11.1: Radiactividad natural

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Objetivos de aprendizaje

Conocer las diferentes fuentes de radiación de fondo.
Describir el impacto biológico de la radiación ionizante
Enumerar fuentes comunes de exposición a la radiación en Estados Unidos.

Radiación de fondo

Todos estamos expuestos a una pequeña cantidad de radiación en nuestra vida diaria. Esta radiación de fondo proviene de fuentes naturales y de radiación producida por humanos. La exposición a rayos X e isótopos de medicina nuclear, fuentes terrestres y radiación cósmica representan casi la mitad de la exposición de fondo del estadounidense promedio. El gas radón, formado a partir de la desintegración de los isótopos de uranio y torio, es responsable de poco más de la mitad de la cantidad total de radiación de fondo. Consulte la tabla a continuación para conocer las fuentes de fondo.

Tabla *\(\PageIndex{1}\)*Fuentes de radiación de fondo
radón	\(54\%\)
productos de consumo	\(3\%\)
medicina nuclear	\(4\%\)
radiación cósmica	\(8\%\)
terrestre	\(8\%\)
interno	\(11\%\)
radiografías	\(11\%\)
otro	\(1\%\)

El problema del radón

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 poco a poco 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\(\PageIndex{1}\)).

Se muestra una imagen recortada del costado de una casa y cuatro capas del suelo sobre el que descansa, así como una segunda imagen recortada de la cabeza y la cavidad torácica de una persona. La casa se muestra con un baño en el segundo piso y un sótano con calentador de agua como primer piso. Las flechas verdes conducen desde la capa inferior del suelo, etiquetada como “radón en el agua subterránea”, desde la tercera capa del suelo, etiquetada como “Roca rocosa” y “Roca rocosa fracturada”, desde la segunda capa, etiquetada como “radón en agua de pozo” y desde la capa superior, etiquetada como “radón en el suelo hasta el interior del área del sótano. En la imagen más pequeña del torso, se muestra una flecha verde para ingresar al conducto nasal de la persona y viajar a los pulmones. Esto está etiquetado como “Inhalación de productos de descomposición de radón”. Una pequeña estructura helicoidal y enrollada junto al torso está etiquetada como “partícula alfa” en una sección donde tiene un patrón de estallido estelar y “Daño por radiación a D N A” en otro segmento. — Figura\(\PageIndex{1}\): El radón-222 se filtra en casas y otros edificios a partir de rocas que contienen uranio-238, un emisor de radón. El radón entra a través de grietas en cimientos de concreto y sótanos, cimientos de piedra o bloques de cemento porosos, y aberturas para tuberías de agua y gas.

El radón se encuentra en edificios de todo el país, con cantidades dependiendo de dónde vivas. La concentración promedio de radón dentro de las casas en EU (1.25 pCi/l) es aproximadamente tres veces los niveles que se encuentran 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\(\PageIndex{2}\)). 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 muestran tres fotografías etiquetadas con “a”, “b” y “c”. La foto a muestra un mostrador Geiger sentado sobre una mesa. Se compone de una caja metálica con una pantalla de lectura y un cable que se aleja de la caja conectado a una varita de sensor. La fotografía b muestra una colección de tubos verticales altos y cortos dispuestos en una agrupación, mientras que la fotografía c muestra la mano de una persona sosteniendo una pequeña máquina con lectura digital mientras está de pie al borde de una calzada. — Figura\(\PageIndex{2}\): Para medir la radiación se pueden utilizar dispositivos como (a) contadores Geiger, (b) centelleadores y (c) dosímetros. (crédito c: modificación de obra por “OsamU” /Wikimedia commons).

Daño por radiación a las células

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 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 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\(\PageIndex{3}\)).

Se muestra un diagrama que tiene una esfera blanca seguida de una flecha orientada hacia la derecha y una esfera grande compuesta por muchas esferas blancas y verdes más pequeñas. La esfera única ha impactado en la esfera más grande. Una flecha orientada hacia la derecha conduce desde la esfera más grande a un par de esferas más pequeñas que son colecciones de las mismas esferas blancas y verdes. Un patrón de estallido estelar se encuentra entre estas dos esferas y tiene tres flechas orientadas hacia la derecha que van desde ella a dos esferas blancas y un círculo lleno de diez círculos más pequeños de color durazno con puntos morados en sus centros. Una flecha conduce hacia abajo desde este círculo a una caja que contiene una forma helicoidal con un estallido estelar cerca de su lado superior izquierdo y está etiquetada como “D N A daño”. Una flecha orientada hacia la derecha conduce de este círculo a un segundo círculo, con nueve círculos más pequeños de color durazno con puntos morados en sus centros y un pequeño círculo completamente púrpura etiquetado como “Célula cancerosa”. Una flecha orientada hacia la derecha conduce a un círculo final, esta vez lleno de las células moradas, que se etiqueta como “Tumor”. — Figura\(\PageIndex{3}\): La radiación puede dañar los sistemas biológicos al dañar el ADN de las células. Si este daño no se repara adecuadamente, las células pueden dividirse de manera incontrolada y causar cáncer.

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.

Radiación ionizante frente a radiación 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\(\PageIndex{4}\)).

<div data-mt-source="1" — Figura\(\PageIndex{4}\): La radiación electromagnética de menor frecuencia y menor energía es no ionizante, y la radiación electromagnética de mayor frecuencia y mayor energía es ionizante.

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:

Figura\(\PageIndex{5}\): La radiación ionizante puede (a) dañar directamente una biomolécula al ionizarla o romper sus enlaces, o (b) crear 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.

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\(\PageIndex{6}\), la persona promedio está expuesta a la radiación de fondo, incluidos los rayos cósmicos del sol y el radón del uranio en el suelo; radiación de exposición médica, incluyendo tomografías catópicas, pruebas de radioisótopos, rayos X, 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 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).

Se muestra una gráfica de barras titulada “Dosis de Radiación y Límites Regulatorios, paréntesis abierta, en Millirems, paréntesis cerrada”. El eje y está etiquetado como “Dosis en Millirems” y tiene valores de 0 a 5000 con una ruptura entre 1000 y 5000 para indicar una escala diferente a la parte superior de la gráfica. El eje y se etiqueta correspondiente a cada barra. La primera barra, medida a 5000 en el eje y, se dibuja en rojo y se etiqueta como “Límite Anual de Dosis de Trabajador Nuclear, paréntesis abierto, N R C, paréntesis cerrada”. La segunda barra, medida a 1000 en el eje y, se dibuja en azul y se etiqueta como “Cuerpo entero C T” mientras que la tercera barra, medida a 620 en el eje y, se dibuja en azul y se etiqueta como “Promedio U periodo S periodo Dosis Anual”. La cuarta barra, medida a 310 en el eje y, se dibuja en azul y se etiqueta como “U periodo S periodo Dosis de Fondo Natural” mientras que la quinta barra, medida a 100 en el eje y y dibujada en rojo dice “Límite Anual de Dosis Pública, paréntesis abierto, N R C, cerrar paréntesis”. La sexta barra, medida a 40 en el eje y, se dibuja en azul y se etiqueta como “De tu cuerpo” mientras que la séptima barra, medida a 30 en el eje y y dibujada en azul dice “Rayos cósmicos”. La octava barra, medida a 4 en el eje y, se dibuja en azul y se etiqueta como “Límite de agua potable segura, paréntesis abierta, E P A, paréntesis cerrada” mientras que la novena barra, medida a 2.5 en el eje y y dibujada en rojo dice “Vuelo Trans Atlántico”. Una leyenda en la gráfica muestra que rojo significa “Límite de dosis de N R C dash actividad licenciada” mientras que azul significa “Dosis de radiación”. — Figura\(\PageIndex{6}\) La exposición total anual a la radiación para una persona en Estados Unidos es de aproximadamente 620 mrem. Las diversas fuentes y sus cantidades relativas se muestran en esta gráfica de barras. (fuente: Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos).

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\(\PageIndex{2}\)

Tabla Efectos\(\PageIndex{2}\) de la Radiación en la Salud
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 de la conciencia;	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

Se define la radiación de fondo y se listan diferentes fuentes de radiación de fondo.
Estamos constantemente expuestos a la radiación de una variedad de fuentes naturales y producidas por humanos.
Diversos dispositivos, incluyendo contadores Geiger, centelleadores y dosímetros, se utilizan para detectar y medir la radiación, y monitorear la exposición a la radiación.
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.

Colaboradores y Atribuciones

CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
US Environmental Protection Agency
Paul Flowers (University of North Carolina - Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) and Richard Langley (Stephen F. Austin State University) with contributing authors. Textbook content produced by OpenStax College is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. Download for free at http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).
Marisa Alviar-Agnew (Sacramento City College)