11.6: Radiación ionizante

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Objetivos de aprendizaje

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\(α\) partícula puede actuar como un poderoso oxidante.

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:

\[\text{1 MeV/particle} = \text{96 billion J/mol}.\]

Figura\(\PageIndex{1}\): Daño por Radiación. Cuando las partículas de alta energía emitidas por la desintegración radiactiva interactúan con la materia, pueden romper enlaces o ionizar moléculas, resultando en cambios en las propiedades físicas como la ductilidad o el color. El aislante eléctrico de vidrio de la izquierda no ha sido expuesto a radiación, pero el aislante de la derecha ha recibido dosis intensas de radiación durante un largo periodo de tiempo. El daño por radiación cambió la estructura química del vidrio, haciendo que se volviera azul brillante.

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 dónde puede penetrar en la materia
La energía de las partículas individuales o fotones
El número de partículas o fotones que golpean un área determinada por unidad de tiempo
La naturaleza química de la sustancia expuesta a la radiación

Debido a su alta carga y masa,\(α\) la radiación 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,\(γ\) los rayos, 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\(γ\) los rayos. Debido a que\(β\) las partículas son intermedias en masa y carga entre\(α\) partículas y\(γ\) rayos, 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,\(γ\) los rayos 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\(\PageIndex{1}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): Algunas propiedades de la radiación ionizante
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.
\(\alpha\)partículas	3—9	< 0.05 mm	< 10 cm
\(\beta\)partículas	≤ 3	< 4 mm	1 m
Rayos X	<10 ⁻²	< 1 cm	< 3 m
\(\gamma\)rayos	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 ser utilizado para describir la exposición cuantitativa. El nombre del físico alemán Wilhelm Röntgen (1845—1923; Premio Nobel de Física, 1901), quien descubrió los rayos X. 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\(α\) las partículas tienen una masa y carga mucho mayores que\(β\) las partículas o\(γ\) los rayos, la diferencia de masa entre\(α\) y\(β\) partículas 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\(α\) partículas es mucho mayor que el daño causado por 1 rad de\(β\) partículas o\(γ\) rayos.

Wilhelm Rontgen

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.

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\(γ\) los rayos 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.