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Radiación ionizante

Símbolo de advertencia de radiación ionizante La radiación ionizante , también escrita como radiación ionizante , consiste en partículas subatómicas u ondas electromagnéticas qu...

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Símbolo de advertencia de radiación ionizante

La radiación ionizante , también escrita como radiación ionizante , consiste en partículas subatómicas u ondas electromagnéticas que tienen suficiente energía por fotón o partícula individual para ionizar átomos o moléculas al desprenderles electrones . [ 1 ] Algunas partículas pueden viajar hasta el 99 % de la velocidad de la luz ; sus ondas electromagnéticas se encuentran en la porción de alta energía del espectro electromagnético .

Los rayos gamma , los rayos X y la parte ultravioleta de alta energía del espectro electromagnético son radiación ionizante. La radiación ultravioleta de baja energía, la luz visible , la radiación infrarroja , las microondas y las ondas de radio son radiación no ionizante . Casi todos los tipos de luz láser son radiación no ionizante.

El límite entre la radiación ionizante y la no ionizante en el rango ultravioleta no puede definirse con precisión, ya que diferentes moléculas y átomos se ionizan a diferentes energías . La energía de la radiación ionizante comienza alrededor de los 10 electronvoltios (eV). [ 2 ] 

Las partículas subatómicas ionizantes incluyen partículas alfa , partículas beta y neutrones . Estas partículas se crean por desintegración radiactiva y casi todas tienen la energía suficiente para ionizar. También hay partículas cósmicas secundarias producidas después de que los rayos cósmicos interactúan con la atmósfera terrestre, incluyendo muones , mesones y positrones . [ 3 ] [ 4 ] Los rayos cósmicos también pueden producir radioisótopos en la Tierra (por ejemplo, carbono-14 ), que a su vez se desintegran y emiten radiación ionizante. Los rayos cósmicos y la desintegración de isótopos radiactivos son las fuentes primarias de radiación ionizante natural en la Tierra, contribuyendo a la radiación de fondo . La radiación ionizante también se genera artificialmente mediante tubos de rayos X , aceleradores de partículas y fisión nuclear .

La radiación ionizante no es inmediatamente detectable por los sentidos humanos, por lo que se utilizan instrumentos como los contadores Geiger para detectarla y medirla. Sin embargo, las partículas de muy alta energía pueden producir efectos visibles tanto en la materia orgánica como inorgánica (por ejemplo, la iluminación del agua en la radiación Cherenkov ) o en los seres humanos (por ejemplo, el síndrome de radiación aguda ). [ 5 ]

La radiación ionizante se utiliza en una amplia variedad de campos como la medicina , la energía nuclear , la investigación y la fabricación industrial, pero representa un riesgo para la salud si no se toman las medidas adecuadas contra la exposición excesiva. La exposición a la radiación ionizante causa daño celular en los tejidos vivos y daño orgánico . En dosis agudas elevadas, produce quemaduras por radiación y síndrome de irradiación aguda , y dosis más bajas durante un tiempo prolongado pueden causar cáncer . [ 6 ] [ 7 ] La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) emite directrices sobre la protección contra la radiación ionizante y los efectos de la exposición a la dosis en la salud humana.

Radiación ionizante directa

La radiación alfa ( α ) consiste en un núcleo de helio-4 ( ⁴He ) de rápido movimiento y es detenida por una hoja de papel. La radiación beta ( β ), que consiste en electrones , es detenida por una placa de aluminio. La radiación gamma ( γ ), que consiste en fotones energéticos , es absorbida al penetrar un material denso. La radiación neutrónica ( n ) consiste en neutrones libres que son bloqueados por elementos ligeros, como el hidrógeno, que los ralentizan o capturan. No se muestran: rayos cósmicos galácticos que consisten en núcleos cargados energéticos como protones , núcleos de helio y núcleos de alta carga llamados iones HZE .
Las cámaras de niebla se utilizan para visualizar la radiación ionizante. Esta imagen muestra las trayectorias de las partículas, que ionizan el aire saturado y dejan un rastro de vapor de agua.

La radiación ionizante puede clasificarse como ionizante directa o indirecta.

Cualquier partícula cargada con masa puede ionizar átomos directamente mediante interacción fundamental a través de la fuerza de Coulomb si tiene suficiente energía cinética. Dichas partículas incluyen núcleos atómicos , electrones , muones , piones cargados , protones y núcleos cargados energéticos desprovistos de sus electrones. Cuando se mueven a velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz , c), estas partículas tienen suficiente energía cinética para ionizar, pero existe una variación considerable de velocidad. Por ejemplo, una partícula alfa típica se mueve a aproximadamente el 5% de c , pero un electrón con 33  eV (justo lo suficiente para ionizar) se mueve a aproximadamente el 1% de c .

Dos de los primeros tipos de radiación directamente ionizante que se descubrieron fueron las partículas alfa , que son núcleos de helio expulsados ​​del núcleo de un átomo durante la desintegración radiactiva, y los electrones energéticos, que se denominan partículas beta .

Los rayos cósmicos naturales están compuestos principalmente por protones relativistas, pero también incluyen núcleos atómicos más pesados ​​como iones de helio e iones HZE . En la atmósfera, estas partículas suelen ser detenidas por las moléculas de aire, lo que produce piones cargados de corta duración que pronto se desintegran en muones, un tipo primario de radiación de rayos cósmicos que llega a la superficie terrestre. Los piones también pueden producirse en grandes cantidades en aceleradores de partículas .

partículas alfa

Las partículas alfa (α) constan de dos protones y dos neutrones unidos en una partícula: un núcleo de helio -4 . Las emisiones de partículas alfa se producen generalmente en el proceso de desintegración alfa .

Las partículas alfa son una forma de radiación altamente ionizante, pero cuando se emiten por desintegración radiactiva tienen un bajo poder de penetración y pueden ser absorbidas por unos pocos centímetros de aire o por la capa superficial de la piel humana. Las partículas alfa más potentes, provenientes de la fisión ternaria, son tres veces más energéticas y penetran proporcionalmente más en el aire. Los núcleos de helio, que forman entre el 10 % y el 12 % de los rayos cósmicos, también suelen tener una energía mucho mayor que los provenientes de la desintegración radiactiva y plantean problemas de blindaje en el espacio. Sin embargo, este tipo de radiación es absorbida significativamente por la atmósfera terrestre, que actúa como un escudo contra la radiación equivalente a unos 10 metros de agua. [ 8 ]

La partícula alfa fue nombrada por Ernest Rutherford en honor a la primera letra del alfabeto griego , α , cuando clasificó las emisiones radiactivas conocidas en orden descendente de efecto ionizante en 1899. Su símbolo es α o α²⁺ . Debido a que son idénticas a los núcleos de helio, también se las denomina He²⁺ o ⁴²He²⁺ .indica helio con una carga de +2 e (le faltan sus dos electrones). Si el ion gana electrones de su entorno, la partícula α se puede escribir como un átomo de helio normal (eléctricamente neutro) 4 2 He . 

partículas beta

Las partículas beta (β) son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos , como el potasio-40 . La producción de partículas β se denomina desintegración beta . Existen dos formas de desintegración β, β⁻ y β⁺ , que dan lugar respectivamente al electrón y al positrón. [ 9 ] Las partículas beta son mucho menos penetrantes que la radiación gamma, pero más penetrantes que las partículas alfa.

Las partículas beta de alta energía pueden producir rayos X conocidos como bremsstrahlung ("radiación de frenado") o electrones secundarios ( rayos delta ) al atravesar la materia. Ambos pueden causar un efecto de ionización indirecta. El bremsstrahlung es importante al blindar emisores beta, ya que la interacción de las partículas beta con algunos materiales de blindaje produce bremsstrahlung. El efecto es mayor con materiales de alto número atómico, por lo que se utilizan materiales de bajo número atómico para el blindaje de fuentes beta.

Positrones y otros tipos de antimateria

El positrón o antielectrón es la antipartícula o antimateria contraparte del electrón . Cuando un positrón de baja energía colisiona con un electrón de baja energía, se produce la aniquilación , lo que resulta en su conversión en la energía de dos o más fotones gamma (véase aniquilación electrón-positrón ). Dado que los positrones son partículas con carga positiva, pueden ionizar directamente un átomo mediante interacciones de Coulomb.

Los positrones pueden generarse mediante la emisión de positrones, la desintegración nuclear (a través de interacciones débiles ) o la producción de pares a partir de un fotón con suficiente energía . Los positrones son fuentes artificiales comunes de radiación ionizante que se utilizan en las tomografías por emisión de positrones (PET) médicas .

núcleos cargados

Los núcleos cargados son característicos de los rayos cósmicos galácticos y los eventos de partículas solares y, a excepción de las partículas alfa (núcleos de helio cargados), no tienen fuentes naturales en la Tierra. Sin embargo, en el espacio, los protones de muy alta energía, los núcleos de helio y los iones HZE pueden ser detenidos inicialmente por capas relativamente delgadas de blindaje, ropa o piel. No obstante, la interacción resultante generará radiación secundaria y provocará efectos biológicos en cascada. Si tan solo un átomo de tejido es desplazado por un protón energético, por ejemplo, la colisión provocará interacciones adicionales en el cuerpo. Esto se denomina " transferencia lineal de energía " (LET), que utiliza la dispersión elástica .

La LET puede visualizarse como una bola de billar que golpea a otra según la conservación del momento , repeliendo a ambas con la energía de la primera dividida de forma desigual. Cuando un núcleo cargado choca con el núcleo de un objeto en el espacio que se mueve relativamente lento, se produce la LET y los neutrones, las partículas alfa, los protones de baja energía y otros núcleos se liberan por las colisiones y contribuyen a la dosis total absorbida por el tejido. [ 10 ]

Radiación ionizante indirecta

La radiación ionizante indirecta es eléctricamente neutra y no interactúa fuertemente con la materia; por lo tanto, la mayor parte de los efectos de ionización se deben a la ionización secundaria.

Radiación fotónica

Diferentes tipos de radiación electromagnética
Coeficiente de absorción total del plomo (número atómico 82) para rayos gamma, representado en función de la energía gamma, y ​​contribuciones de los tres efectos. El efecto fotoeléctrico predomina a bajas energías, pero por encima de 5  MeV, la producción de pares comienza a predominar.

Aunque los fotones son eléctricamente neutros, pueden ionizar átomos indirectamente mediante el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton . Cualquiera de estas interacciones provoca la eyección de un electrón de un átomo a velocidades relativistas, convirtiéndolo en una partícula beta (secundaria) que ionizará otros átomos. Dado que la mayoría de los átomos ionizados se deben a las partículas beta secundarias , los fotones son radiación ionizante indirecta. [ 11 ]

Los fotones radiactivos se denominan rayos gamma si se producen por una reacción nuclear , la desintegración de partículas subatómicas o la desintegración radiactiva dentro del núcleo. Se denominan rayos X si se producen fuera del núcleo. El término genérico «fotón» se utiliza para describir ambos. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Los rayos X normalmente tienen una energía menor que los rayos gamma, y ​​una convención antigua era definir el límite como una longitud de onda de 10⁻¹¹ m (o una energía fotónica de 100  keV). [ 15 ] Ese umbral estaba determinado por las limitaciones históricas de los tubos de rayos X antiguos y el escaso conocimiento de las transiciones isoméricas . Las tecnologías y descubrimientos modernos han demostrado una superposición entre las energías de los rayos X y los rayos gamma. En muchos campos son funcionalmente idénticos, diferenciándose para los estudios terrestres solo en el origen de la radiación. Sin embargo, en astronomía, donde el origen de la radiación a menudo no se puede determinar de forma fiable, se ha conservado la antigua división de energía, definiendo los rayos X como aquellos con una energía entre aproximadamente 120  eV y 120  keV, y los rayos gamma como aquellos con cualquier energía superior a 100-120 keV, independientemente de la fuente. Se sabe que la mayoría de los " rayos gamma "  astronómicos no se originan a partir de la radiactividad, sino que resultan de procesos similares a los que producen los rayos X astronómicos, pero impulsados ​​por electrones mucho más energéticos.

La absorción fotoeléctrica es el mecanismo dominante en materiales orgánicos para energías de fotones inferiores a 100  keV, típicas de los rayos X generados por tubos de rayos X clásicos . A energías superiores a 100  keV, los fotones ionizan la materia progresivamente mediante el efecto Compton , y posteriormente de forma indirecta mediante la producción de pares a energías superiores a 5  MeV. El diagrama de interacción adjunto muestra dos dispersiones Compton que ocurren secuencialmente. En cada evento de dispersión, el rayo gamma transfiere energía a un electrón, que continúa su trayectoria en una dirección diferente y con energía reducida.

Límite de definición para fotones de baja energía

La energía de ionización más baja de cualquier elemento es de 3,89  eV, para el cesio . Sin embargo, el material de la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. define la radiación ionizante como aquella con una energía de fotón mayor de 10  eV (equivalente a una longitud de onda ultravioleta lejana de 124 nanómetros ). [ 2 ] Aproximadamente, esto corresponde tanto a la primera energía de ionización del oxígeno como a la energía de ionización del hidrógeno, ambas alrededor de 14  eV. [ 16 ] En algunas referencias de la Agencia de Protección Ambiental , la ionización de una molécula de agua típica a una energía de 33  eV se menciona [ 17 ] como el umbral biológico apropiado para la radiación ionizante: este valor representa el llamado valor W , el nombre coloquial para la energía media gastada en un gas por par de iones formado por la ICRU , [ 18 ] que combina la energía de ionización más la energía perdida en otros procesos como la excitación . [ 19 ] A una longitud de onda de 38 nanómetros para la radiación electromagnética , 33 eV está cerca de la energía en la transición convencional de longitud de onda de 10 nm entre la radiación ultravioleta extrema y la radiación de rayos X, que ocurre alrededor de 125 eV. Por lo tanto, la radiación de rayos X siempre es ionizante, pero solo la radiación ultravioleta extrema puede considerarse ionizante según todas las definiciones.   

Neutrones

Los neutrones tienen carga eléctrica neta cero [ 20 ] y, por lo tanto, se clasifican como radiación ionizante indirecta [ 21 ] . A diferencia de las partículas cargadas, normalmente no ionizan los átomos directamente a través de interacciones electrostáticas de largo alcance. Sin embargo, los neutrones rápidos interactúan con los protones del hidrógeno mediante transferencia lineal de energía , energía que una partícula transfiere al material a través del cual se mueve. Este mecanismo dispersa los núcleos de los materiales en el área objetivo, causando la ionización directa de los átomos de hidrógeno. Cuando los neutrones chocan con los núcleos de hidrógeno, se produce radiación de protones (protones rápidos). Estos protones son ionizantes por sí mismos porque tienen alta energía, están cargados e interactúan con los electrones.

Los neutrones que impactan contra núcleos distintos del hidrógeno transfieren menos energía a la otra partícula si se produce una transferencia de energía lineal. Sin embargo, en muchos núcleos impactados por neutrones, se produce dispersión inelástica . El tipo de dispersión (elástica o inelástica) depende de la velocidad del neutrón, ya sea rápida , térmica o intermedia. También depende del núcleo impactado y de su sección transversal de absorción de neutrones .

En la dispersión inelástica, los neutrones se absorben fácilmente en un tipo de reacción nuclear llamada captura neutrónica , que se atribuye a la activación neutrónica del núcleo. Las interacciones de los neutrones con la mayoría de los tipos de materia de esta manera suelen producir núcleos radiactivos . El oxígeno-16 , por ejemplo, sufre activación neutrónica, se desintegra rápidamente mediante la emisión de un protón formando nitrógeno-16 , que a su vez se desintegra en oxígeno-16. La desintegración del nitrógeno-16, de corta duración, emite un potente rayo beta. Este proceso se puede escribir como:

16 O (n,p) 16 N (captura de neutrones rápidos posible con  neutrones >11 MeV)

16 N → 16 O + β − (Tiempo de desintegración t 1/2 = 7,13  s)

Este β − de alta energía interactúa rápidamente con otros núcleos, emitiendo γ de alta energía a través de Bremsstrahlung.

Interacción de la radiación: los rayos gamma se representan con líneas onduladas, las partículas cargadas y los neutrones con líneas rectas. Los círculos pequeños muestran dónde se produce la ionización.

Si bien no es una reacción favorable, la reacción 16 O (n,p) 16 N es una fuente importante de rayos X emitidos por el agua de refrigeración de un reactor de agua a presión y contribuye enormemente a la radiación generada por un reactor nuclear refrigerado por agua durante su funcionamiento.

Para lograr el mejor blindaje contra neutrones, se utilizan hidrocarburos con alto contenido de hidrógeno .

En los materiales fisionables , los neutrones secundarios pueden producir reacciones nucleares en cadena , lo que provoca una mayor ionización de los productos de la fisión.

Fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de 14 minutos y 42 segundos. Los neutrones libres se desintegran mediante la emisión de un electrón y un antineutrino electrónico para convertirse en un protón, un proceso conocido como desintegración beta . [ 22 ]

En el diagrama adjunto, un neutrón colisiona con un protón del material objetivo y se convierte en un protón de retroceso rápido que, a su vez, se ioniza. Al final de su trayectoria, el neutrón es capturado por un núcleo en una reacción (n,γ) que produce la emisión de un fotón de captura de neutrones . Dichos fotones siempre poseen la energía suficiente para ser considerados radiación ionizante.

Efectos físicos

El aire ionizado brilla de color azul alrededor de un haz de radiación ionizante de partículas proveniente de un ciclotrón.

Efectos nucleares

La radiación de neutrones, la radiación alfa y la radiación gamma extremadamente energética (> ~20  MeV) pueden causar transmutación nuclear e inducir radiactividad . Los mecanismos relevantes son la activación neutrónica , la absorción alfa y la fotodesintegración .

Efectos químicos

La ionización de las moléculas puede provocar radiólisis (ruptura de enlaces químicos) y la formación de radicales libres altamente reactivos . Estos radicales libres pueden reaccionar químicamente con materiales vecinos incluso después de que la radiación original haya cesado (por ejemplo, la degradación de polímeros por ozono formado por la ionización del aire). La radiación ionizante también puede acelerar reacciones químicas existentes, como la polimerización y la corrosión, al contribuir a la energía de activación necesaria para la reacción. Los materiales ópticos se deterioran bajo el efecto de la radiación ionizante.

La radiación ionizante de alta intensidad en el aire puede producir un brillo visible de color azul violáceo característico. Este brillo se puede observar, por ejemplo, durante accidentes de criticidad , alrededor de nubes en forma de hongo poco después de una explosión nuclear o en el interior de un reactor nuclear dañado, como ocurrió durante el desastre de Chernóbil .

Los fluidos monoatómicos, como el sodio fundido , no tienen enlaces químicos que romper ni red cristalina que alterar, por lo que son inmunes a los efectos químicos de la radiación ionizante. Los compuestos diatómicos simples con una entalpía de formación muy negativa , como el fluoruro de hidrógeno, se reforman rápida y espontáneamente tras la ionización.

Efectos eléctricos

La ionización de los materiales aumenta temporalmente su conductividad, lo que puede generar niveles de corriente perjudiciales. Esto representa un riesgo particular en la microelectrónica de semiconductores utilizada en equipos electrónicos; las corrientes resultantes provocan errores de funcionamiento o incluso dañan permanentemente los dispositivos. Los dispositivos destinados a entornos de alta radiación, como la industria nuclear o el espacio exterior, pueden fabricarse con materiales resistentes a la radiación para contrarrestar estos efectos mediante el diseño, la selección de materiales y los métodos de fabricación.

La radiación ionizante puede provocar un aumento en la densidad de trampas de interfaz al reactivar enlaces colgantes pasivados en las interfaces entre dos materiales, como la interfaz Si/SiO₂ en dispositivos CMOS. [ 23 ] Estas trampas pueden capturar portadores de carga, lo que da lugar a efectos parásitos que incluyen degradación de la movilidad , aumento del ruido y desplazamientos del voltaje umbral .

La radiación de protones presente en el espacio también puede provocar fallos puntuales en los circuitos digitales. Los efectos eléctricos de la radiación ionizante se aprovechan en los detectores de radiación llenos de gas, como el contador Geiger o la cámara de ionización .

Efectos sobre la salud

La mayoría de los efectos adversos para la salud derivados de la exposición a la radiación ionizante pueden agruparse en dos categorías generales:

  • efectos deterministas (reacciones tisulares dañinas) debidos en gran parte a la muerte o el mal funcionamiento de las células tras altas dosis de quemaduras por radiación .
  • efectos estocásticos, es decir, cáncer y efectos hereditarios que implican el desarrollo de cáncer en individuos expuestos debido a la mutación de células somáticas o enfermedades hereditarias en su descendencia debido a la mutación de células reproductivas (germinales). [ 24 ]

El impacto más común es el cáncer estocástico inducido por radiación con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. Por ejemplo, la radiación ionizante es una causa de leucemia mieloide crónica , [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] aunque la mayoría de las personas con LMC no han estado expuestas a la radiación. [ 26 ] [ 27 ] El mecanismo por el cual esto ocurre se comprende bien, pero los modelos cuantitativos que predicen el nivel de riesgo siguen siendo controvertidos.

El modelo más ampliamente aceptado, el modelo lineal sin umbral (LNT), sostiene que la incidencia de cánceres debido a la radiación ionizante aumenta linealmente con la dosis efectiva de radiación a una tasa del 5,5 % por sievert . [ 28 ] Si esto es correcto, entonces la radiación de fondo natural es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida de cerca por las imágenes médicas. Otros efectos estocásticos de la radiación ionizante son la teratogénesis , el deterioro cognitivo y las enfermedades cardíacas .

Aunque el ADN siempre es susceptible al daño por radiación ionizante, la molécula de ADN también puede dañarse por radiación con energía suficiente para excitar ciertos enlaces moleculares y formar dímeros de pirimidina . Esta energía puede ser menor que la ionizante, pero cercana a ella. Un buen ejemplo es la energía del espectro ultravioleta, que comienza alrededor de 3,1  eV (400  nm), a un nivel de energía similar al que puede causar quemaduras solares en la piel sin protección, como resultado de fotorreacciones en el colágeno y (en el rango UV-B ) también daño en el ADN (por ejemplo, dímeros de pirimidina). Por lo tanto, el espectro electromagnético ultravioleta medio e inferior daña los tejidos biológicos como resultado de la excitación electrónica en las moléculas, que no llega a la ionización, pero produce efectos no térmicos similares. Hasta cierto punto, se ha demostrado que la luz visible y también la ultravioleta A (UVA), que es la más cercana a las energías visibles, dan lugar a la formación de especies reactivas de oxígeno en la piel, que causan daño indirecto, ya que estas son moléculas excitadas electrónicamente que pueden infligir daño reactivo, aunque no causan quemaduras solares (eritema). [ 29 ] Al igual que el daño por ionización, todos estos efectos en la piel van más allá de los producidos por simples efectos térmicos.

Medición de la radiación

Relación entre la radiactividad y la radiación ionizante detectada. Los factores clave son la intensidad de la fuente radiactiva, los efectos de transmisión
Relación entre algunas unidades de radiación ionizante [ 30 ]

La tabla que aparece a continuación muestra las cantidades de radiación y dosis en unidades del Sistema Internacional (SI) y en unidades que no son del SI.

Usos de la radiación

La radiación ionizante tiene numerosos usos industriales, militares y médicos. Su utilidad debe sopesarse con sus riesgos, un equilibrio que ha ido cambiando con el tiempo. Por ejemplo, en Estados Unidos, antiguamente los dependientes de las zapaterías utilizaban rayos X para comprobar la talla de calzado infantil , pero esta práctica se abandonó cuando se comprendieron mejor los riesgos de la radiación ionizante. [ 31 ]

La radiación de neutrones es esencial para el funcionamiento de los reactores nucleares y las armas nucleares . El poder de penetración de la radiación de rayos X, gamma, beta y positrones se utiliza para imágenes médicas , ensayos no destructivos y una variedad de medidores industriales. Los trazadores radiactivos se utilizan en aplicaciones médicas e industriales, así como en química biológica y radioquímica . La radiación alfa se utiliza en eliminadores de estática y detectores de humo . Los efectos esterilizantes de la radiación ionizante son útiles para la limpieza de instrumentos médicos, la irradiación de alimentos y la técnica del insecto estéril . Las mediciones de carbono-14 se utilizan para la datación por radiocarbono .

Fuentes de radiación

La radiación ionizante se genera mediante reacciones nucleares, desintegración nuclear, temperaturas muy elevadas o aceleración de partículas cargadas en campos electromagnéticos. Entre las fuentes naturales se incluyen el Sol, los rayos y las explosiones de supernovas. Las fuentes artificiales incluyen reactores nucleares, aceleradores de partículas y tubos de rayos X.

El Comité Científico de las Naciones Unidas sobre los Efectos de las Radiaciones Atómicas (UNSCEAR) enumeró los tipos de exposición humana.

La Comisión Internacional de Protección Radiológica gestiona el Sistema Internacional de Protección Radiológica, que establece límites recomendados para la absorción de dosis.

radiación de fondo

La radiación de fondo proviene tanto de fuentes naturales como artificiales.

La exposición global promedio de los seres humanos a la radiación ionizante es de aproximadamente 3  mSv (0,3  rem) por año, de la cual el 80 % proviene de fuentes naturales. El 20 % restante se debe a la exposición a fuentes de radiación artificiales, principalmente a las pruebas de imagen médica . La exposición promedio a fuentes artificiales es mucho mayor en los países desarrollados, debido principalmente a las tomografías computarizadas y la medicina nuclear .

La radiación de fondo natural proviene de cinco fuentes principales: radiación cósmica, radiación solar, fuentes terrestres externas, radiación en el cuerpo humano y radón .

La tasa de fondo para la radiación natural varía considerablemente con la ubicación, siendo tan baja como 1,5  mSv/a (1,5  mSv por año) en algunas áreas y más de 100  mSv/a en otras. El nivel más alto de radiación puramente natural registrado en la superficie de la Tierra es de 90  μGy/h (0,8  Gy/a) en una playa negra brasileña compuesta de monacita . [ 32 ] La radiación de fondo más alta en un área habitada se encuentra en Ramsar , principalmente debido a la piedra caliza naturalmente radiactiva utilizada como material de construcción. Unos 2000 de los residentes más expuestos reciben una dosis de radiación promedio de 10 mGy por año, (1 rad /año) diez veces más que el límite recomendado por la ICRP para la exposición del público a fuentes artificiales. [ 33 ] Se encontraron niveles récord en una casa donde la dosis de radiación efectiva debida a la radiación externa fue de 135 mSv/año (13,5 rem/año) y la dosis comprometida por radón fue de 640 mSv/año (64,0 rem/año). [ 34 ] Este caso único es más de 200 veces superior a la radiación de fondo promedio mundial. A pesar de los altos niveles de radiación de fondo que reciben los residentes de Ramsar, no hay evidencia convincente de que experimenten un mayor riesgo para la salud. Las recomendaciones de la ICRP son límites conservadores y pueden representar una sobreestimación del riesgo real para la salud. Generalmente, las organizaciones de seguridad radiológica recomiendan los límites más conservadores asumiendo que es mejor pecar de precavido. Este nivel de precaución es apropiado, pero no debe usarse para crear miedo sobre el peligro de la radiación de fondo. El peligro de radiación de la radiación de fondo puede ser una amenaza seria, pero es más probable que sea un riesgo general pequeño en comparación con todos los demás factores en el medio ambiente.      

radiación cósmica

La Tierra, y todos los seres vivos que la habitan, son bombardeados constantemente por radiación proveniente del exterior del Sistema Solar . Esta radiación cósmica consiste en partículas relativistas: núcleos cargados positivamente (iones) provenientes del exterior.1 Da  protones (aproximadamente el 85%) a ~ Núcleos de hierro de 56 Da e incluso más allá. (Las partículas de alto número atómico se denominan iones HZE ). La energía de esta radiación puede superar con creces la que los humanos pueden generar, incluso en los aceleradores de partículas más grandes (véase rayos cósmicos de ultra alta energía ). Esta radiación interactúa en la atmósfera para crear radiación secundaria que cae en forma de lluvia, incluyendo rayos X , muones , protones , antiprotones , partículas alfa , piones , electrones , positrones y neutrones .

La dosis de radiación cósmica proviene principalmente de muones, neutrones y electrones, con una tasa de dosis que varía en diferentes partes del mundo y depende en gran medida del campo geomagnético, la altitud y el ciclo solar. La tasa de dosis de radiación cósmica en los aviones es tan alta que, según el Informe UNSCEAR 2000 de las Naciones Unidas (véanse los enlaces al final), los tripulantes de vuelo reciben, en promedio, una dosis mayor que cualquier otro trabajador, incluidos los de las centrales nucleares. Los tripulantes de las aerolíneas reciben más rayos cósmicos si realizan habitualmente vuelos que los llevan cerca del Polo Norte o del Polo Sur a gran altitud, donde este tipo de radiación es máxima.

Los rayos cósmicos también incluyen rayos gamma de alta energía, que superan con creces las energías producidas por fuentes solares o humanas.

Fuentes terrestres externas

La mayoría de los materiales en la Tierra contienen átomos radiactivos , aunque en pequeñas cantidades. La mayor parte de la dosis recibida proviene de emisores de rayos gamma presentes en los materiales de construcción, o en rocas y suelo al aire libre. Los principales radionúclidos que generan preocupación en relación con la radiación terrestre son los isótopos de potasio , uranio y torio . La actividad de cada una de estas fuentes ha ido disminuyendo desde la formación de la Tierra.

fuentes de radiación internas

Todos los materiales terrestres que constituyen los componentes básicos de la vida contienen un componente radiactivo. A medida que los organismos consumen alimentos, aire y agua, se acumula una cantidad de radioisótopos en su interior (véase la dosis equivalente de plátano ). Algunos radionúclidos, como el potasio-40 , emiten rayos gamma de alta energía que pueden medirse con sistemas electrónicos sensibles de medición de radiación. Estas fuentes internas de radiación contribuyen a la dosis total de radiación que recibe una persona debido a la radiación de fondo natural .

Radón

Una fuente importante de radiación natural es el gas radón , que se filtra continuamente desde la roca madre, pero que, debido a su alta densidad, puede acumularse en casas mal ventiladas.

El radón-222 es un gas producido por la desintegración alfa del radio -226. Ambos forman parte de la cadena de desintegración natural del uranio . El uranio se encuentra en el suelo de todo el mundo en concentraciones variables. El radón es la principal causa de cáncer de pulmón entre los no fumadores y la segunda causa principal en general. [ 35 ]

Exposición a la radiación

Nivel de radiación en diversas situaciones, desde actividades normales hasta el accidente del reactor de Chernóbil. Cada incremento en la escala indica un aumento de diez veces en el nivel de radiación.
Diversas dosis de radiación en sieverts, que van desde insignificantes hasta letales.
Comparación visual de la exposición radiológica derivada de las actividades cotidianas.

Existen tres formas estándar de limitar la exposición:

  1. Tiempo : Para las personas expuestas a radiación adicional a la radiación de fondo natural, limitar o minimizar el tiempo de exposición reducirá la dosis proveniente de la fuente de radiación.
  2. Distancia : La intensidad de la radiación disminuye drásticamente con la distancia, según una ley inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (en el vacío absoluto). [ 36 ]
  3. Blindaje : El aire o la piel pueden ser suficientes para atenuar sustancialmente la radiación alfa, mientras que las láminas de metal o plástico suelen ser suficientes para detener la radiación beta. A menudo se utilizan barreras de plomo , hormigón o agua para brindar protección eficaz contra formas más penetrantes de radiación ionizante, como los rayos gamma y los neutrones . Algunos materiales radiactivos se almacenan o manipulan bajo el agua o mediante control remoto en salas construidas con hormigón grueso o revestidas de plomo. Existen blindajes plásticos especiales que detienen las partículas beta, y el aire detiene la mayoría de las partículas alfa. La eficacia de un material como blindaje contra la radiación viene determinada por su espesor de semirreducción , es decir, el espesor del material que reduce la radiación a la mitad. Este valor depende del material en sí y del tipo y la energía de la radiación ionizante. Algunos espesores generalmente aceptados de material atenuante son 5  mm de aluminio para la mayoría de las partículas beta y 3  pulgadas de plomo para la radiación gamma.

Todo esto se puede aplicar tanto a fuentes naturales como artificiales. Para las fuentes artificiales, el uso de sistemas de contención es fundamental para reducir la dosis de radiación y consiste, en esencia, en una combinación de blindaje y aislamiento del entorno. Los materiales radiactivos se confinan en el espacio más reducido posible y se mantienen fuera del ambiente, por ejemplo, en una celda caliente (para radiación) o una caja de guantes (para contaminación). Los isótopos radiactivos para uso médico, por ejemplo, se manipulan en instalaciones cerradas, generalmente cajas de guantes, mientras que los reactores nucleares operan dentro de sistemas cerrados con múltiples barreras que mantienen los materiales radiactivos contenidos. Las salas de trabajo, las celdas calientes y las cajas de guantes tienen presiones de aire ligeramente reducidas para evitar la fuga de material en suspensión al ambiente.

En conflictos nucleares o fugas nucleares civiles, las medidas de defensa civil pueden ayudar a reducir la exposición de la población al disminuir la ingestión de isótopos y la exposición ocupacional. Un ejemplo es el uso de tabletas de yoduro de potasio (KI), que bloquean la absorción de yodo radiactivo (uno de los principales radioisótopos producidos por la fisión nuclear ) en la glándula tiroides humana .

Exposición ocupacional

Las personas expuestas ocupacionalmente están sujetas al control dentro del marco regulatorio del país en el que trabajan y de acuerdo con las restricciones locales de la licencia nuclear. Estas restricciones suelen basarse en las recomendaciones de la Comisión Internacional de Protección Radiológica ( ICRP). La ICRP recomienda limitar la irradiación artificial. Para la exposición ocupacional, el límite es de 50 mSv en un año, con un máximo de 100 mSv en un período consecutivo de cinco años. [ 28 ]

La exposición a la radiación de estas personas se controla cuidadosamente mediante dosímetros y otros instrumentos de protección radiológica que miden las concentraciones de partículas radiactivas, las dosis gamma en el área y la contaminación radiactiva . Se mantiene un registro legal de la dosis.

Algunos ejemplos de actividades en las que la exposición laboral es motivo de preocupación son:

Algunas fuentes de radiación artificiales afectan al cuerpo mediante radiación directa, conocida como dosis efectiva (radiación), mientras que otras adoptan la forma de contaminación radiactiva e irradian el cuerpo desde dentro. Esto último se conoce como dosis comprometida .

Exposición pública

Los procedimientos médicos, como las radiografías de diagnóstico , la medicina nuclear y la radioterapia, son, con mucho, la fuente más importante de exposición a la radiación artificial para el público en general. Algunos de los principales radionúclidos utilizados son el I-131 , el Tc-99m , el Co-60 , el Ir-192 y el Cs-137 . El público también está expuesto a la radiación de productos de consumo, como el tabaco ( polonio -210), los combustibles (gas, carbón , etc.), los televisores , los relojes y esferas luminosas ( tritio ), los sistemas de rayos X de los aeropuertos , los detectores de humo ( americio ), los tubos electrónicos y las camisas de las lámparas de gas ( torio ).

En menor medida, el público en general está expuesto a la radiación del ciclo del combustible nuclear , que abarca todo el proceso, desde el procesamiento del uranio hasta la eliminación del combustible gastado. Los efectos de dicha exposición no se han podido medir con precisión debido a las dosis extremadamente bajas. Los detractores utilizan un modelo de cáncer por dosis para afirmar que estas actividades causan varios cientos de casos de cáncer al año, una aplicación del modelo lineal sin umbral (LNT), ampliamente aceptado.

La Comisión Internacional de Protección Radiológica recomienda limitar la irradiación artificial al público a un promedio de 1  mSv (0,001  Sv) de dosis efectiva por año, sin incluir las exposiciones médicas y ocupacionales. [ 28 ]

En una guerra nuclear , los rayos gamma procedentes tanto de la explosión inicial del arma como de la lluvia radiactiva serían fuentes de exposición a la radiación.

vuelos espaciales

Las partículas masivas son una preocupación para los astronautas que se encuentran fuera del campo magnético terrestre, ya que recibirían partículas solares provenientes de eventos de protones solares (SPE) y rayos cósmicos galácticos de fuentes cósmicas. Estos núcleos cargados de alta energía son bloqueados por el campo magnético terrestre, pero representan un grave riesgo para la salud de los astronautas que viajan a la Luna y a cualquier lugar distante más allá de la órbita terrestre. Se sabe que los iones HZE altamente cargados, en particular, son extremadamente dañinos, aunque los protones constituyen la gran mayoría de los rayos cósmicos galácticos. La evidencia indica que en el pasado se registraron niveles de radiación de SPE que habrían sido letales para astronautas sin protección. [ 39 ]

Viajes en avión

Los viajes aéreos exponen a las personas en aeronaves a una mayor radiación del espacio en comparación con el nivel del mar, incluyendo rayos cósmicos y de eventos de erupciones solares . [ 40 ] [ 41 ] Programas de software como Epcard , CARI, SIEVERT, PCAIRE son intentos de simular la exposición de las tripulaciones aéreas y los pasajeros. [ 41 ] Un ejemplo de una dosis medida (no una dosis simulada) es 6  μSv por hora desde Londres Heathrow a Tokio Narita en una ruta polar. [ 41 ] Sin embargo, las dosis pueden variar, como durante períodos de alta actividad solar. [ 41 ] La FAA de los Estados Unidos exige a las aerolíneas que proporcionen a la tripulación de vuelo información sobre la radiación cósmica, y una recomendación de la Comisión Internacional de Protección Radiológica para el público general es no más de 1  mSv por año. [ 41 ] Además, muchas aerolíneas no permiten que las tripulantes de vuelo embarazadas viajen, para cumplir con una Directiva Europea. [ 41 ] La FAA tiene un límite recomendado de 1  mSv total para un embarazo, y no más de 0,5  mSv por mes. [ 41 ] Información basada originalmente en Fundamentos de Medicina Aeroespacial publicado en 2008. [ 41 ]

Señales de advertencia de riesgo de radiación

Los niveles peligrosos de radiación ionizante se indican con el símbolo del trébol sobre fondo amarillo. Estos símbolos suelen colocarse en el límite de una zona de radiación controlada o en cualquier lugar donde los niveles de radiación sean significativamente superiores a los de fondo debido a la actividad humana.

El símbolo rojo de advertencia de radiación ionizante (ISO 21482) se introdujo en 2007 y está destinado a las fuentes de categoría 1, 2 y 3 del OIEA , definidas como fuentes peligrosas capaces de causar la muerte o lesiones graves, incluyendo irradiadores de alimentos, máquinas de teleterapia para el tratamiento del cáncer y unidades de radiografía industrial. El símbolo debe colocarse en el dispositivo que contiene la fuente, como advertencia para no desmontarlo ni acercarse. No será visible durante el uso normal, solo si alguien intenta desmontar el dispositivo. El símbolo no se colocará en las puertas de acceso a los edificios, ni en los paquetes o contenedores de transporte. [ 42 ]

Véase también

Referencias

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