Debido a que las reacciones nucleares generalmente no afectan los electrones de valencia del átomo (aunque la captura de electrones extrae un electrón de un orbital del nivel de energía más bajo), no causan cambios químicos directamente. No obstante, las partículas y los fotones emitidos durante la desintegración nuclear son muy enérgicos, y pueden producir indirectamente cambios químicos en la materia que rodea el núcleo que se ha desintegrado. Por ejemplo, una partícula α es un núcleo de helio ionizado (He 2 + ) que puede actuar como un poderoso oxidante. En esta sección, describimos cómo interactúa la radiación con la materia y algunos de los efectos químicos y biológicos de la radiación.
Radiación ionizante versus no ionizante
Los efectos de la radiación sobre la materia están determinados principalmente por la energía de la radiación, que depende de la reacción de desintegración nuclear que la produjo. La radiación no ionizante es relativamente baja en energía; Cuando colisiona con un átomo en una molécula o un ion, la mayor parte o la totalidad de su energía puede ser absorbida sin causar un cambio estructural o químico. En cambio, la energía cinética de la radiación se transfiere al átomo o molécula con la que colisiona, haciendo que gire, vibre o se mueva más rápidamente. Debido a que esta energía puede transferirse a las moléculas o iones adyacentes en forma de calor, muchas sustancias radiactivas son cálidas al tacto. Elementos altamente radiactivos como el polonio, por ejemplo, se han utilizado como fuentes de calor en el programa espacial de los Estados Unidos. Mientras la intensidad de la radiación no ionizante no sea lo suficientemente grande como para causar sobrecalentamiento, es relativamente inofensiva y sus efectos pueden neutralizarse mediante enfriamiento.
En contraste, la radiación ionizante es más alta en energía, y parte de su energía puede transferirse a uno o más átomos con los que choca a medida que pasa a través de la materia. Si se transfiere suficiente energía, los electrones pueden excitarse a niveles de energía muy altos, lo que resulta en la formación de iones cargados positivamente:
[ mathrm {átomo + ionización : radiación ión de flecha derecha ^ + + , {e ^ -} label {Eq1}} ]
Las moléculas que se han ionizado de esta manera a menudo son altamente reactivas, y pueden descomponerse o sufrir otros cambios químicos que crean una cascada de moléculas reactivas que pueden dañar los tejidos biológicos y otros materiales ( Figura ( PageIndex { 1} ) ). Debido a que la energía de la radiación ionizante es muy alta, a menudo informamos su energía en unidades como megaelectronvoltios (MeV) por partícula:
[ text {1 MeV / partícula} = text {96 mil millones J / mol}. ]
Los efectos de la radiación ionizante en la materia
Los efectos de la radiación ionizante dependen de cuatro factores:
- El tipo de radiación, que dicta qué tan lejos puede penetrar en la materia
- La energía de las partículas individuales o fotones
- El número de partículas o fotones que golpean un área dada por unidad de tiempo
- La naturaleza química de la sustancia expuesta a la radiación
Las capacidades relativas de las diversas formas de radiación ionizante para penetrar en los tejidos biológicos se ilustran en Figura ( PageIndex {2} ) . Debido a su alta carga y masa, la radiación α interactúa fuertemente con la materia. En consecuencia, no penetra profundamente en un objeto, y puede ser detenido por un pedazo de papel, ropa o piel. En contraste, los rayos γ, sin carga y esencialmente sin masa, no interactúan fuertemente con la materia y penetran profundamente en la mayoría de los objetos, incluido el cuerpo humano. Se necesitan varias pulgadas de plomo o más de 12 pulgadas de concreto especial para detener completamente los rayos γ. Debido a que las partículas β son intermedias en masa y carga entre partículas α y rayos γ, su interacción con la materia también es intermedia. Las partículas beta penetran fácilmente en el papel o la piel, pero pueden ser detenidas por un trozo de madera o una lámina de metal relativamente delgada.
Debido a su gran capacidad de penetración, los rayos γ son, con mucho, el tipo de radiación más peligroso cuando provienen de una fuente fuera del cuerpo. Sin embargo, las partículas alfa son las más dañinas si su fuente está dentro del cuerpo porque los tejidos internos absorben toda su energía. Por lo tanto, el peligro de la radiación depende en gran medida del tipo de radiación emitida y el grado de exposición, lo que permite a los científicos manejar con seguridad muchos materiales radiactivos si toman precauciones para evitar, por ejemplo, inhalar polvo de partículas finas que contiene emisores alfa. Algunas propiedades de la radiación ionizante se resumen en Tabla ( PageIndex {1} ) .
| Tipo | Rango de energía (MeV) | Distancia de penetración en el agua * | Distancia de penetración en el aire * |
|---|---|---|---|
| * Distancia a la que se ha absorbido la mitad de la radiación. | |||
| partículas α | 3–9 | <0,05 mm | <10 cm |
| partículas β | ≤ 3 | <4 mm | 1 m |
| radiografías | <10 −2 | <1 cm | <3 m |
| rayos γ | 10 −2 –10 1 | <20 cm | > 3 m |
Hay muchas formas diferentes de medir la exposición a la radiación, o la dosis. El roentgen (R) , que mide la cantidad de energía absorbida por el aire seco, puede usarse para describir la exposición cuantitativa. Lleva el nombre del físico alemán Wilhelm Röntgen (1845–1923; Premio Nobel de Física, 1901) , quien descubrió las radiografías. El roentgen se define realmente como la cantidad de radiación necesaria para producir una carga eléctrica de 2.58 × 10 −4 C en 1 kg de aire seco. Sin embargo, el daño a los tejidos biológicos es proporcional a la cantidad de energía absorbida por los tejidos, no por el aire. La unidad más común utilizada para medir los efectos de la radiación en el tejido biológico es el rad (dosis absorbida por radiación) ; el equivalente SI es el gris (Gy). El rad se define como la cantidad de radiación que hace que 0.01 J de energía sean absorbidos por 1 kg de materia, y el gris se define como la cantidad de radiación que hace que 1 J de energía sea absorbida por kilogramo:
[ mathrm {1 : rad = 0.010 : J / kg hspace {25 pt} 1 : Gy = 1 : J / kg label {Eq2}} ]
Por lo tanto, un ser humano de 70 kg que recibe una dosis de 1.0 rad en todo su cuerpo absorbe 0.010 J / 70 kg = 1.4 × 10 −4 J, o 0.14 mJ. Para poner esto en perspectiva, 0.14 mJ es la cantidad de energía transferida a su piel por una gota de agua hirviendo de 3.8 × 10 −5 g. Debido a que la energía de la gotita de agua se transfiere a un área relativamente grande de tejido, es inofensiva. Sin embargo, una partícula radiactiva transfiere su energía a una sola molécula, lo que la convierte en el equivalente atómico de una bala disparada desde un rifle de alta potencia.
Debido a que las partículas α tienen una masa y carga mucho más altas que las partículas β o los rayos γ, la diferencia de masa entre las partículas α y β es análoga a ser golpeada por una bola de boliche en lugar de una pelota de tenis de mesa que viaja a la misma velocidad. Por lo tanto, la cantidad de daño tisular causado por 1 rad de partículas α es mucho mayor que el daño causado por 1 rad de partículas β o rayos γ. Así, se diseñó una unidad llamada rem (equivalente de roentgen en el hombre) para describir la cantidad real de daño tisular causado por una cantidad dada de radiación. El número de rems de radiación es igual al número de rads multiplicado por el factor RBE (efectividad biológica relativa), que es 1 para partículas β, rayos γ y rayos X y aproximadamente 20 para partículas α. Debido a que las dosis de radiación reales tienden a ser muy pequeñas, la mayoría de las mediciones se informan en milirems (1 mrem = 10 −3 rem).
Fuentes naturales de radiación
Estamos continuamente expuestos a la radiación de fondo medible de una variedad de fuentes naturales, que, en promedio, es igual a aproximadamente 150–600 mrem / año ( Figura ( PageIndex {3} ) ) Un componente de la radiación de fondo son los rayos cósmicos , partículas de alta energía y rayos ( gamma ) emitidos por el sol y otras estrellas, que bombardean la Tierra continuamente. Debido a que los rayos cósmicos son parcialmente absorbidos por la atmósfera antes de que lleguen a la superficie de la Tierra, la exposición de las personas que viven al nivel del mar (aproximadamente 30 mrem / año) es significativamente menor que la exposición de las personas que viven en altitudes más altas (aproximadamente 50 mrem / año en Denver , Colorado). Cada 4 horas que pasa en un avión a más de 30,000 pies agrega aproximadamente 1 mrem a la exposición anual a la radiación de una persona.
Un segundo componente de la radiación de fondo es radiación cosmogénica , producida por la interacción de los rayos cósmicos con los gases en la atmósfera superior. Cuando los rayos cósmicos de alta energía colisionan con los átomos de oxígeno y nitrógeno, se liberan neutrones y protones. Estos, a su vez, reaccionan con otros átomos para producir isótopos radiactivos, como ( ce {^ {14} C} ):
[ ce {^ {14} _7 N + ^ 1_0 n rightarrow ^ {14} _6 C + ^ 1_1p} label {Eq3} ]
Los átomos de carbono reaccionan con los átomos de oxígeno para formar CO 2 , que finalmente es arrastrado a la superficie de la Tierra bajo la lluvia y absorbido por las plantas. Aproximadamente 1 átomo en 1 × 10 12 de los átomos de carbono en nuestros cuerpos es radiactivo 14 C, que se desintegra por emisión beta. Aproximadamente 5000 14 los núcleos C se desintegran en su cuerpo durante los 15 segundos más o menos, lo que le lleva a leer este párrafo. El tritio ( 3 H) también se produce en la atmósfera superior y cae a la Tierra en precipitación. La dosis de radiación total atribuible a 14 C se estima en 1 mrem / año, mientras que la debida a 3 H es aproximadamente 1000 veces menor.
El tercer componente principal de la radiación de fondo es radiación terrestre , que se debe a los restos de elementos radiactivos que estaban presentes en la Tierra primordial y sus productos de desintegración. Por ejemplo, muchas rocas y minerales en el suelo contienen pequeñas cantidades de isótopos radiactivos, como ( ce {^ {232} Th} ) y ( ce {^ {238} U} ), así como radiactivos isótopos hijos, como ( ce {^ {226} Ra} ). La cantidad de radiación de fondo de estas fuentes es casi la misma que la de los rayos cósmicos (aproximadamente 30 mrem / año). Estos isótopos también se encuentran en pequeñas cantidades en materiales de construcción derivados de rocas y minerales, lo que aumenta significativamente la exposición a la radiación para las personas que viven en casas de ladrillos o bloques de concreto (60-160 mrem / año) en lugar de casas de madera (10). –20 mrem / año). Nuestros tejidos también absorben radiación (alrededor de 40 mrem / año) de elementos radiactivos naturales que están presentes en nuestros cuerpos. Por ejemplo, el adulto promedio contiene aproximadamente 140 g de potasio como el ion (K ^ + ). El potasio natural contiene 0.0117% ( ce {^ {40} K} ), que se descompone al emitir tanto una partícula β como un rayo ( gamma ). En los últimos 20 segundos, aproximadamente el tiempo que le tomó leer este párrafo, aproximadamente 40,000 ( ce {^ {40} K} ) núcleos se desintegraron en su cuerpo.
Con mucho, la fuente más importante de radiación de fondo es el radón, el más pesado de los gases nobles (grupo 18). El radón-222 se produce durante la descomposición de 238 U, y la descomposición de otros elementos pesados produce otros isótopos de radón. Aunque el radón es químicamente inerte, todos sus isótopos son radiactivos. Por ejemplo, 222 Rn se somete a dos sucesivos eventos de desintegración alfa para dar 214 Pb:
[ ce {^ {222} _ {86} Rn rightarrow ^ 4_2 alpha + ^ {218} _ {84} Po + ^ 4_2 alpha + ^ {214} _ {82} Pb} etiqueta {Eq4} ]
Debido a que el radón es un gas denso, tiende a acumularse en espacios cerrados como los sótanos, especialmente en lugares donde el suelo contiene cantidades de minerales de uranio más grandes que el promedio. En la mayoría de las condiciones, la desintegración radiactiva del radón no plantea problemas debido al rango muy corto de la partícula α emitida. Sin embargo, si un átomo de radón se encuentra en sus pulmones cuando se descompone, el isótopo hija políticamente reactivo polonio-218 puede unirse irreversiblemente a las moléculas en el tejido pulmonar. La posterior descomposición de ( ce {^ {218} Po} ) libera una partícula α directamente en una de las células que recubren el pulmón, y el daño resultante eventualmente puede causar cáncer de pulmón. El isótopo ( ce {^ {218} Po} ) también es fácilmente absorbido por partículas en el humo del cigarrillo, que se adhieren a la superficie de los pulmones y pueden mantener el isótopo radioactivo en su lugar. Estimaciones recientes sugieren que la exposición al radón es un factor contribuyente en aproximadamente el 15% de las muertes por cáncer de pulmón. Debido al posible problema de salud que plantea el radón, muchos estados requieren que las casas se sometan a pruebas de radón antes de que puedan venderse. Según las estimaciones actuales, el radón representa más de la mitad de la exposición a la radiación de un adulto típico en los Estados Unidos.
Fuentes artificiales de radiación
Además de la radiación de fondo natural, los humanos están expuestos a pequeñas cantidades de radiación de una variedad de fuentes artificiales. Los más importantes son los rayos X utilizados con fines de diagnóstico en medicina y odontología, que son fotones con mucha menos energía que los rayos γ. Una sola radiografía de tórax proporciona una dosis de radiación de aproximadamente 10 mrem y una radiografía dental de aproximadamente 2 a 3 mrem. Otras fuentes menores incluyen pantallas de televisión y monitores de computadora con tubos de rayos catódicos, que también producen rayos X. Las pinturas luminiscentes para las carátulas de reloj originalmente usaban radio, un emisor alfa altamente tóxico si las ingieren quienes pintan las carátulas. El radio fue reemplazado por tritio ( 3 H) y prometio ( 147 Pr), que emiten partículas β de baja energía que son absorbidas por el cristal del reloj o el vidrio que cubre el instrumento. La exposición a la radiación de las pantallas de televisión, monitores y diales luminiscentes es de aproximadamente 2 mrem / año. Se estima que las consecuencias residuales de las pruebas previas de armas nucleares atmosféricas representan aproximadamente el doble de esta cantidad, y la industria de la energía nuclear representa menos de 1 mrem / año (aproximadamente lo mismo que un solo vuelo en jet de 4 h).
Utilizamos la definición de rad (1 rad = 10 −2 J / kg de tejido) para convertir esta cifra en una dosis de radiación en rads. Si suponemos que la dosis se distribuye por igual en todo el cuerpo, la dosis de radiación por año es la siguiente:
( begin {align} textrm {dosis de radiación por año} & = dfrac {2.87 times10 ^ {- 2} textrm {J / año}} { textrm {70.0 kg}} times dfrac {1 textrm {rad}} {1 times10 ^ {- 2} textrm {J / kg}} \ & = 4.10 times10 ^ {- 2} textrm {rad / año} = 41 textrm { mrad / año} end {align} )
Esto corresponde a casi la mitad de la radiación de fondo normal que experimenta la mayoría de las personas.
Evaluación del impacto de la exposición a la radiación
Uno de los temas de política pública más controvertidos que se debaten hoy es si la exposición a la radiación de fuentes artificiales, cuando se combina con la exposición de fuentes naturales, representa un riesgo significativo para la salud humana. Los efectos de dosis únicas de radiación de diferentes magnitudes en humanos se enumeran en Tabla ( PageIndex {2} ) . Debido a los muchos factores involucrados en la exposición a la radiación (duración de la exposición, intensidad de la fuente y energía y tipo de partícula), es difícil cuantificar los peligros específicos de un radioisótopo versus otro. No obstante, algunas conclusiones generales sobre los efectos de la exposición a la radiación son generalmente aceptadas como válidas.
| Dosis (rem) | Síntomas / efectos |
|---|---|
| <5 | sin efecto observable |
| 5–20 | posible daño cromosómico |
| 20–100 | reducción temporal en el recuento de glóbulos blancos |
| 50–100 | esterilidad temporal en hombres (hasta un año) |
| 100–200 | enfermedad por radiación leve, vómitos, diarrea, fatiga; sistema inmunitario suprimido; crecimiento óseo en niños retrasados |
| > 300 | esterilidad permanente en mujeres |
| > 500 | fatal al 50% en 30 días; destrucción de la médula ósea y el intestino |
| > 3000 | fatal en cuestión de horas |
Las dosis de radiación de 600 rem y superiores son invariablemente fatales, mientras que una dosis de 500 rem mata a la mitad de los sujetos expuestos en 30 días. Las dosis más pequeñas (≤ 50 rem) parecen causar solo efectos limitados sobre la salud, a pesar de que corresponden a decenas de años de radiación natural. Sin embargo, esto no significa que tales dosis no tengan efectos nocivos; pueden causar problemas de salud a largo plazo, como cáncer o cambios genéticos que afectan a la descendencia. Los posibles efectos perjudiciales de las dosis mucho más pequeñas atribuibles a fuentes artificiales (<100 mrem / año) son más difíciles de evaluar.
Los tejidos más afectados por grandes exposiciones de todo el cuerpo son la médula ósea, el tejido intestinal, los folículos pilosos y los órganos reproductores, todos los cuales contienen células que se dividen rápidamente. La susceptibilidad de las células que se dividen rápidamente a la exposición a la radiación explica por qué los cánceres a menudo se tratan con radiación. Debido a que las células cancerosas se dividen más rápido que las células normales, son destruidas preferentemente por la radiación. Los estudios de exposición a la radiación a largo plazo en moscas de la fruta muestran una relación lineal entre el número de defectos genéticos y la magnitud de la dosis y el tiempo de exposición. En contraste, estudios similares en ratones muestran un número mucho menor de defectos cuando una dosis dada de radiación se extiende durante un largo período de tiempo en lugar de recibirse de una vez. Ambos patrones están trazados en la [ 19459019] Figura ( PageIndex {4} ) , pero ¿cuál de los dos es aplicable a los humanos? Según una hipótesis, los ratones tienen un riesgo muy bajo de dosis bajas porque sus cuerpos tienen formas de lidiar con el daño causado por la radiación natural. Sin embargo, a dosis mucho más altas, sus mecanismos de reparación naturales están abrumados, lo que lleva a daños irreversibles. Debido a que los ratones son bioquímicamente mucho más similares a los humanos que las moscas de la fruta, muchos científicos creen que este modelo también se aplica a los humanos. Por el contrario, el modelo lineal supone que toda exposición a la radiación es intrínsecamente perjudicial y sugiere que es necesaria una regulación estricta de la exposición a la radiación de bajo nivel. ¿Qué vista es más precisa? La respuesta, aunque aún desconocida, tiene consecuencias extremadamente importantes para regular la exposición a la radiación.
Resumen
La radiación no ionizante es relativamente baja en energía y puede usarse como fuente de calor, mientras que la radiación ionizante, que es más alta en energía, puede penetrar en los tejidos biológicos y es altamente reactiva. Los efectos de la radiación sobre la materia dependen de la energía de la radiación. La radiación no ionizante es relativamente baja en energía, y la energía se transfiere a la materia en forma de calor. La radiación ionizante es relativamente alta en energía, y cuando choca con un átomo, puede eliminar completamente un electrón para formar un ion cargado positivamente que puede dañar los tejidos biológicos. Las partículas alfa no penetran muy lejos en la materia, mientras que los rayos γ penetran más profundamente. Las unidades comunes de exposición a la radiación, o dosis, son el roentgen (R), la cantidad de energía absorbida por el aire seco, y el rad (dosis de radiación absorbida), la cantidad de radiación que produce 0.01 J de energía en 1 kg de materia. El rem (equivalente de roentgen en el hombre) mide la cantidad real de daño tisular causado por una cantidad dada de radiación. Las fuentes naturales de radiación incluyen radiación cósmica, que consiste en partículas de alta energía y rayos γ emitidos por el sol y otras estrellas; radiación cosmogénica, que se produce por la interacción de los rayos cósmicos con los gases en la atmósfera superior; y radiación terrestre, de elementos radiactivos presentes en la Tierra primordial y sus productos de desintegración. Los riesgos de la radiación ionizante dependen de la intensidad de la radiación, el modo de exposición y la duración de la exposición.