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Práctica 2: ISOTOPOS RADIOACTIVOS.

2.1.- Conceptos generales.

El alumno deberá familiarizarse especialmente con los procesos implicados en la desintegración radiactiva (principalmente, la emisión de partículas alfa, partículas beta y emisión gamma, con sus características en cuanto a energía y capacidad de penetración), las leyes que rigen la perdida de actividad y el efecto que la radiación causa en su interacción con la materia (ionización y/o excitación). El contenido del capítulo 1 del texto de García Segura y colaboradores (Ed. Síntesis, 1996) es suficiente para este fin.

2.2.- Visita guiada a la instalación radiactiva.

2.2.1.- Introducción

Una instalación radiactiva de investigación es un espacio físico habilitado para el trabajo seguro con isótopos radiactivos. La seguridad de la instalación radiactiva está garantizada por el control de un supervisor habilitado a los efectos por el Consejo de Seguridad Nuclear. Esta misma institución se encarga de inspeccionar, al menos anualmente, el funcionamiento y la seguridad de la instalación radiactiva.

En la UMH disponemos de dos instalaciones radiactivas, la IRA-1392 en el Campus de Sant Joan y la IRA-2882 en el de Elche. La visita se realizará a la instalación del Campus de Elche, siendo el punto de encuentro para su realización la entrada del edificio Torrepinet en la fecha y hora acordada para la misma.

2.2.2.- Conceptos básicos.

Para el mejor aprovechamiento de la visita el alumno estará familiarizado con los tipos de desintegración radiactiva, el concepto y unidades de medida del decaimiento de los isótopos radiactivos, así como con el funcionamiento básico de los instrumentos de medida usuales para la detección de radiación ionizante.

Se recomienda la utilización durante la visita de un cuaderno de notas.

2.2.3.- Normas a observar durante la visita.

A pesar de que la manipulación de las fuentes radiactivas, utilizadas en cantidades exiguas durante la visita, quedará a cargo del supervisor de la instalación, será conveniente que el alumno observe las siguientes normas de comportamiento: es conveniente el uso de bata de laboratorio, está prohibido comer, beber, aplicarse maquillaje o fumar durante la visita, así como realizar cualquier actividad o acción que pueda resultar en una disminución del nivel de seguridad en la instalación.

2.2.4.- Objetivos de la visita.

1. El alumno comprenderá las características estructurales de una instalación radiactiva respecto a la seguridad.
2. El alumno comprenderá el uso de la dosimetría personal como elemento básico en la protección radiológica.
3. El alumno comprobará los principios de radioprotección (tiempo, distancia y blindaje) con el manejo de un detector de radiación Geiger-Müller.
4. El alumno experimentará la diferente penetración en la materia de las partículas alfa y beta y deducirá la ecuación por la que se rige el cálculo de un blindaje.
5. El alumno distinguirá los diferentes instrumentos de medida (contadores de partículas) para la radiación beta y gamma en un experimento científico.
6. El alumno comprenderá la problemática de las medidas de la radiación ionizante en un experimento científico por medio de un ensayo de “quenching”.

2.3.- Ejemplos de problemas numéricos relacionados con los isotopos radioactivos.

2.3.1. Determinación de la actividad.

Se dispone de dos muestras radioactivas. Una de ellas esta marcada con un isótopo que se descompone exclusivamente mediante emisión de partículas alfa de alta energía, con valores que oscilan en un margen muy estrecho en torno a los 4 MeV. El otro isótopo es exclusivamente un emisor beta con valores moderados de energía en torno a un amplio rango de variación entre 1 y 20 KeV. ¿Sería adecuado determinar la radioactividad de ambas muestras en un contador de centelleo líquido? ¿Y en uno de centelleo sólido? Razónese la respuesta.

2.3.2. Preparación de disoluciones con isótopos radioactivos.

Partiendo de glucosa no marcada (sólida) y de una disolución stock de glucosa marcada con C¹⁴, a una concentración de 10^-2 M y una actividad especifica de 0,02 microCi/ml. Describa como preparar 50 ml de una disolución de glucosa que tenga una concentración de 10^-3 M y una actividad de 3000 cpm/micromol. Un microCi equivale a 2,22 x 10⁶ cpm.

2.3.3. Presencia de los isótopos radioactivos en la naturaleza.

Muchos isótopos radioactivos se producen de manera continua y “natural” en la naturaleza, dando cuenta de un porcentaje determinado (abundancia natural) en el conjunto de isótopos estables o inestables de un elemento dado. Por ejemplo, el carbono 14 se produce continuamente en las capas altas de la atmosfera como consecuencia del bombardeo de nitrógeno 14 con neutrones presentes en la radiación cósmica.

La reacción es: ₇N¹⁴ + ₀n¹ → ₆C¹⁴ + ₁H¹.

Como consecuencia, los compuestos de carbono que están siendo sintetizados por los seres vivos contienen 13 dpm/g de carbono. Cuando un ser vivo muere, deja de incorporar dicho carbono radioactivo y el que posee, comienza a decaer con una vida media de 5.700 años. Dicho decaimiento de la radioactividad del carbono 14 se utiliza frecuentemente para dataciones de restos con antigüedades comprendidas entre 5.000 y 20.000 años aproximadamente (es decir, entre una y cuatro o cinco vidas medias), como se ilustra en el siguiente ejercicio:

Calcular la edad aproximada de un material biológico fósil que presenta una actividad de carbono 14 igual a 3 dpm/g de carbono.

Otro ejemplo notorio de la presencia de un isótopo radioactivo en la naturaleza es el potasio 40, que tiene una abundancia natural relativamente alta y ello da lugar a que la mayoría del vidrio que se elabora con silicatos de varios elementos, incluido el potasio, sean lo suficientemente radioactivos como para que los viales de vidrio empleados para determinaciones de radioactividad tengan que ser de vidrio “bajo en potasio”, a fin de evitar niveles basales de radiactividad demasiado elevados. También da lugar a que todos los seres vivos tengamos unos niveles de radioactividad por potasio 40 nada despreciable, como se ilustra en el siguiente problema:

El potasio 40 (t_1/2 = 1,3 x 10⁹ años) supone el 0,012 % del potasio presente en la naturaleza. El cuerpo humano contiene aproximadamente el 0,35% en peso de potasio. Calcular la radioactividad total debida al potasio 40 en un individuo de 75 Kg de peso.

2.3.4. Dilución isotópica.

Se inyecta de manera intravenosa en un gran animal de experimentación 10 ml de una suspensión de eritrocitos marcados con Cr⁵¹, con una radioactividad total de 3 x 10⁸ cpm. Pasados 10 minutos del momento de la inyección, se toma una muestra de sangre y se determina la actividad de la misma que resulta ser de 5 x 10⁴ cpm/ml. ¿Cuál es el volumen de sangre del animal? ¿Qué precauciones habría que tomar si el isótopo radioactivo en cuestión tuviese una vida media muy corta?.

2.3.5. Uso de isótopos en el marcaje de otras moléculas.

Se dispone de 1,7 mg de una enzima purificada (masa molecular 55.000) que se incuba con un exceso de iodoacetamida-C¹⁴, un reactivo especifico de grupos sulfhidrilos, con una actividad específica de 2 microCi/milimol. La proteína carboximetilada resultante se precipita, se lava el exceso de iodoacetamida libre, se disuelve en una pequeña cantidad de buffer y se mide toda su actividad en un contador de centelleo líquido con un 80% de eficacia. Tras una hora de contaje, se obtienen 13.190 cuentas por encima del ruido de fondo. Determinar el numero de grupos sulfhidrilo libres por molécula de enzima. Un microCi equivale a 2,22 x 10⁶ cpm. ¿Cabría esperar el mismo resultado si previamente a la reacción con iodoacetamida, la proteína hubiera sido reducida con reactivos tales como ditiotreitol o mercaptoetanol?.

2.4.- Articulo/comentario sobre el accidente de la central de Fukusima.

Fallout at Fukushima
What risks does Japan face as a result of radiation leakage from the nuclear power plant hit by the recent earthquake and tsunami? [Original site]

Technicians in Japan struggle to contain breeches in cooling and containment apparatuses at the Fukushima Daiichi nuclear reactor in eastern Japan, which was hit by the massive earthquake and subsequent tsunami on March 11th. Though considerable uncertainty remains concerning the exact amount of radioactive material that has leaked from the facility thus far, low level radiation has turned up in crops grown in the vicinity of the plant, and the danger of a widespread catastrophe lingers. This week, The Scientist examines the latest research on the effects of radiation and explores some of the worst-case-scenario health and environmental effects of a nuclear disaster in Japan.

The acute effects of radiation

Late last week, a skeleton crew of about 50 workers at the Fukushima Daiichi plant was urgently attempting to cool the reactor core, as specially-fitted helicopters tried (and failed) to drop tons of seawater on the failing facility. Early this week, reports from Japan indicated that the last workers trying to save the facility from catastrophe evacuated as smoke billowed from two of the reactor units. Radiation levels currently being reported by Japanese officials are still quite low, and the early public evacuation reduced the concern for community health risks, said William Schull, emeritus professor at the University of Texas Health Science Center in Houston and an expert on the health effects of the atomic bombs dropped on Hiroshima and Nagasaki in the 1940s. But the workers at the nuclear plants still risked acute radiation exposure and serious health problems as a result, he added.

Upon direct exposure to ionizing radiation, anemia -- the loss of red blood cells -- and leucopenia -- the loss of white blood cells such as those important in fighting off infection -- can result, increasing susceptibility to disease. In addition, someone directly exposed to radiation may display other symptoms of acute radiation syndrome (ARS), such as vomiting, diarrhea, excessive bleeding brought on from the death of hematopoietic stem cells in bone marrow, and hair loss. Such symptoms, however, are caused by exposure of 1-10 grays (Gy), a unit of absorbed radiation dose. The doses of radiation leaking from the Japanese reactor are far below this: On Saturday, Japanese news outlet NHK News reported that the plant's operator, Tokyo Electric Power Company, detected radioisotope iodine 131 at about 5.9 milibecquerels per cubic centimeter, or about 0.0003 Gy/hour. (Click here for an infographic comparing the radiation dose absorbed by humans engaged in various activities.)

But "things could quickly worsen," Schull said. If radiation continues to seep from the reactor, officials could use a recently devised classification system to assess the health of those exposed. The Radiation Injury Severity Classification (RISC) system estimates three sets of clinical and haematological parameters to calculate "a combined score [that] gives you a pretty accurate estimate of what's going to happen to this person," said University of Pittsburgh biostatistician Richard Day, who collaborated in the creation of RISC. Applying the system to 59 workers in a Russian nuclear fuel production facility, Day, Niel Wald of the University of Pittsburgh, and coauthors estimated threshold values for some ARS symptoms, including vomiting (∼1.5 Gy), severely low white blood cell count (∼3.5 Gy), and mortality (∼6-7 Gy).

"In the roughly 115 years since Roentgen discovered X-rays we have learned a lot about the values and hazards of exposure to ionizing radiation," Schull said. "But we still have a hell of a lot to learn."

-- Bob Grant

Radiation and the immune system

Although most cells in the body can withstand considerable doses of radiation before dying, immune cells begin to react at even small doses of radiation. While recent reports suggest that the workers at the Fukushima Daiichi plant have so far only been exposed to relatively low levels of radiation, their exposure could trigger immunological reactions -- though depending on the dose, not all of them may be harmful.

According to several reports, workers at the Fukushima plant have been exposed to radiation levels ranging from 200-400 millisieverts (mSv, a measure of radiation absorbed by a person) per hour -- levels that the human body can withstand with minimal damage, said Richard Wakeford, visiting epidemiology professor at the Dalton Nuclear Institute of the University of Manchester. Once doses reach levels of 500 mSv or more, however, the number of lymphocytes, white blood cells involved in immune response, is cut by half within a few days, and there is considerable damage to stem cells in the bone marrow, said Yoichiro Kusunoki, chief of the department of radiobiology and molecular epidemiology at the Radiation Effects Research Foundation in Hiroshima, Japan, in an email.

At high doses, these effects can be long lasting. According to studies of atomic bomb survivors, T-cells never fully recover, neither in number nor effectiveness, although stem cells and other immune cells bounce back to normal levels in about two months. The body compensates for these shortfalls by increasing levels of inflammatory cytokines -- a pattern that resembles the immune systems of the elderly, suggesting that the immune system may age more rapidly after radiation exposure.

But the production of inflammatory cytokines can be seen even at "a relatively low dose (several mSv) that does not trigger apoptosis of any types of cells," added Kusunoki. This short term inflammation could initially be protective by helping clear cells damaged by the radiation. However, researchers studying radiation exposure during cancer radiation therapy suggest that low doses of radiation that trigger inflammation could also initiate the kind of chronic inflammation that leads to cancer.

2.5. Evaluación.

Se pedirá a cada alumno que genere un documento de texto con el programa informático Word for Windows 2003/2007/2010 del paquete Office de Microsoft en el que se muestren los resultados, y el desarrollo seguido hasta obtenerlos, de los problemas de los epígrafes 2.3.1., 2.3.2., 2.3.3., 2.3.4. y 2.3.5.

2.6. Entrega del trabajo.

Cada alumno debe entregar un fichero doc (NO SE ADMITIRÁ OTRO FORMATO) con el material arriba pedido. Este fichero ha de nombrarse de forma que use nombre y primer apellido del alumno, seguido de "_2". Como ejemplo: si soy el alumno José Alberto Pérez Eslava, generaré el fichero: JoseAlbertoPerez_2.doc.

Estos ficheros se entregarán (COMO UN ÚNICO ENVIO) a través del sistema de TAREAS al que el alumno tiene acceso personalizado en la página web de la asignatura.
NO SE ACEPTARÁN ENVIOS POR EMAIL.