11.7: Detectar y medir la radiación
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Objetivos de aprendizaje
- Definir unidades para medir la exposición a la radiación
La radiactividad se determina midiendo el número de procesos de decaimiento por unidad de tiempo. Quizás la forma más fácil es simplemente determinar el número de cuentas/minuto, con cada recuento midiendo un solo proceso de decaimiento, como la emisión\(\alpha\) de una partícula. Un isótopo en particular puede tener una actividad de 5,000 cuentas/minuto\(\left( \text{cpm} \right)\) mientras que otro isótopo solo podría tener\(250 \: \text{cpm}\). La cantidad de actividad da una indicación aproximada de la cantidad del radioisótopo presente - cuanto mayor es la actividad, más isótopo de radiactividad en la muestra.
La medición de la exposición a la radiactividad es importante para cualquier persona que trate con materiales radiactivos de forma regular. Quizás el dispositivo más simple es un dosímetro personal, una placa de película que se empañará cuando se exponga a la radiación (Figura\(\PageIndex{1}\)). La cantidad de empañamiento es proporcional a la cantidad de radiación presente. Estos dispositivos no son muy sensibles a bajos niveles de radiación. Los sistemas más sensibles utilizan cristales que responden de alguna manera a la radiactividad registrando el número de emisiones en un tiempo dado. Estos sistemas tienden a ser más sensibles y más confiables que las placas de película.
Cuando las partículas alfa, beta o gamma chocan con un objetivo, parte de la energía en la partícula se transfiere al objetivo, lo que generalmente resulta en la promoción de un electrón a un “estado excitado”. En muchos “objetivos”, especialmente los gases, esto da como resultado la ionización. Un contador Geiger (o contador Geiger-Müller) aprovecha esto para detectar estas partículas (Figura\(\PageIndex{2}\)). En un tubo Geiger, el electrón producido por la ionización de un gas cautivo viaja al ánodo y el cambio de voltaje es detectado por los circuitos conectados.
La mayoría de los contadores de este tipo están diseñados para emitir un “clic” audible en respuesta al cambio de voltaje, y para mostrarlo también en un medidor digital o analógico.
Anteriormente se utilizó masa para indicar la cantidad de sustancia radiactiva presente. Sin embargo, esta es sólo una de varias unidades utilizadas para expresar cantidades de radiación. Algunas unidades describen el número de eventos radiactivos que ocurren por unidad de tiempo, mientras que otras expresan la cantidad de exposición de una persona a la radiación. Se utilizan diversas unidades para medir diversos aspectos de la radiación (Tabla\(\PageIndex{1}\)).
| 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 humanos (rem) | Rem = RBE × rad |
El equivalente roentgen para humanos (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) 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.
La Unidad Becquerel
Quizás la forma directa de reportar radiactividad es el número de desintegraciones radiactivas por segundo. Un decaimiento por segundo se llama un becquerel (Bq). Incluso en una pequeña masa de material radiactivo, sin embargo, hay miles y miles de desintegraciones o desintegraciones por segundo. El becquerel lleva el nombre de Henri Becquerel, quien descubrió la radiactividad en 1896.
La Unidad Curie
El curie\(\left( \text{Ci} \right)\) es una medida de la tasa de descomposición (que lleva el nombre de Pierre y Marie Curie). Un curie equivale a\(3.7 \times 10^{10}\) desintegraciones por segundo. Dado que este es obviamente un número grande y difícil de manejar, la radiación a menudo se expresa en milicuries o microcuries (todavía números muy grandes). El curie lleva el nombre de la científica polaca Marie Curie, quien realizó algunas de las investigaciones iniciales sobre fenómenos radiactivos a principios del siglo XX. El curie se puede utilizar en lugar de gramos para describir cantidades de material radiactivo. Como ejemplo, la cantidad de americio en un detector de humo promedio tiene una actividad de 0.9 µCi.
La Unidad Roentgen
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 Rad
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:
\[1\: rad = 0.010 \: J/kg \quad 1\: Gy = 1\: J/kg \label{Eq3}\]
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.
La Unidad Gris
Otra unidad de absorción de radiación es el gris (Gy):
1 Gy = 100 rad
El rad es más común. Para hacerse una idea de la cantidad de energía que esto representa, considere que la absorción de 1 rad en 70,000 g de H 2 O (aproximadamente la misma masa que una persona de 150 lb) aumentaría su temperatura en solo 0.002°C Esto puede no parecer mucho, pero es suficiente energía para romper aproximadamente 1 × 10 21 enlaces moleculares C-C en el cuerpo de una persona. Esa cantidad de daño no sería deseable.
La Unidad Rem
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 humanos) 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):
\[em = rad × RBE\]
donde RBE es el factor de efectividad biológica relativa es un número mayor o igual a 1 que toma en cuenta el tipo de emisión radiactiva y a veces el tipo de tejido que se expone. Para las partículas beta, el factor RBE es igual a 1. Para las partículas alfa que golpean la mayoría de los tejidos, el factor es 10, pero para el tejido ocular, el factor es 30. La mayoría de las emisiones radiactivas a las que están expuestas las personas son del orden de unas pocas docenas de milirems (mrem) o menos; un rayo X médico es de aproximadamente 20 mrem.
La Unidad Sievert
Un sievert (Sv) está relacionado con la unidad rem y se define como 100 rem. 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).
Evaluación del impacto de la exposición a la radiación
Uno de los temas de política pública más polémicos debatidos 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% en 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 suelen tratarse 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. ¿Cuál de los dos es aplicable a los humanos?
Según una hipótesis, los ratones tienen un riesgo muy bajo por dosis bajas porque 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 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.