontramos los siguientes:

-Potasio (K): Silvina (KCl) utilizada en fertilizantes y micas (moscovita, biotita, lepidolita, flogopita), utilizadas en la industria de aislantes térmicos y eléctricos.

Silvina (KCl)

Mica Moscovita, KAl2(Si3Al)O10(OH)2

-Uranio (U): Autunita, carnotita, pechblenda, torbernita, uraninita utilizadas como menas de uranio para la industria energética y metalúrgica.

Autunita (Ca(UO2)2(PO4)2·10-12H2O)

Uraninita (UO2)

Torbernita (Cu(UO2)2(PO4)2 · 8-12 H2O)

-Torio (Th): Monacita, torianita, torita utilizadas como menas de torio y tierras raras para la industria metalúrgica y electrónica.

Monacita ((Ce,La,Pr,Nd,Th,Y)PO4)

En general, las radiaciones ionizantes producen defectos (llamados centros de color o centros F) en la estructura cristalina de los minerales que pueden afectar a su color. Es por ello que sea habitual el tratamiento de piedras preciosas y semipreciosas (diamantes, topacios, berilos, cuarzos, espomudenas) para obtener coloraciones más intensas y, por tanto, piedras más estéticas. En otras ocasiones, el cambio de color por efecto de la radiación se produce en el propio yacimiento de manera completamente natural como ocurre el caso del cuarzo ahumado.

Cuarzo ahumado de origen natural

4.- Precauciones con minerales radiactivos

En una sociedad donde a priori todo lo radiactivo es malo, no es de extrañar que el asunto de la peligrosidad de los minerales radiactivos sea un tema recurrente entre los aficionados a los minerales. Por ello, no está de más dar algunas recomendaciones para su correcta manipulación y conservación que, en general, serán prácticamente las mismas que las que hay que seguir con cualquier otro mineral.

El funcionamiento normal del riñón, el cerebro, el hígado y otros sistemas puede verse afectado por la exposición al uranio dado que es un elemento químico tóxico por sí mismo y no lo debemos olvidar al manejar sus compuestos. Pero, además, tanto sus minerales como los de torio presentan básicamente tres tipos de riesgos debidos a la radiactividad. Estos riesgos son la irradiación externa, la irradiación interna por ingestión y la irradiación interna por inhalación de los productos del radón.

El riesgo de irradiación externa no suele ser excesivamente serio porque una parte importante de la emisión del uranio y torio es en forma de partículas alfa que son detenidas en su mayor parte por una pequeña capa de aire. Además, al disminuir la radiación recibida con el cuadrado de la distancia, simplemente colocando los ejemplares en la parte más interior de los cajones o vitrinas se reduce mucho la dosis. También, evitando actuaciones evidentemente imprudentes, como coleccionar muestras de tamaño grande y muy ricas, almacenar numerosas muestras debajo de la cama, llevarlas en el bolsillo o convertir la casa en un cementerio nuclear.

La irradiación interna por ingestión puede evitarse no comiendo ni fumando mientras se manipulan los minerales, lavándose las manos después, etc. En esta línea, la solubilidad del mineral y su grado de división son propiedades que hay que tener en cuenta. Afortunadamente, muchos minerales radiactivos con tendencia a aparecer en forma pulverulenta, como la carnotita, son también muy insolubles.

Finalmente, la irradiación del radón por inhalación puede ser el mayor riesgo de los minerales radiactivos. Este gas es un producto de desintegración del radio que a su vez lo es de la del uranio y el torio. El radón es un gas químicamente inerte con una vida media corta. El riesgo aparece cuando se desintegra, dando lugar a isótopos químicamente muy reactivos y de vida relativamente larga que se unen a cualquier partícula presente en el aire (procedente, por ejemplo, del humo del tabaco) y pueden así alcanzar e irradiar los pulmones. Actualmente, se considera que esta irradiación es un factor de riesgo importante en la aparición del cáncer del pulmón. Las medidas de precaución a adoptar pueden ir desde guardar los minerales radiactivos en lugares bien ventilados a hacerlo en recipientes herméticos.

Por tanto, la conservación racional de muestras minerales radiactivas es una actividad tan segura o más que la conservación de cualquier otra muestra mineral que, en definitiva, no deja de ser un compuesto químico cuyos riesgos debemos conocer y comprender.

5.- Para saber más

Algunas lecturas recomendadas:

– La Radiactividad Natural y los Minerales Radiactivos, Dr. César Menor-Salván, UPM, 2013

– Natural Radioactivity in the Geologic Environment, B. W. Hurley, NNSA, 2009

– Minerales Radiactivos en Foro de Mineralogía Formativa, 2007

– Radioactivity in Minerals, Webmineral.com

– Toxicidad de los Minerales, Miguel Calvo, Facultad de Veterinaria de Zaragoza

– Proyecto Marna en la web del CSN.

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