Radiaciones: de Roentgen a Lawrence

Basic science, applied science and technologies are not just connected by a linear relationship; rather, the history of radioactivity shows us that they are richly and intricately interwoven. Applications to medicine are emphasized in this paper.

La historia de la ciencia nos muestra que las relaciones entre ciencia básica, ciencia aplicada y tecnología son de hecho relaciones tortuosas, de caminos que se bifurcan y se reencuentran, y el caso de las radiaciones es un buen ejemplo. A finales del siglo XIX la naturaleza de la electricidad era una cuestión importante que motivó una serie de estudios basados en las descargas eléctricas producidas en un tubo con gas a baja presión.

Una representación esquemática del dispositivo experimental de Roentgen

En noviembre de 1895 W. C. Roentgen estudiaba en Würzburg la radiación emitida por el cátodo y observó que a cada descarga en el tubo se iluminaba una pantalla fluorescente situada en una mesa vecina. Después de unas cuantas semanas de observaciones y experimentos concluyó que el fenómeno era producido por una radiación desconocida –los rayos X– diferente a la luz y a los rayos catódicos. Los rayos X pueden ennegrecer una placa fotográfica y los cuerpos son más o menos transparentes. La mano de Frau Roentgen, situada entre el tubo y una placa, permitió «ver» por primera vez el interior del cuerpo humano; esta primera radiografía mostraba también que los rayos X son más o menos absorbidos por los diferentes tejidos, en función de su densidad. A finales de diciembre, Roentgen hizo públicas sus observaciones. La noticia se extendió rápidamente y los rayos X captaron la atención general: los físicos se interesaban por un fenómeno del que se desconocía prácticamente todo, los médicos vieron inmediatamente las posibilidades prácticas de los rayos X. A lo largo del año 1896 se publicaron más de mil artículos científicos y unos cincuenta libros sobre los rayos X y sus aplicaciones. La prensa hizo de caja de resonancia y, a partir de enero de 1896, en muchas capitales europeas se organizaron demostraciones públicas; en las ferias populares los rayos X compartían popularidad con el reciente invento de los hermanos Lumière.

La naturaleza de los rayos catódicos fue elucidada en 1897 por J. J. Thomson, en Cambridge. Los experimentos en presencia de campos eléctricos y magnéticos lo llevaron a la conclusión de que los rayos catódicos están constituidos de corpúsculos, que denominó electrones, cuya velocidad y carga específica midió. La naturaleza de los rayos X tardó un poco más en ser aclarada. Una serie de experimentos realizados entre 1905 y 1914 por varios científicos, y sobre todo el análisis hecho por M. von Laue, mostraron que los rayos X son ondas electromagnéticas, de la misma naturaleza que la luz visible, pero con una longitud de onda más corta. Los electrones producidos en el cátodo son frenados por el mismo cátodo o por el vidrio del tubo y, tal como dice la teoría electromagnética, al ser frenados emiten la radiación electromagnética que constituye los rayos X. El experimento concluyente fue la producción de imágenes de difracción por una red cristalina, con lo que apareció un nuevo instrumento de investigación, de gran importancia en muchas disciplinas. Como ejemplo, recordemos que justamente con experimentos de difracción de rayos X se pudo determinar, en los años 1950, la estructura en doble hélice del DNA.

«A finales del siglo XIX aún se ignoraban los efectos de los rayos X, de manera que tanto los experimentos científicos como la toma de clichés se hacían sin tomar las precauciones que son actualmente de rigor»

Los rayos X son el primer ejemplo, y quizá el único, de un descubrimiento científico que ha llevado a aplicaciones prácticas inmediatas. Roentgen recibió en 1901 el primer premio Nobel de Física con esta justificación: «El descubrimiento de Roentgen ha aportado ya tantos beneficios a la humanidad que recompensarlo con el premio Nobel responde en un grado extremo a las intenciones del testamentario.» Ya desde enero de 1896, en los hospitales más importantes se utilizaban rayos X en traumatología, para localizar objetos extraños en el cuerpo humano, pero también como herramienta de diagnosis de la tuberculosis. Aún se ignoraban los efectos de los rayos X, de manera que tanto los experimentos científicos como la toma de clichés se hacían sin tomar las precauciones que son actualmente de rigor (las primeras normas de radioprotección fueron elaboradas en 1928) y experimentadores, manipuladores o pacientes veían aparecer rojeces en las zonas irradiadas de la piel. Los médicos pensaron en seguida en explorar las posibilidades terapéuticas. Al anuncio hecho en 1897 por L. Freund, en Viena, sobre la curación de un nevus, siguieron otros, en Francia y en Suecia, sobre el uso de los rayos X en varios casos de cáncer. El fundamento biológico en favor de la utilización de los rayos X en el tratamiento del cáncer fue establecido gracias a los estudios realizados, entre 1904 y 1906, por J.-A. Bergonié y L. Tribondeau, quienes mostraron que las células cancerosas son más sensibles a los rayos X que las células sanas.

El estudio de los rayos X tuvo consecuencias inesperadas en la ciencia básica. En enero de 1896, H. Poincaré presentó el trabajo de Roentgen en la Académie des Sciences de París y conjeturó que esta emisión podría estar ligada a la fluorescencia del vidrio que formaba el tubo. En la sesión se encontraba presente justamente un especialista de la fluorescencia, H. Becquerel, quien decidió verificar la hipótesis. La idea era colocar minerales fluorescentes sobre una placa fotográfica recubierta de un papel negro y exponer el conjunto al Sol para estimular la fluorescencia del mineral. La posible emisión de rayos X se detectaría por el ennegrecimiento de la placa. El resultado fue negativo, excepto con las muestras que contenían uranio. Además, durante unos días de lluvia, Becquerel decidió revelar una placa que había estado en contacto con el mineral pero que no había estado expuesta al Sol. Encontró que estaba más negra que las precedentes, de manera que el Sol no representaba ningún papel en este ennegrecimiento, y tampoco debía tener nada que ver con la fluorescencia. A menudo se habla de un efecto del azar: Becquerel estaba aburrido durante unos días sin observaciones y decidió pasar el tiempo revelando unas placas. Es posible que así fuera, pero no se deben subestimar las capacidades de Becquerel como experimentador. En todo experimento se debe verificar el efecto de las diferentes variables que entran en juego, y el Sol era una variable importante en los experimentos sobre la fluorescencia. Podemos imaginar que los días con lluvia avanzaron una medida de control, lo que ahora llamaríamos la medida del ruido de fondo, que seguramente estaba previsto efectuar al acabar los experimentos con Sol.

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Ernest Lawrence, en 1928, con su prototipo de ciclotrón en la mano.

Los rayos de Becquerel no captaron demasiado la atención de otros científicos, porque parecían estar relacionados con una sustancia particular, contrariamente a los rayos X, que eran un fenómeno más general. Pero Marie Curie decidió que los rayos uránicos serían un buen tema de tesis doctoral. La primera cuestión que se planteó era si eran una propiedad exclusiva del uranio o si podían ser emitidos también por otras sustancias. Pero para hacer experimentos precisos hay que determinar de forma cuantitativa la intensidad de la radiación, y el ennegrecimiento de una placa no es el mejor método. Los hermanos Pierre y Jacques Curie habían trabajado sobre la piezoelectricidad, una propiedad que en la actualidad utilizamos cada vez que apretamos un encendedor de gas en la cocina: la compresión de un cristal de cuarzo genera en sus extremos cargas eléctricas de signo opuesto y la chispa producida enciende el gas del fogón. Para construir un aparato capaz de medir cuantitativamente la intensidad de los rayos uránicos, los Curie se basaron en la capacidad de éstos de ionizar el medio que atraviesan. Si la muestra activa se coloca en una de las placas de un condensador, la ionización generada crea una carga en la otra placa, que se puede transformar en una corriente eléctrica en un circuito. Esta corriente se puede compensar con la corriente de un cuarzo piezoeléctrico, sometido a presión con ayuda de un peso. El mérito del aparato es que la actividad de una cantidad dada de sustancia emisora de radiaciones se mide, en última instancia, con una balanza de precisión.

Armada de este dispositivo, y de una paciencia y tenacidad que han pasado a ser legendarias, Marie Curie empezó, en diciembre de 1897, por pasar revista a un gran número de sustancias diversas para ver si eran «activas» o no. Encontró que todos los compuestos con uranio o torio son activos, independientemente de su estado físico o químico. La actividad es, por lo tanto, una propiedad relacionada únicamente con los átomos de uranio y de torio, conclusión entonces muy sorprendente. En un momento en que la realidad de los átomos no era aún aceptada por todos los científicos, Marie Curie aportaba la evidencia de que no eran ni indivisibles ni inmutables. También encontró que dos minerales de uranio, la pechblenda y la calcolita, son mucho más activos que el mismo uranio. Eso le hizo pensar que podrían contener un elemento mucho más activo que el uranio, y se propuso separarlo. En colaboración con Pierre Curie inició un largo trabajo: utilizaban los métodos clásicos de análisis químico para separar la pechblenda en diferentes fracciones, de las que medían la actividad, seleccionaban aquéllas más radiactivas, y volvían a empezar. En julio de 1898, anunciaron la presencia de un metal desconocido, que propusieron llamar polonio, con propiedades químicas de la familia del bismuto. Unos meses después descubrieron una segunda sustancia mucho más activa, que llamaron radio, de la familia del bario. Marie Curie propuso el nombre de radiactividad a la capacidad de emitir radiaciones que tienen las sustancias con uranio, torio, polonio o radio, colectivamente calificadas de sustancias radiactivas. A partir de 1900, Marie Curie se dedicó a la separación del radio por métodos químicos. Debió adaptar los métodos de laboratorio a escala industrial, con su colaborador A. Debierne. En 1903, después de tratar toneladas y toneladas de pechblenda llegaron a obtener 1 decigramo de cloruro de radio puro.

«Los rayos X son el primer ejemplo, y quizá el único, de un descubrimiento científico que ha llevado a aplicaciones prácticas inmediatas»

Con los primeros trabajos de los Curie, un número creciente de científicos, en Europa y en América del Norte, se interesaron por la radiactividad. A partir de 1898, E. Rutherford representó un papel considerable. Analizando la absorción de la radiactividad por hojas de varios materiales dedujo la existencia de dos tipos de radiaciones, que designó con las letras griegas a y b. Los rayos a son muy fácilmente absorbidos y producen una fuerte ionización, mientras que los b son mucho más penetrantes y menos ionizantes. En un campo magnético los rayos b se comportan como los rayos catódicos: ambos son electrones, pero los de los rayos b tienen una energía mayor. Rutherford y Soddy mostraron que los rayos a son átomos de helio completamente ionizados. En abril de 1900, P. Villard, en París, encontró una tercera radiación, mucho más penetrante y no desviable en un campo magnético, que recibió el nombre de rayos g. Son ondas electromagnéticas más energéticas que los rayos X o que la luz visible. La radiactividad se presenta en forma de estos tres rayos, no emitidos los tres simultáneamente por la misma sustancia. El inicio de la física nuclear vino motivado por el uso de los rayos a como proyectiles sobre los átomos.

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La publicidad de un balneario a principios del siglo XX destaca la temperatura y la fuerte radiactividad de sus aguas. La mayoría de las aguas termales continúan siendo tan radiactivas ahora como antes, pero esta propiedad tan natural se omite en la publicidad.

En 1900, los alemanes O. Walkhoff y F. Giesel observaron que el radio actúa sobre la piel de manera análoga a como lo hacen los rayos X. Muchos de los científicos que trabajaban sobre la radiactividad habían observado enrojecimientos y quemaduras en las partes de la propia piel que habían estado en contacto con los tubos que contenían sustancias radiactivas. Pierre Curie decidió hacer un experimento en sí mismo. Durante diez horas llevó en su brazo una sal de radio de actividad relativamente débil. Al quitarla observó una fuerte rojez en la piel, que evolucionó en una llaga. Becquerel hizo también de cobaya, pero involuntario. Debía pronunciar una conferencia sobre la radiactividad y para mostrar a su auditorio la luz azulada emanada por el radio llevó, en un bolsillo del chaleco, un tubito con cloruro de radio. Unos días más tarde, la piel del lado del bolsillo mostraba una mancha roja con la forma del tubito. Conjuntamente, Curie y Becquerel publicaron un artículo con la descripción y evolución de las llagas sufridas. En 1904 Pierre Curie y sus colaboradores empezaron una investigación sistemática de los efectos de las radiaciones.

«El radio tuvo un éxito popular. El equipo de Pierre Curie observó que la mayoría de las aguas termales contienen radio. De eso a deducir que la acción benéfica, supuesta o no, de las aguas estaba ligada al radio no había más que un paso, que algunos no dudaron en dar sin más pruebas»

Los médicos del equipo estudiaron en particular los efectos fisiológicos del radio. En aquellos años se sabía muy poco sobre el mecanismo de formación de un cáncer y los tratamientos en uso tenían éxito en un 5% de los casos. La aplicación de radio en los cánceres de la piel y del cuello del útero dio un 50% de curaciones: la curieterapia había nacido. En seguida empezó la producción industrial de radio, destinado a aplicaciones médicas.

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También la publicidad de cremas de belleza señalaba los efectos benéficos de la radiactividad. Un poco de radio ayuda a limpiar las cacerolas y a eliminar los malos olores.

Pero el radio tuvo también un éxito popular. El equipo de Pierre Curie observó que la mayoría de las aguas termales contienen radio. De eso a deducir que la acción benéfica, supuesta o real, de las aguas estaba ligada al radio no había más que un paso que muchos productores de aguas no dudaron en dar sin más pruebas. El radio era un producto «natural» (adjetivo que, entonces como ahora, parecía aumentar las ventas), con efectos benéficos que se incluía en pomadas, cremas, caramelos… o en pañales para mantener caliente el culito de los bebés. La publicidad de una crema de belleza prometía a las mujeres «una piel en estado de juventud constante» gracias al radio. Visto lo que sabemos en la actualidad, todo aquello fue una auténtica locura.

A partir de 1928, dos nombres empezaron a adquirir una importancia creciente entre los investigadores sobre la radiactividad: el matrimonio formado por Irène Curie y Frédéric Joliot. Entre 1933 y 1934 se interesaron por una cuestión aparentemente secundaria: el polonio emite rayos a, pero ¿emite también rayos β? Para frenar los rayos a se colocó una lámina gruesa de aluminio entre la fuente intensa de polonio y el detector. Éste era una cámara de Wilson (o cámara de niebla) con un potente electroimán, para curvar y visualizar la trayectoria de los posibles electrones. El resultado fue inesperado: no solamente había electrones (los rayos b), sino también protones y positrones. La presencia de protones se podía explicar por una reacción ya conocida: la transmutación del aluminio en silicio (27Al + α → 30Si + p). La verdadera sorpresa era la presencia de los positrones, las antipartículas de los electrones. Los Joliot-Curie necesitaron unos meses de varios tests para explicarla. La absorción de las a por el aluminio puede transmutarlo también en fósforo más un neutrón (30P + n). Este isótopo del fósforo era desconocido hasta entonces por la simple razón de que es radiactivo, con un período de tres minutos y quince segundos, y se desintegra en 30Si emitiendo un positrón, que es lo que detectaron. Los Joliot-Curie habían mostrado que se pueden producir átomos radiactivos inexistentes en la naturaleza, porque tienen períodos muy cortos a escala geológica. Había nacido la radiactividad artificial, y una química «rápida» fue necesaria para aislar los isótopos radiactivos de períodos muy cortos.

En 1911, G. Hevesy se encontraba en Manchester, haciendo una estancia posdoctoral en el laboratorio de Rutherford. Éste le encargó que separase el radio D del radio G, ambos productos de la desintegración del radio. Entonces nadie lo sabía, pero se trata de dos isótopos del plomo: el radio D es el isótopo radiactivo 210Pb mientras que el radio G es el isótopo estable 206Pb. Naturalmente, Hevesy no lo consiguió porque la separación es imposible con medios químicos. Pero pensó que tampoco las plantas podrían separarlos si las regaba con una solución de estas sales radiactivas. Podría, pues, conocer dónde y cómo eran absorbidas midiendo la radiactividad a lo largo de la planta. Este fue el primer trazador radiactivo, pero de un uso bastante limitado a causa de la toxicidad del plomo.

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Lawrence y Livingston, ante el ciclotrón de 27 pulgadas construido en Berkeley en 1930. Fue el primer acelerador utilizado para producir isótopos radiactivos de interés en medicina.

La posibilidad de fabricar isótopos radiactivos específicos de interés en biología y medicina empezó a realizarse gracias a la construcción de aceleradores de partículas cargadas, sobre todo en los Estados Unidos e Inglaterra. En Berkeley, Ernest Lawrence inventó el ciclotrón, verdadero progreso técnico respecto de los otros aceleradores coetáneos. En un ciclotrón se aceleran partículas cargadas bajo la acción conjunta de un campo magnético intenso y un campo eléctrico variable de alta frecuencia. El primer ciclotrón fue construido en 1929, y parecía más bien un juguete: una caja circular que cabía en la mano de Lawrence. El prototipo sirvió para verificar los principios de aceleración y construir uno de 60 cm de diámetro en 1932, seguido de otros ciclotrones más grandes, lo que significa aceleraciones a mayores energías. Los ciclotrones fueron utilizados inicialmente para hacer estudios básicos de física nuclear, pero en seguida se dedicaron también a aplicaciones médicas, para producir nuevos isótopos de interés biológico y haces de partículas susceptibles de tratar casos de cáncer.

La historia de los primeros treinta o cuarenta años de las radiaciones muestra que las relaciones entre ciencia básica, ciencia aplicada y tecnología no siguen una relación lineal, en este orden ingenuamente lógico. Aquí hemos destacado sobre todo las aplicaciones de las radiaciones en la medicina. También hay otras, socialmente más controvertidas, pero eso sería tema para otro monográfico. Todas esas relaciones entre teorías, experimentos, ciencia básica, ciencia aplicada, tecnologías y aplicaciones prácticas puede ser uno de los aspectos más atractivos y gratificantes del quehacer científico.

© Mètode 2011 - 57. Radiaciones - Contenido disponible solo en versión digital. Primavera 2008

Professor d’Investigació de l’Institut de Física Corpuscular (CSIC-Universitat de València).