21.6: Efectos Biológicos de la Radiación
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- Describir el impacto biológico de la radiación ionizante.
- Definir unidades para medir la exposición a la radiación.
- Explicar el funcionamiento de herramientas comunes para detectar radiactividad.
- Enumerar fuentes comunes de exposición a la radiación en Estados Unidos.
El aumento del uso de radioisótopos ha provocado una mayor preocupación por los efectos de estos materiales en los sistemas biológicos (como los humanos). Todos los nuclidos 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 reacciones de desintegración nuclear poseen energías mucho más altas que las energías de enlace químico ordinarias. Cuando estas partículas golpean y penetran en la materia, producen iones y fragmentos moleculares que son extremadamente reactivos. El daño que esto hace a las biomoléculas en los organismos vivos puede causar graves disfunciones en los procesos celulares normales, gravando los mecanismos de reparación del organismo y posiblemente causando enfermedades o incluso la muerte (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Radiación ionizante vs. no ionizante
Hay una gran diferencia en la magnitud de los efectos biológicos de la radiación no ionizante (por ejemplo, la luz y las microondas) y la radiación ionizante, las emisiones lo suficientemente energéticas como para eliminar electrones de las moléculas (por ejemplo, partículas α y β, rayos γ, rayos X y alta energía radiación ultravioleta) (Figura\(\PageIndex{2}\)).
La energía absorbida por la radiación no ionizante acelera el movimiento de átomos y moléculas, lo que equivale a calentar la muestra. Si bien los sistemas biológicos son sensibles al calor (como podríamos saber por tocar una estufa caliente o pasar un día en la playa al sol), es necesaria una gran cantidad de radiación no ionizante antes de alcanzar niveles peligrosos. La radiación ionizante, sin embargo, puede causar daños mucho más severos al romper enlaces o eliminar electrones en moléculas biológicas, alterando su estructura y función. El daño también se puede hacer indirectamente, ionizando primero 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:
Efectos Biológicos de la Exposición a la Radiación
La radiación puede dañar tanto a todo el cuerpo (daño somático) como a los óvulos y espermatozoides (daño genético). Sus efectos son más pronunciados en células que se reproducen rápidamente, como el revestimiento del estómago, los folículos pilosos, la médula ósea y los embriones. Es por ello que las pacientes que se someten a radioterapia suelen sentir náuseas o enfermedades estomacales, pierden cabello, tienen dolores óseos, etc., y por qué se debe tener especial cuidado cuando se someten a radioterapia durante el embarazo.
Los diferentes tipos de radiación tienen diferentes capacidades para pasar a través del material (Figura\(\PageIndex{4}\)). Una barrera muy delgada, como una hoja o dos de papel, o la capa superior de células de la piel, generalmente detiene las partículas alfa. Debido a 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 función Química en la vida cotidiana en la exposición al radón). Las partículas beta pasarán a través de una mano, o una fina capa de material como papel o madera, pero son detenidas por una fina capa de metal. La radiación gamma es muy penetrante y puede pasar a través de una gruesa capa de la mayoría de los materiales. Alguna radiación gamma de alta energía es capaz de pasar a través de unos pocos pies de concreto. Ciertos elementos densos de alto número atómico (como el plomo) pueden atenuar eficazmente la radiación gamma con material más delgado y se utilizan para 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 de poder ionizante de los neutrones que se mueven rápidamente, aproximadamente 10 veces el de las partículas β, y aproximadamente 20 veces el de los rayos γ y los rayos X.
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 semivida de 3.82 días. Es uno de los productos de la serie de desintegración radiactiva del U-238, la cual se encuentra en trazas en suelo y rocas. El gas radón que se produce escapa lentamente del suelo y gradualmente se filtra en los hogares y otras estructuras de arriba. Al ser aproximadamente ocho veces más denso que el aire, el gas radón se acumula en sótanos y pisos inferiores, y se difunde lentamente por los edificios (Figura\(\PageIndex{5}\)).
El radón se encuentra en edificios de todo el país, con cantidades que dependen de la ubicación. La concentración promedio de radón dentro de las casas en EU (1.25 pCi/l) es aproximadamente tres veces el nivel que se encuentra en el aire exterior, y aproximadamente una de cada seis casas tiene niveles de radón lo suficientemente altos como para que se recomienden esfuerzos de remediación para reducir la concentración de radón. La exposición al radón aumenta el riesgo de contraer cáncer (especialmente cáncer de pulmón), y los niveles altos de radón pueden ser tan malos para la salud como fumar una caja de cigarrillos al día. El radón es la causa número uno 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 mil muertes en Estados Unidos al año.
Medición de la exposición a radiación
Se utilizan varios dispositivos diferentes para detectar y medir la radiación, incluyendo contadores Geiger, contadores de centelleo (centelleadores) y dosímetros de radiación (Figura\(\PageIndex{6}\)). Probablemente el instrumento de radiación más conocido, el contador Geiger (también llamado 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 se excita por radiación ionizante, y un sensor que convierte la luz en una señal eléctrica. Los dosímetros de radiación también miden la radiación ionizante y a menudo se utilizan para determinar la exposición personal a la radiación. Los tipos de uso común son los dosímetros electrónicos, placa de película, termoluminiscentes y fibra de cuarzo.
Se utilizan diversas unidades para medir diversos aspectos de la radiación (Tabla\(\PageIndex{1}\)). La unidad SI para 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 utilizan frecuentemente en medicina (1 curie = 1 Ci =\(3.7 \times 10^{10}\) desintegraciones por segundo). La unidad SI para medir la dosis de radiación es el gris (Gy), con 1 Gy = 1 J de energía absorbida por kilogramo de tejido. En aplicaciones médicas, la dosis absorbida de radiación (rad) es más utilizada (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 toma en cuenta tanto la energía como los efectos biológicos del tipo de radiación involucrada en la dosis de radiación.
Propósito de medición | Unidad | Cantidad medida | Descripción |
---|---|---|---|
actividad de la fuente | becquerel (Bq) | desintegraciones o emisiones radiactivas | cantidad de muestra que sufre 1 decaimiento/segundo |
curie (Ci) | cantidad de muestra que se somete\(\mathrm{3.7 \times 10^{10}\; decays/second}\) | ||
dosis absorbida | gris (Gy) | energía absorbida por kg de tejido | 1 Gy = 1 J/kg de tejido |
dosis absorbida por radiación (rad) | 1 rad = 0.01 J/kg de tejido | ||
dosis biológicamente efectiva | sievert (Sv) | daño tisular | Sv = RBE × Gy |
roentgen equivalente para hombre (rem) | Rem = RBE × rad |
El equivalente roentgen para el hombre (rem) es la unidad de daño por radiación que se utiliza con mayor frecuencia en 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 denominado RBE (para la efectividad biológica relativa), es decir, 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.
El cobalto-60 (t 1/2 = 5.26 y) se utiliza en la terapia del cáncer ya que\(\gamma\) los rayos que emite pueden enfocarse en áreas pequeñas donde se localiza el cáncer. Una muestra de 5.00-g de Co-60 está disponible para el tratamiento del cáncer.
- ¿Cuál es su actividad en Bq?
- ¿Cuál es su actividad en Ci?
Solución
La actividad viene dada por:
\[\textrm{Activity}=λN=\left( \dfrac{\ln 2}{t_{1/2} } \right) N=\mathrm{\left( \dfrac{\ln 2}{5.26\ y} \right) \times 5.00 \ g=0.659\ \dfrac{g}{y} \ of\ \ce{^{60}Co} \text{ that decay}} \nonumber \]
Y para convertir esto a decae 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:
\[\mathrm{2.10 \times 10^{14} \frac{decay}{s} \times \left( \dfrac{1\ Ci}{3.7 \times 10^{11} \frac{decay}{s}} \right) =5.7 \times 10^2\;Ci} \nonumber \]
El tritio es un isótopo radiactivo de hidrógeno (\(t_{1/2} = \mathrm{12.32\; years}\)) que tiene varios usos, incluida la iluminación autoalimentada, en la que los electrones emitidos en la desintegración radiactiva del tritio hacen que el fósforo brille. Su núcleo contiene un protón y dos neutrones, y la masa atómica del tritio es de 3.016 amu. ¿Cuál es la actividad de una muestra que contiene 1.00mg de tritio (a) en Bq y (b) en Ci?
- Contestar a
-
\(\mathrm{3.56 \times 10^{11} Bq}\)
- Respuesta b
-
\(\mathrm{0.962\; Ci}\)
Efectos de la exposición a la radiación a largo plazo 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 de fondo, incluidos los rayos cósmicos del sol y el radón del uranio en el suelo (ver la característica Química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón); radiación por exposición médica, incluyendo tomografías catóricas, pruebas de radioisótopos, X- rayos, etc.; y pequeñas cantidades de radiación de otras actividades humanas, como vuelos de avión (que son bombardeados por un mayor número de rayos cósmicos en la atmósfera superior), radiactividad de productos de consumo y una variedad de radionúclidos 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).
Una dosis repentina a corto plazo de una gran cantidad de radiación puede causar una amplia gama de efectos en la salud, desde cambios en la química de la sangre hasta la muerte. La exposición a corto plazo a decenas de rems de radiación probablemente provocará 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, lo cual es otra razón por la que es importante evitar cualquier exposición innecesaria a la radiación. Los efectos sobre la salud de la exposición a corto plazo a la radiación se muestran en la\(\PageIndex{2}\)
Exposición (rem) | Efecto en la Salud | Tiempo hasta el inicio (sin tratamiento) |
---|---|---|
5—10 | cambios en la química de la sangre | — |
50 | náusea | horas |
55 | fatiga | — |
70 | vómitos | — |
75 | caída del cabello | 2—3 semanas |
90 | diarrea | — |
100 | hemorragia | — |
400 | posible muerte | dentro de 2 meses |
1000 | destrucción del revestimiento intestinal | — |
hemorragia interna | — | |
muerte | 1—2 semanas | |
2000 | daño al sistema nervioso central | — |
pérdida del conocimiento | minutos | |
muerte | horas a días |
Es imposible evitar alguna exposición a la radiación ionizante. Estamos constantemente expuestos a la radiación de fondo de una variedad de fuentes naturales, incluyendo 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 humanos. Esta radiación puede afectar a los organismos vivos. La radiación ionizante es la más dañina debido a que puede ionizar moléculas o romper enlaces químicos, lo que daña la molécula y causa disfunciones en los procesos celulares. También puede crear radicales hidroxilo reactivos que dañan las moléculas biológicas e interrumpen 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 de penetrar material y dañar el tejido, siendo las partículas alfa las menos penetrantes, pero potencialmente más dañinas, y los rayos gamma los más penetrantes.
Diversos dispositivos, incluyendo contadores Geiger, centelleadores y dosímetros, se utilizan para detectar y medir la radiación, y monitorear la exposición a la radiación. Utilizamos varias unidades para medir la radiación: becquereles o curies para tasas de desintegración radiactiva; grises o rads para la energía absorbida; y rems o sieverts para efectos biológicos de la radiación. La exposición a la radiación puede causar una amplia gama de efectos sobre la salud, de menores a graves, incluyendo la muerte. Podemos minimizar los efectos de la radiación protegiendo con materiales densos como el plomo, alejándonos de la fuente de radiación y limitando el tiempo de exposición.
Notas al pie
- 1 Fuente: Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos
Glosario
- becquerel (Bq)
- Unidad SI para tasa de desintegración radiactiva; 1 Bq = 1 desintegración/s.
- curie (Ci)
- Unidad mayor para tasa de desintegración radiactiva utilizada frecuentemente en medicina; 1 Ci = 3.7 × 10 10 desintegraciones/s.
- Contador Geiger
- Instrumento que detecta y mide la radiación a través de la ionización producida en un tubo Geiger-Müller.
- gris (Gy)
- Unidad SI para medir la dosis de radiación; 1 Gy = 1 J absorbido/kg de tejido.
- radiación ionizante
- Radiación que puede hacer que una molécula pierda un electrón y forme un ion.
- milicurie (mCi)
- Unidad mayor para tasa de desintegración radiactiva utilizada frecuentemente en medicina; 1 Ci = 3.7 × 10 10 desintegraciones/s.
- radiación no ionizante
- Radiación que acelera el movimiento de átomos y moléculas; equivale a calentar una muestra, pero no es lo suficientemente energética como para provocar la ionización de moléculas.
- dosis absorbida por radiación (rad)
- Unidad SI para medir la dosis de radiación, frecuentemente utilizada en aplicaciones médicas; 1 rad = 0.01 Gy.
- dosímetro de radiación
- Dispositivo que mide la radiación ionizante y se utiliza para determinar la exposición personal a la radiación.
- efectividad biológica relativa (EPR)
- Medida del daño relativo causado por la radiación.
- roentgen hombre equivalente (rem)
- Unidad de daño por radiación, de uso frecuente en medicina; 1 rem = 1 Sv.
- contador de centelleo
- Instrumento que utiliza un centelleador, un material que emite luz cuando se excita por radiación ionizante, para detectar y medir la radiación.
- sievert (Sv)
- Unidad SI que mide el daño tisular causado por la radiación; toma en cuenta la energía y los efectos biológicos de la radiación.