20.7: Efectos de la Radiación sobre la Materia
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- Conocer las diferencias entre radiación ionizante y no ionizante y sus efectos sobre la materia.
- Identificar fuentes naturales y artificiales de radiación.
Debido a que las reacciones nucleares no suelen afectar a los electrones de valencia del átomo (aunque la captura de electrones extrae un electrón de un orbital del nivel de energía más bajo), no provocan directamente cambios químicos. Sin embargo, las partículas y los fotones emitidos durante la desintegración nuclear son muy energéticos, y pueden producir indirectamente cambios químicos en la materia que rodea al núcleo que ha decaído. 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 la radiación interactúa 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 choca 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 ser transferida a moléculas adyacentes o iones en forma de calor, muchas sustancias radiactivas son cálidas al tacto. Elementos altamente radiactivos como el polonio, por ejemplo, han sido utilizados como fuentes de calor en el programa espacial estadounidense. Siempre y cuando la intensidad de la radiación no ionizante no sea lo suficientemente grande como para provocar un sobrecalentamiento, es relativamente inofensiva, y sus efectos pueden ser neutralizados por enfriamiento.
En contraste, la radiación ionizante es mayor en energía, y parte de su energía puede transferirse a uno o más átomos con los que colisiona 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:
\[\mathrm{atom + ionizing\: radiation \rightarrow ion^+ + \, {e^-}\label{Eq1}} \]
Las moléculas que han sido ionizadas de esta manera suelen ser altamente reactivas, y pueden descomponerse o sufrir otros cambios químicos que crean una cascada de moléculas reactivas que pueden dañar tejidos biológicos y otros materiales (Figura\(\PageIndex{1}\)). Debido a que la energía de la radiación ionizante es muy alta, a menudo reportamos su energía en unidades como megaelectronvoltios (MeV) por partícula:
\[\text{1 MeV/particle} = \text{96 billion J/mol}. \nonumber \]
Los efectos de la radiación ionizante sobre la materia
Los efectos de la radiación ionizante dependen de cuatro factores:
- El tipo de radiación, que dicta hasta qué punto puede penetrar en la materia
- La energía de las partículas individuales o fotones
- El número de partículas o fotones que inciden en un área determinada 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 tejidos biológicos se ilustran en la 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 trozo 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. Las partículas alfa, sin embargo, 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 fuertemente del tipo de radiación emitida y del grado de exposición, lo que permite a los científicos manejar de manera segura 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 la Tabla\(\PageIndex{1}\).
| Tipo | Rango de energía (MeV) | Distancia de Penetración en Agua* | Distancia de Penetración en Aire* |
|---|---|---|---|
| *Distancia a la que se ha absorbido la mitad de la radiación. | |||
| partículas α | 3—9 | < 0.05 mm | < 10 cm |
| β partículas | ≤ 3 | < 4 mm | 1 m |
| radiografías | <10 −2 | < 1 cm | < 3 m |
| rayos γ | 10 −2 —10 1 | < 20 cm | > 3 m |
Hay muchas maneras 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 utilizarse para describir la exposición cuantitativa.Llamado así por el 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. El daño a los tejidos biológicos, sin embargo, es proporcional a la cantidad de energía absorbida por los tejidos, no el aire. La unidad más común utilizada para medir los efectos de la radiación en el tejido biológico es el rad (dosis absorbida de radiación); el equivalente de SI es el gris (Gy). El rad se define como la cantidad de radiación que provoca que 0.01 J de energía sea absorbida por 1 kg de materia, y el gris se define como la cantidad de radiación que provoca que 1 J de energía sea absorbida por kilogramo:
\[\mathrm{1\: rad = 0.010\: J/kg \hspace{25 pt} 1\: Gy = 1\: J/kg \label{Eq2}} \]
Así, un humano de 70 kg que recibe una dosis de 1.0 rad sobre 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 tu piel por una gotita de 3.8 × 10 −5 g de agua hirviendo. Debido a que la energía de la gotita de agua se transfiere a un área relativamente grande de tejido, es inofensiva. Una partícula radiactiva, sin embargo, 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. Así, 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 ideó una unidad llamada rem (roentgen equivalente 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 reales de radiación tienden a ser muy pequeñas, la mayoría de las mediciones se reportan en milirems (1 mrem = 10 −3 rem).
Nacido en la provincia alemana del Bajo Rin, Röntgen era el único hijo de un fabricante y comerciante de telas. Su familia se mudó a los Países Bajos donde no mostró ninguna aptitud particular en la escuela, pero donde le gustaba deambular por el campo. Röntgen fue expulsado de la escuela técnica de Utrecht tras ser acusado injustamente de dibujar una caricatura de uno de los maestros. Comenzó a estudiar ingeniería mecánica en Zurich, a la que pudo ingresar sin tener las credenciales de un estudiante regular, y recibió un doctorado en la Universidad de Zúrich en 1869. En 1876 se convirtió en profesor de física.
Fuentes Naturales de Radiación
Estamos continuamente expuestos a 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, las partículas de alta energía y\(\gamma\) los rayos 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 (alrededor de 30 mrem/año) es significativamente menor que la exposición de las personas que viven a altitudes más altas (alrededor de 50 mrem/año en Denver, Colorado). Cada 4 horas pasadas 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 la radiación cosmogénica, producida por la interacción de los rayos cósmicos con los gases en la atmósfera superior. Cuando los rayos cósmicos de alta energía chocan con átomos de oxígeno y nitrógeno, se liberan neutrones y protones. Estos, a su vez, reaccionan con otros átomos para producir isótopos radiactivos, tales 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 se lava a la superficie de la Tierra bajo la lluvia y es absorbido por las plantas. Alrededor de 1 átomo en 1 × 10 12 de los átomos de carbono en nuestros cuerpos es radiactivo 14 C, que decae por emisión beta. Alrededor de 5000 núcleos de 14 C se desintegran en tu cuerpo durante los 15 s más o menos que te lleve a leer este párrafo. El tritio (3 H) también se produce en la atmósfera superior y cae a la Tierra en precipitación. Se estima que la dosis total de radiación atribuible a 14 C es de 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 la radiación terrestre, la cual se debe a los restos de elementos radiactivos que estuvieron 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,\(\ce{^{238}U}\) como\(\ce{^{232}Th}\) y así como isótopos hijos radiactivos, como\(\ce{^{226}Ra}\). La cantidad de radiación de fondo de estas fuentes es aproximadamente 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 ladrillo o bloques de hormigón (60—160 mrem/año) en lugar de casas hechas de madera (10—20 mrem/año). Nuestros tejidos también absorben radiación (aproximadamente 40 mrem/año) de elementos radiactivos naturales que están presentes en nuestro cuerpo. Por ejemplo, el adulto promedio contiene alrededor de 140 g de potasio como\(K^+\) ión. El potasio de origen natural contiene 0.0117%\(\ce{^{40}K}\), que decae al emitir tanto una partícula β como un rayo (\ gamma\). En los últimos 20 segundos, aproximadamente el tiempo que tardó en leer este párrafo, aproximadamente 40 mil\(\ce{^{40}K}\) 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 desintegración de 238 U, y otros isótopos de radón son producidos por la descomposición de otros elementos pesados. A pesar de que el radón es químicamente inerte, todos sus isótopos son radiactivos. Por ejemplo, 222 Rn sufre dos eventos sucesivos de desintegración alfa para dar 214 Pb:
\[\ce{^{222}_{86} Rn \rightarrow ^4_2\alpha + ^{218}_{84} Po + ^4_2\alpha + ^{214}_{82} Pb } \label{Eq4} \]
Debido a que el radón es un gas denso, tiende a acumularse en espacios cerrados como sótanos, especialmente en lugares donde el suelo contiene cantidades mayores que el promedio de minerales de uranio naturales. En la mayoría de las condiciones, la desintegración radiactiva del radón no plantea problemas debido al muy corto alcance de la partícula α emitida. Sin embargo, si un átomo de radón pasa a estar en tus pulmones cuando se descompone, el isótopo hijo químicamente reactivo polonio-218 puede llegar a quedar unido irreversiblemente a 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 puede eventualmente causar cáncer de pulmón. El\(\ce{^{218}Po}\) isótopo 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 radiactivo en su lugar. Estimaciones recientes sugieren que la exposición al radón es un factor que contribuye en aproximadamente el 15% de las muertes por cáncer de pulmón. Debido al potencial problema de salud que plantea el radón, muchos estados requieren que las casas sean probadas para detectar radón antes de que puedan venderse. Según estimaciones actuales, el radón representa más de la mitad de la exposición a la radiación de un adulto típico en 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 diagnósticos en medicina y odontología, que son fotones con mucha menor 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—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 esferas de reloj originalmente usaban radio, un emisor alfa altamente tóxico si lo ingieren quienes pintaban las esferas. El radio fue sustituido 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 pantallas de televisión, monitores y diales luminiscentes totaliza aproximadamente 2 mrem/año. Se estima que las consecuencias residuales de ensayos previos de armas nucleares atmosféricas representan aproximadamente el doble de esta cantidad, y la industria de energía nuclear representa menos de 1 mrem/año (aproximadamente lo mismo que un solo vuelo en jet de 4 h).
Calcular la dosis anual de radiación en rads que un estudiante típico de química de 70 kg recibe de los 40 K naturales en su cuerpo, que contiene alrededor de 140 g de potasio (como el ion K +). La abundancia natural de 40 K es 0.0117%. Cada 1.00 mol de 40 K sufre 1.05 × 10 7 decapas/s, y cada evento de decaimiento se acompaña de la emisión de una partícula β de 1.32 MeV.
Dado: masa de estudiante, masa de isótopo, abundancia natural, tasa de descomposición y energía de partícula
Preguntado por: dosis anual de radiación en rads
Estrategia:
- Calcular el número de moles de 40 K presentes usando su masa, masa molar y abundancia natural.
- Determinar el número de desintegraciones por año para esta cantidad de 40 K.
- Multiplique el número de desintegraciones por año por la energía asociada a cada evento de decaimiento. Para obtener la dosis anual de radiación, utilice la masa del estudiante para convertir este valor en rads.
Solución
A El número de moles de 40 K presentes en el cuerpo es el número total de átomos de potasio multiplicado por la abundancia natural de átomos de potasio presentes como 40 K dividido por la masa atómica de 40 K:
\[\textrm{moles }^{40}\textrm K= 140\textrm{ g K} \times \dfrac{0.0117\textrm{ mol }^{40}\textrm K}{100\textrm{ mol K}}\times\dfrac{1\textrm{ mol K}}{40.0\textrm{ g K}}=4.10\times10^{-4}\mathrm{\,mol\,^{40}K} \nonumber \]
B Se nos da el número de átomos de 40 K que se descomponen por segundo en 1.00 mol de 40 K, por lo que el número de desintegraciones por año es el siguiente:
C La energía total que el cuerpo recibe por año de la decadencia de 40 K es igual al número total de desintegraciones por año multiplicado por la energía asociada a cada evento de decaimiento:
Utilizamos la definición del rad (1 rad = 10 −2 J/kg de tejido) para convertir esta cifra en una dosis de radiación en rads. Si asumimos que la dosis se distribuye equitativamente por todo el cuerpo, entonces la dosis de radiación por año es la siguiente:
Esto corresponde a casi la mitad de la radiación de fondo normal que la mayoría de las personas experimentan.
Debido a que el estroncio es químicamente similar al calcio, pequeñas cantidades del ion Sr 2 + son absorbidas por el cuerpo y depositadas en tejidos ricos en calcio como el hueso, utilizando el mismo mecanismo que es responsable de la absorción de Ca 2 +. En consecuencia, el estroncio radiactivo (90 Sr) que se encuentra en los desechos de fisión y liberado por los ensayos de armas nucleares atmosféricas es un problema de salud importante Un cuerpo humano normal de 70 kg tiene aproximadamente 280 mg de estroncio, y cada mol de 90 Sr sufre 4.55 × 10 14 decapas/s por la emisión de una partícula β de 0.546 MeV. ¿Cuál sería la dosis anual de radiación en rads para una persona de 70 kg si 0.10% del estroncio ingerido fueran 90 Sr?
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5.7 × 10 3 rad/año (que es 10 veces la dosis fatal)
Uno de los temas de política pública más polémicos que se debaten hoy es si la exposición a la radiación de fuentes artificiales, cuando se combina con la exposición de fuentes naturales, plantea un riesgo significativo para la salud humana. Los efectos de dosis únicas de radiación de diferentes magnitudes en humanos se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{2}\). Debido a los muchos factores involucrados en la exposición a la radiación (duración de la exposición, intensidad de la fuente, energía y tipo de partícula), es difícil cuantificar los peligros específicos de un radioisótopo frente a otro. Sin embargo, algunas conclusiones generales sobre los efectos de la exposición a la radiación son generalmente aceptadas como válidas.
| Dosis (rem) | Sintomas/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 leve por radiación, vómitos, diarrea, fatiga; sistema inmunológico suprimido; crecimiento óseo en niños retardado |
| > 300 | esterilidad permanente en mujeres |
| > 500 | fatal al 50% dentro de los 30 días; destrucción de médula ósea e 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 en la salud, aunque corresponden a decenas de años de radiación natural. Esto no significa, sin embargo, 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 menores atribuibles a fuentes artificiales (< 100 mrem/año) son más difíciles de evaluar.
Los tejidos más afectados por exposiciones grandes y de todo el cuerpo son la médula ósea, el tejido intestinal, los folículos pilosos y los órganos reproductivos, 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 radiación a largo plazo en moscas de la fruta muestran una relación lineal entre el número de defectos genéticos y tanto la magnitud de la dosis como el tiempo de exposición. Por el contrario, estudios similares en ratones muestran un número mucho menor de defectos cuando una dosis dada de radiación se extiende a lo largo de un largo período de tiempo en lugar de recibirse de una vez. Ambos patrones están trazados en la Figura\(\PageIndex{4}\), pero ¿cuál de los dos es aplicable a los humanos? Según una hipótesis, los ratones tienen un riesgo muy bajo por dosis bajas debido a que sus cuerpos tienen formas de lidiar con el daño causado por la radiación natural. A dosis mucho más altas, sin embargo, sus mecanismos naturales de reparación se ven 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 asume que toda la exposición a la radiación es intrínsecamente dañina 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 mayor 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 la radiación cósmica, que consiste en partículas de alta energía y rayos γ emitidos por el sol y otras estrellas; la radiación cosmogénica, que se produce por la interacción de los rayos cósmicos con los gases en la atmósfera superior; y la radiación terrestre, a partir de elementos radiactivos presentes en Tierra primordial y sus productos de descomposición. Los riesgos de radiación ionizante dependen de la intensidad de la radiación, el modo de exposición y la duración de la exposición.