Resultados de aprendizaje
- Enumerar aplicaciones comunes de los isótopos radiactivos
Los isótopos radiactivos tienen las mismas propiedades químicas que los isótopos estables del mismo elemento, pero emiten radiación, que puede ser detectada. Si sustituimos uno (o más) átomo(s) por radioisótopo(s) en un compuesto, podemos rastrearlos controlando sus emisiones radiactivas. Este tipo de compuesto se denomina trazador radiactivo (o etiqueta radiactiva). Los radioisótopos se utilizan para seguir las rutas de las reacciones bioquímicas o para determinar cómo se distribuye una sustancia dentro de un organismo. Los trazadores radiactivos también se utilizan en muchas aplicaciones médicas, tanto en el diagnóstico como en el tratamiento. Se utilizan para medir el desgaste de los motores, analizar la formación geológica alrededor de los pozos petrolíferos y mucho más.
Los radioisótopos han revolucionado la práctica médica (véase Vidas medias de varios isótopos radiactivos), donde se utilizan ampliamente. En Estados Unidos se realizan anualmente más de 10 millones de procedimientos y más de 100 millones de pruebas de medicina nuclear. Cuatro ejemplos típicos de trazadores radiactivos utilizados en medicina son el tecnecio-99 \left({}_{43}^{99}\text{Tc}\right) el talio-201 ({{81}^{201}texto{Tl}}derecho), el yodo-131 ({{53}^{131}texto{I}}derecho) y el sodio-24 ({11}^{24}texto{Na}}derecho). Los tejidos dañados del corazón, el hígado y los pulmones absorben preferentemente ciertos compuestos de tecnecio-99. Tras su inyección, la localización del compuesto de tecnecio, y por tanto del tejido dañado, puede determinarse mediante la detección de los rayos γ emitidos por el isótopo Tc-99. El talio-201 se concentra en el tejido cardíaco sano, por lo que los dos isótopos, Tc-99 y Tl-201, se utilizan juntos para estudiar el tejido cardíaco. El yodo 131 se concentra en la glándula tiroides, el hígado y algunas partes del cerebro. Por tanto, puede utilizarse para controlar el bocio y tratar las afecciones tiroideas, como la enfermedad de Grave, así como los tumores hepáticos y cerebrales. Las soluciones salinas que contienen compuestos de sodio-24 se inyectan en el torrente sanguíneo para ayudar a localizar las obstrucciones al flujo sanguíneo.
Figura 1. La administración de talio-201 a un paciente y la posterior realización de una prueba de esfuerzo ofrecen a los profesionales médicos la oportunidad de analizar visualmente la función del corazón y el flujo sanguíneo. (Crédito: modificación del trabajo de «Blue0ctane»/Wikimedia Commons)
Los radioisótopos utilizados en medicina suelen tener vidas medias cortas; por ejemplo, el omnipresente Tc-99m tiene una vida media de 6,01 horas. Esto hace que el Tc-99m sea esencialmente imposible de almacenar y prohibitivamente caro de transportar, por lo que se fabrica in situ. Los hospitales y otras instalaciones médicas utilizan Mo-99 (que se extrae principalmente de los productos de fisión del U-235) para generar Tc-99. El Mo-99 sufre una desintegración β con una vida media de 66 horas, y el Tc-99 se extrae químicamente. El núclido parental Mo-99 forma parte de un ion de molibdato, {text{MoO}}_{4}^{2-}; cuando decae, forma el ion de pertecnetato, {\text{TcO}}_{4}^{text{-}}. Estos dos iones solubles en agua se separan mediante cromatografía en columna, en la que el ion molibdato de mayor carga se adsorbe en la alúmina de la columna, y el ion pertecnetato de menor carga pasa a través de la columna en la solución. Unos pocos microgramos de Mo-99 pueden producir suficiente Tc-99 para realizar hasta 10.000 pruebas.
Figura 2. (a) El primer generador de Tc-99m (alrededor de 1958) se utiliza para separar el Tc-99 del Mo-99. El MoO42- es retenido por la matriz en la columna, mientras que el TcO4- lo atraviesa y se recoge. (b) El Tc-99 se utilizó en esta exploración del cuello de un paciente con enfermedad de Grave. La gammagrafía muestra la localización de altas concentraciones de Tc-99. (crédito a: modificación de un trabajo del Departamento de Energía; crédito b: modificación de un trabajo de «MBq»/Wikimedia Commons)
Los radioisótopos también pueden utilizarse, normalmente en dosis más altas que como trazador, como tratamiento. La radioterapia es el uso de radiación de alta energía para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o impide que se dividan. Un paciente con cáncer puede recibir radioterapia externa administrada por una máquina fuera del cuerpo, o radioterapia interna (braquiterapia) a partir de una sustancia radiactiva que se ha introducido en el cuerpo. Tenga en cuenta que la quimioterapia es similar a la radioterapia interna en el sentido de que el tratamiento del cáncer se inyecta en el cuerpo, pero difiere en que la quimioterapia utiliza sustancias químicas en lugar de radiactivas para matar las células cancerosas.
Figura 3. La viñeta de (a) muestra una máquina de cobalto-60 utilizada en el tratamiento del cáncer. El diagrama en (b) muestra cómo el pórtico de la máquina de Co-60 gira a través de un arco, enfocando la radiación en la región objetivo (tumor) y minimizando la cantidad de radiación que pasa a través de las regiones cercanas.
El cobalto-60 es un radioisótopo sintético producido por la activación neutrónica del Co-59, que luego sufre una desintegración β para formar Ni-60, junto con la emisión de radiación γ. El proceso global es:
{}_{27}^{59}\text{Co}+{}_{0}^{1}\text{n}\longrightarrow {}_{27}^{60}\text{Co}\longrightarrow {}_{28}^{60}\text{Ni}+{}_{-1}^{0}beta+2{}_{0}^{0}gamma
El esquema general de desintegración para esto se muestra gráficamente en la Figura 4.
Figura 4. El Co-60 sufre una serie de desintegraciones radiactivas. Las emisiones γ se utilizan para la radioterapia.
Los radioisótopos se utilizan de diversas maneras para estudiar los mecanismos de las reacciones químicas en plantas y animales. Entre ellos se incluye el etiquetado de fertilizantes en los estudios sobre la absorción de nutrientes por parte de las plantas y el crecimiento de los cultivos, las investigaciones sobre los procesos digestivos y de producción de leche en las vacas, y los estudios sobre el crecimiento y el metabolismo de los animales y las plantas.
Por ejemplo, el radioisótopo C-14 se utilizó para dilucidar los detalles de cómo se produce la fotosíntesis. La reacción general es:
{\text{6CO}}_{2}\left(g\right)+{\text{6H}}_{2}\text{O}\left(l\right)\longrightarrow {\text{C}}_{6}{\text{H}}_{12}{\text{O}}_{6}\left(s\right)+{\text{6O}}_{2}\left(g\right),
Pero el proceso es mucho más complejo, procediendo a través de una serie de pasos en los que se producen varios compuestos orgánicos. En los estudios sobre la vía de esta reacción, se expusieron las plantas a CO2 que contenía una alta concentración de {}_{6}^{14}{text{}}. A intervalos regulares, se analizaron las plantas para determinar qué compuestos orgánicos contenían carbono-14 y qué cantidad de cada compuesto estaba presente. A partir de la secuencia temporal en la que aparecían los compuestos y la cantidad de cada uno presente en determinados intervalos de tiempo, los científicos aprendieron más sobre la vía de la reacción.
Las aplicaciones comerciales de los materiales radiactivos son igualmente diversas. Incluyen la determinación del espesor de películas y láminas metálicas delgadas aprovechando el poder de penetración de varios tipos de radiación. Los defectos de los metales utilizados con fines estructurales pueden detectarse utilizando rayos gamma de alta energía procedentes del cobalto 60, de forma similar a como se utilizan los rayos X para examinar el cuerpo humano. En una forma de control de plagas, las moscas se controlan esterilizando a los machos con radiación γ para que las hembras que se reproduzcan con ellos no tengan descendencia. Muchos alimentos se conservan mediante radiación que mata los microorganismos que hacen que los alimentos se estropeen.
Figura 5. Los usos comerciales comunes de la radiación incluyen (a) el examen de rayos X del equipaje en un aeropuerto y (b) la conservación de alimentos. (crédito a: modificación del trabajo del Departamento de la Marina; crédito b: modificación del trabajo del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos)
El mercurio-241, un emisor α con una vida media de 458 años, se utiliza en cantidades minúsculas en los detectores de humo de tipo ionización. Las emisiones α del Am-241 ionizan el aire entre dos placas de electrodos en la cámara de ionización. Una batería suministra un potencial que provoca el movimiento de los iones, creando así una pequeña corriente eléctrica. Cuando el humo entra en la cámara, el movimiento de los iones se ve impedido, reduciendo la conductividad del aire. Esto provoca una marcada caída de la corriente, disparando una alarma.
Figura 6. En el interior de un detector de humo, el Am-241 emite partículas α que ionizan el aire, creando una pequeña corriente eléctrica. Durante un incendio, las partículas de humo impiden el flujo de iones, reduciendo la corriente y activando una alarma. (crédito a: modificación de la obra de «Muffet»/Wikimedia Commons)
Los compuestos conocidos como trazadores radiactivos pueden utilizarse para seguir reacciones, rastrear la distribución de una sustancia, diagnosticar y tratar condiciones médicas, y mucho más. Otras sustancias radiactivas son útiles para el control de plagas, la visualización de estructuras, la alerta de incendios y muchas otras aplicaciones. En Estados Unidos se realizan cada año cientos de millones de pruebas y procedimientos de medicina nuclear con una gran variedad de radioisótopos de vida media relativamente corta. La mayoría de estos radioisótopos tienen vidas medias relativamente cortas; algunas son lo suficientemente cortas como para que el radioisótopo deba fabricarse in situ en las instalaciones médicas. La radioterapia utiliza radiaciones de alta energía para destruir las células cancerosas dañando su ADN. La radiación utilizada para este tratamiento puede administrarse de forma externa o interna.
Prueba
- ¿Cómo se puede utilizar un nucleido radiactivo para demostrar que el equilibrio:\text{AgCl}\\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️)\️(s\️) es un equilibrio dinámico?
- El tecnecio-99m tiene una vida media de 6,01 horas. Si un paciente al que se le ha inyectado tecnecio-99m puede abandonar el hospital con seguridad una vez que el 75% de la dosis ha decaído, ¿cuándo se le permite salir al paciente?
- El yodo que entra en el cuerpo se almacena en la glándula tiroidea, desde donde se libera para controlar el crecimiento y el metabolismo. El tiroides se puede visualizar si se inyecta yodo-131 en el cuerpo. En dosis mayores, el I-133 también se utiliza como medio para tratar el cáncer de tiroides. El I-131 tiene una vida media de 8,70 días y decae por emisión β-.
- Escribe una ecuación para la desintegración.
- ¿Cuánto tiempo tardará el 95.0% de una dosis de I-131 en decaer?
Glosario
Quimioterapia: similar a la radioterapia interna, pero se introducen en el cuerpo sustancias químicas en lugar de radiactivas para eliminar las células cancerosas
Radioterapia de haz externo: radiación administrada por una máquina fuera del cuerpo
Radioterapia interna: (también, braquiterapia) radiación de una sustancia radiactiva introducida en el cuerpo para matar las células cancerosas
radioterapia: uso de radiación de alta energía para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o impide que se dividan
trazador radiactivo: (también, etiqueta radiactiva) radioisótopo utilizado para rastrear o seguir una sustancia mediante el control de sus emisiones radiactivas