21.6: Los efectos biológicos de la radiación
Habilidades para desarrollar
- Describir el impacto biológico de la radiación ionizante
- Definir las unidades para medir la exposición a la radiación
- Explicar el funcionamiento de los instrumentos comunes para detectar radiactividad
- Listar las fuentes comunes de exposición a la radiación en los EE.UU.
El uso aumentado de los radioisótopos ha aumentado la preocupación por los efectos de estos materiales en los sistemas biológicos (como los humanos). Todos los nucleidos radiactivos emiten partículas de alta energía u ondas electromagnéticas. Cuando esta radiación se encuentra con células vivas, puede causar calentamiento, romper enlaces químicos o ionizar moléculas. El daño biológico más grave se produce cuando estas emisiones radiactivas fragmentan o ionizan moléculas. Por ejemplo, las partículas alfa y beta emitidas por las reacciones de desintegración nuclear poseen energías mucho más altas que las energías de enlace químico ordinarias. Cuando estas partículas chocan y penetran la materia, producen iones y fragmentos moleculares que son extremadamente reactivos. El daño que esto causa a las biomoléculas en los organismos vivos puede causar serias fallas en los procesos celulares normales. Esto pone a prueba los mecanismos de reparación del organismo y posiblemente causa enfermedades o hasta la muerte (Figura \(\PageIndex{1}\)).
Figura \(\PageIndex{1}\) : La radiación puede dañar los sistemas biológicos al dañar el ADN de las células. Si este daño no se repara adecuadamente, las células se pueden dividir de manera descontrolada y causar el cáncer.
La radiación ionizante versus la radiación no ionizante
Existe una gran diferencia en la magnitud de los efectos biológicos de la radiación no ionizante (por ejemplo, luz y microondas) y la radiación ionizante, emisiones lo suficientemente energéticas como para eliminar los electrones de las moléculas (por ejemplo, partículas α y β, rayos γ, rayos X rayos y radiación ultravioleta de alta energía) (Figura \(\PageIndex{2}\)).
Figura \(\PageIndex{2}\) : La radiación electromagnética de menor frecuencia y energía no es ionizante, y la radiación electromagnética de mayor frecuencia y energía es ionizante.
La energía absorbida de la radiación no ionizante acelera el movimiento de los átomos y las moléculas, lo que equivale a calentar la muestra. Aunque los sistemas biológicos son susceptibles al calor (como podríamos saber al tocar una estufa caliente o pasar un día en la playa bajo el sol), se necesita una gran cantidad de radiación no ionizante antes de que se alcancen niveles peligrosos. Sin embargo, la radiación ionizante puede causar daños mucho más graves al romper enlaces o eliminar electrones en moléculas biológicas, alterando su estructura y función. El daño también se puede hacer indirectamente, primero ionizando H 2 O (la molécula más abundante en los organismos vivos), que forma un ion H 2 O + que reacciona con el agua, formando un ion hidronio y un radical hidroxilo:
Debido a que el radical hidroxilo tiene un electrón desapareado, es muy reactivo. (Esto es cierto para cualquier sustancia con electrones desapareados, conocida como radical libre). Este radical hidroxilo puede reaccionar con todo tipo de moléculas biológicas (ADN, proteínas, enzimas, etc.), causando daño a las moléculas y alterando los procesos fisiológicos. En la Figura \(\PageIndex{3}\) se muestran ejemplos de daños directos e indirectos.
Figura \(\PageIndex{3}\) : La radiación ionizante puede (a) directamente dañar una biomolécula al ionizarla o romper sus enlaces, o (b) hacer un ion H 2 O + , que reacciona con H 2 O para formar un radical hidroxilo, que a su vez reacciona con la biomolécula, causando daño indirectamente.
Los efectos biológicos de la exposición a la radiación
La radiación puede dañar todo el cuerpo (daño somático) o los óvulos y los espermatozoides (daño genético). Sus efectos son más pronunciados en las células que se reproducen rápidamente, como el revestimiento del estómago, los folículos pilosos, la médula ósea y los embriones. Esta es la razón por la que los pacientes que se someten a radioterapia a veces sienten náuseas o malestar estomacal, pierden cabello, tienen dolores de huesos, etc., y por qué se debe tener especial cuidado al someterse a radioterapia durante el embarazo.
Los diferentes tipos de radiación tienen diferentes capacidades para atravesar el material (Figura \(\PageIndex{4}\)). Una barrera muy delgada, como una hoja o dos de papel, o la capa superior de las células de la piel, generalmente detiene las partículas alfa. Por esto, las fuentes de partículas alfa generalmente no son peligrosas si están fuera del cuerpo, pero son bastante peligrosas si se ingieren o inhalan (consulte la sección química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón). Las partículas beta pasarán a través de una mano o una capa delgada de material como papel o madera, pero son detenidas por una capa delgada de metal. La radiación gamma es muy penetrante y puede atravesar una capa gruesa de la mayoría de los materiales. Cierta radiación gamma de alta energía puede atravesar unos pocos pies de concreto. Ciertos elementos densos y de alto número atómico (como el plomo) pueden atenuar efectivamente la radiación gamma con el material más delgado y se usa como blindaje. La capacidad de varios tipos de emisiones para causar ionización varía mucho y algunas partículas casi no tienen tendencia a producir ionización. Las partículas alfa tienen aproximadamente el doble del poder ionizante de los neutrones de movimiento rápido, aproximadamente 10 veces el de las partículas β y aproximadamente 20 veces el de los rayos γ y los rayos X.
Figura \(\PageIndex{4}\): Se muestra la capacidad de diferentes tipos de radiación para atravesar el material. De menos a más penetrantes, son alfa <beta <neutrones <gamma.
Para muchas personas, una de las mayores fuentes de exposición a la radiación es el gas radón (Rn-222). El radón-222 es un emisor α con una vida media de 3.82 días. Es uno de los productos de la serie de desintegración radiactiva del U-238, que se encuentra en pequeñas cantidades en la tierra y en las rocas. El gas radón que se produce se escapa lentamente de la tierra y se filtra gradualmente en las casas y otras estructuras de arriba. Ya que es aproximadamente ocho veces más denso que el aire, el gas radón se acumula en los sótanos y los pisos inferiores y se difunde lentamente por los edificios (Figura \(\PageIndex{5}\)).
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Figura \(\PageIndex{5}\): El radón-222 se filtra en las casas y otros edificios a partir de las rocas que contienen uranio-238, un emisor de radón. El radón entra a través de grietas en el cemento de concreto y pisos de sótanos, cimientos de piedra o bloques de cemento porosos y aberturas para tuberías de agua y gas.
El radón se encuentra en los edificios de todo el país, y las cantidades dependen del lugar donde viva la persona. La concentración promedio de radón dentro de las casas en los EE.UU. (1.25 pCi /L) es aproximadamente tres veces los niveles encontrados en el aire exterior, y aproximadamente una de cada seis casas tiene niveles de radón lo suficientemente altos como para recomendar esfuerzos de remediación para reducir la concentración de radón. La exposición al radón aumenta el riesgo de contraer el cáncer (especialmente el cáncer de pulmón), y los niveles altos de radón pueden ser tan perjudiciales para la salud, igual a fumar una caja de cigarrillos al día. El radón es la principal causa de cáncer de pulmón en los no fumadores y la segunda causa principal de cáncer de pulmón en general. Se cree que la exposición al radón causa más de 20.000 muertes en los EE.UU. por año.
La medición de la exposición a la radiación
Se usan varios dispositivos diferentes para detectar y medir la radiación, incluidos los contadores Geiger, los contadores de centelleo (centelleadores) y dosímetros de radiación (Figura \(\PageIndex{6}\)). Probablemente el instrumento de radiación más conocido, el contador Geiger (también llamado el contador Geiger-Müller) detecta y mide la radiación. La radiación provoca la ionización del gas en un tubo Geiger-Müller. La tasa de ionización es proporcional a la cantidad de radiación. Un contador de centelleo contiene un centelleador, un material que emite luz (luminiscencia) cuando es excitado por la radiación ionizante, y un sensor que convierte la luz en una señal eléctrica. Los dosímetros de radiación también miden la radiación ionizante y, a veces, se usan para determinar la exposición personal a la radiación. Los tipos más usados son los dosímetros electrónicos, dosímetros de placa de película, termoluminiscentes y de fibra de cuarzo.
Figura \(\PageIndex{6}\): Se pueden usar los dispositivos como (a) contadores Geiger, (b) centelleadores y (c) dosímetros para medir la radiación. (crédito c: modificación del trabajo de “osaMu” / Wikimedia commons).
Se usan una variedad de unidades para medir los varios aspectos de la radiación (Tabla \(\PageIndex{1}\)). La unidad SI para la tasa de desintegración radiactiva es el becquerel (Bq), con 1 Bq = 1 desintegración por segundo. El curie (Ci) y el milicurie (mCi) son unidades mucho más grandes y se usan frecuentemente en la medicina (1 curie = 1 Ci = \(3.7\veces10^{10}\) desintegraciones por segundo). La unidad SI para medir la dosis de radiación es el gray (Gy), con 1 Gy = 1 J de energía absorbida por kilogramo de tejido. En las aplicaciones médicas, la dosis de radiación absorbida (rad) se usa con más frecuencia (1 rad = 0.01 Gy; 1 rad resulta en la absorción de 0.01 J/kg de tejido). La unidad SI que mide el daño tisular causado por la radiación es el sievert (Sv). Esto tiene en cuenta tanto la energía como los efectos biológicos del tipo de radiación involucrada en la dosis de radiación.
| El objetivo de la medición | La unidad | La cantidad medida | La descripción |
|---|---|---|---|
| la actividad de la fuente | becquerel (Bq) | las desintegraciones o emisiones radiactivas | la cantidad de muestra que pasa por 1 desintegración/segundo |
| curie (Ci) | la cantidad de muestra que experimenta \(\mathrm{3.7 \times 10^{10}\; decays/second}\) | ||
| la dosis absorbida | gray (Gy) | la energía absorbida por kg de tejido | 1 Gy = 1 J/kg tejido |
| la dosis de radiación absorbida (rad) | 1 rad = 0.01 J/kg tejido | ||
| la dosis biológicamente eficaz | sievert (Sv) | daño al tejido | Sv = RBE × Gy |
| equivalente de roentgen para el hombre (rem) | Rem = RBE × rad |
El equivalente de roentgen para el hombre (rem) es la unidad de daño por radiación que se usa con mayor frecuencia en la medicina (1 rem = 1 Sv). Tenga en cuenta que las unidades de daño tisular (rem o Sv) incluyen la energía de la dosis de radiación (rad o Gy) junto con un factor biológico llamado RBE (para la efectividad biológica relativa) que es una medida aproximada del daño relativo causado por la radiación. Estos están relacionados por:
\[ \text{number of rems}=\text{RBE} \times \text{number of rads} \label{Eq2}\]
con RBE aproximadamente 10 para radiación α, 2(+) para protones y neutrones, y 1 para radiación β y γ.
Figura (\PageIndex{7}\): Se usan diferentes unidades para medir la tasa de emisión de una fuente radiactiva, la energía que se absorbe de la fuente y la cantidad de daño que causa la radiación absorbida.
Ejemplo \(\PageIndex{1}\): La cantidad de radiación
El cobalto-60 (t1/2 = 5.26 y) se usa en la terapia del cáncer ya que los rayos \(\gamma\) que emite se pueden enfocar en las áreas pequeñas donde se encuentra el cáncer. Una muestra de 5.00 g de Co-60 está disponible para el tratamiento del cáncer.
- Cual es la actividad de Bq?
- Cual es la actividad de Ci?
Solución
La actividad se da por:
\[\textrm{Activity}=λN=\left( \dfrac{\ln 2}{t_{1/2} } \right) N=\mathrm{\left( \dfrac{\ln 2}{5.26\ y} \right) \times 5.00 \ g=0.659\ \dfrac{g}{y} \ of\ \ce{^{60}Co} \text{ that decay}}\]
Y para convertir esto en decaimientos por segundo:
\[\mathrm{0.659\; \frac{g}{y} \times \dfrac{y}{365 \;day} \times \dfrac{1\; day}{ 24\; hours} \times \dfrac{1\; h}{3,600 \;s} \times \dfrac{1\; mol}{59.9\; g} \times \dfrac{6.02 \times 10^{23} \;atoms}{1 \;mol} \times \dfrac{1\; decay}{1\; atom}} \nonumber \]
\[\mathrm{=2.10 \times 10^{14} \; \frac{decay}{s}} \nonumber \]
(a) Ya que \(\mathrm{1\; Bq = 1\; \frac{ decay}{s}}\), la actividad en Becquerel (Bq) es:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \dfrac{decay}{s} \times \left(\dfrac{1\ Bq}{1 \; \frac{decay}{s}} \right)=2.10 \times 10^{14} \; Bq} \nonumber \]
(b) Ya que \(\mathrm{1\ Ci = 3.7 \times 10^{11}\; \frac{decay}{s}}\), la actividad en curie (Ci) es:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \frac{decay}{s} \times \left( \dfrac{1\ Ci}{3.7 \times 10^{11} \frac{decay}{s}} \right) =5.7 \times 10^2\;Ci} \nonumber \]
Ejercicio \(\PageIndex{1}\)
El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno (\(t_{1/2}=\mathrm{12.32\;años}\)) que tiene varios usos, incluida la iluminación autoalimentada, en la que los electrones emitidos en la desintegración radiactiva del tritio hacen que el fósforo se resplandor. Su núcleo contiene un protón y dos neutrones, y la masa atómica del tritio es 3.016 amu. ¿Cuál es la actividad de una muestra que contiene 1.00 mg de tritio (a) en Bq y (b) en Ci?
- Respuesta a
-
\(\mathrm{3.56 \times 10^{11} Bq}\)
- Respuesta b
-
\(\mathrm{0.962\; Ci}\)
Los efectos de la exposición prolongada a la radiación en el cuerpo humano
Los efectos de la radiación dependen del tipo, la energía y la ubicación de la fuente de radiación y la duración de la exposición. Como se muestra en la Figura \(\PageIndex{8}\), la persona promedio está expuesta a la radiación del ambiente, incluidos los rayos cósmicos del sol y el radón del uranio en la tierra (consulte la sección de química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón); radiación de exposición médica, incluidas tomografías computarizadas, pruebas de radioisótopos, rayos X, etc. y pequeñas cantidades de radiación de otras actividades humanas, como vuelos en el avión (que son bombardeados por un mayor número de rayos cósmicos en la atmósfera superior), radiactividad de productos de consumo y una variedad de radionucleidos que ingresan a nuestros cuerpos cuando respiramos (por ejemplo, carbono-14) o a través de la cadena alimentaria (por ejemplo, potasio-40, estroncio-90 y yodo-131).
Figura\(\PageIndex{8}\) : La exposición anual total a la radiación de una persona en los EE.UU. es de aproximadamente 620 mrem. Las varias fuentes y sus cantidades relativas se muestran en este gráfico de barras. (fuente: Comisión Reguladora Nuclear de EE.UU.).
Una dosis repetida a un corto tiempo de una gran cantidad de radiación puede causar unos varios efectos sobre la salud, desde cambios en la química sanguínea hasta la muerte. La exposición a corto plazo a decenas de rems de radiación probablemente causará síntomas o enfermedades muy notables; se estima que una dosis de alrededor de 500 rems tiene una probabilidad del 50% de causar la muerte de la víctima dentro de los 30 días posteriores a la exposición. La exposición a emisiones radiactivas tiene un efecto acumulativo en el cuerpo durante la vida de una persona, que es otra razón por la que es importante evitar cualquier exposición innecesaria a la radiación. Los efectos sobre la salud de la exposición a la radiación a corto plazo se muestran en la Tabla \(\PageIndex{2}\).
| la exposición (rem) | el efecto sobre la salud | tiempo de comienzo (sin tratamiento) |
|---|---|---|
| 5–10 | los cambios en la química sanguínea | — |
| 50 | la náusea | hours |
| 55 | la fatiga | — |
| 70 | vomitando | — |
| 75 | perdida de cabello | 2–3 semanas |
| 90 | la diarrea | — |
| 100 | la hemorragia | — |
| 400 | posible muerte | dentro de dos meses |
| 1000 | la destrucción del revestimiento intestinal | — |
| hemorragia interna | — | |
| muerte | 1–2 semanas | |
| 2000 | daño al sistema nervioso central | — |
|
pérdida de consciencia; |
minutos | |
| muerte | horas a dias |
Es imposible evitar cierta exposición a la radiación ionizante. Estamos constantemente expuestos a la radiación del ambiente de una variedad de fuentes naturales, que incluyen la radiación cósmica, rocas, procedimientos médicos, productos de consumo e incluso nuestros propios átomos. Podemos minimizar nuestra exposición bloqueando o protegiendo la radiación, alejándonos de la fuente y limitando el tiempo de exposición.
Resumen
Estamos constantemente expuestos a la radiación de una variedad de fuentes naturales y producidas por el hombre. Esta radiación puede afectar a los organismos vivos. La radiación ionizante es la más dañina porque puede ionizar moléculas o romper enlaces químicos, lo que daña la molécula y causa disfunciones en los procesos celulares. También puede producir radicales hidroxilo reactivos que dañan las moléculas biológicas y alteran los procesos fisiológicos. La radiación puede causar daño somático o genético y es más dañina para las células que se reproducen rápidamente. Los tipos de radiación difieren en su capacidad para penetrar el material y dañar el tejido, siendo las partículas alfa las menos penetrantes pero potencialmente más dañinas y los rayos gamma las más penetrantes.
Se usan varios dispositivos, incluidos los contadores Geiger, centelleadores y dosímetros, para detectar y medir la radiación y controlar la exposición a la radiación. Usamos varias unidades para medir la radiación: becquerels o curies para las tasas de desintegración radiactiva; grises o rads para la energía absorbida; y rems o sieverts para los efectos biológicos de la radiación. La exposición a la radiación puede causar varios efectos sobre la salud, desde menor hasta graves, e incluso la muerte. Podemos minimizar los efectos de la radiación protegiéndonos con materiales densos como el plomo y alejándonos de la fuente y limitando el tiempo de exposición.
Glosario
- becquerel (Bq)
- la unidad SI para la tasa de desintegración radiactiva; 1 Bq = 1 desintegración/s
- curie (Ci)
- la unidad más grande para la tasa de desintegración radiactiva que se usa frecuentemente en la medicina; 1 Ci = 3.7 × 10 10 desintegraciones/s
- el contador Geiger
- el instrumento que detecta y mide la radiación a través de la ionización producida en un tubo Geiger-Müller
- gris (Gy)
- la unidad SI para medir la dosis de radiación; 1 Gy = 1 J absorbido/kg de tejido
- la radiación ionizante
- la radiación que puede hacer que una molécula pierde un electrón y forma un ion
- millicurie (mCi)
- la unidad más grande para la tasa de desintegración radiactiva que se usa frecuentemente en la medicina; 1 Ci = 3.7 × 10 10 desintegraciones/s
- la radiación no ionizante
-
la radiación que acelera el movimiento de los átomos y las moléculas; es equivalente a calentar una muestra, pero no es lo suficientemente enérgico como para causar la ionización de la moléculas
- dosis de radiación absorbida (rad)
- la unidad SI para medir la dosis de radiación, usada frecuentemente en las aplicaciones médicas; 1 rad = 0.01 Gy
- dosímetro de radiación
- un dispositivo que mide la radiación ionizante y se usa para determinar la exposición personal a la radiación
- la efectividad biológica relativa (RBE)
- la medida del daño relativo causado por la radiación
- hombre equivalente a roentgen (rem)
- la unidad para los daños por radiación, usado frecuente en la medicina; 1 rem = 1 Sv
- el contador de centelleo
- un instrumento que usa un centelleador, un material que emite luz cuando se excita por la radiación ionizante, para detectar y medir la radiación.
- sievert (Sv)
- la unidad SI que mide el daño tisular causado por la radiación; tiene en cuenta los efectos energéticos y biológicos de la radiación
Contribuyentes y atribuciones
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Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
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Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.