La radiación ionizante es cualquier radiación ( partículas u ondas electromagnéticas ) que transporta suficiente energía para eliminar electrones de átomos o moléculas, ionizándolos. Para la radiación ionizante, la energía cinética de las partículas ( fotones, electrones, etc. ) es suficiente y la partícula puede ionizar (para formar iones perdiendo electrones) átomos objetivo para formar iones.
El límite entre las radiaciones ionizantes y no ionizantes no está claramente definido, ya que diferentes moléculas y átomos se ionizan a diferentes energías. Esto es típico de las ondas electromagnéticas. Entre las ondas electromagnéticas pertenecen, en orden de frecuencia (energía) creciente y longitud de onda decreciente: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Los rayos gamma , los rayos X y la parte ultravioleta superior del espectro son ionizantes, mientras que la luz ultravioleta inferior, la luz visible (incluida la luz láser), el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio se consideran radiaciones no ionizantes.
Todos los efectos del daño biológico comienzan con la consecuencia de interacciones de radiación con los átomos que forman las células. Todos los seres vivos están compuestos por una o más células. Cada parte de su cuerpo consiste en células o fue construida por ellas. Aunque tendemos a pensar en los efectos biológicos en términos del efecto de la radiación sobre las células vivas, en realidad, la radiación ionizante , por definición, interactúa solo con los átomos mediante un proceso llamado ionización.
El peligro de la radiación ionizante radica en el hecho de que la radiación es invisible y no es directamente detectable por los sentidos humanos. La gente no puede ver ni sentir radiación, pero deposita energía en las moléculas del cuerpo. La energía se transfiere en pequeñas cantidades para cada interacción entre la radiación y una molécula y generalmente hay muchas de esas interacciones.
Formas de radiación ionizante.
La radiación ionizante se clasifica según la naturaleza de las partículas u ondas electromagnéticas que crean el efecto ionizante. Estas partículas / ondas tienen diferentes mecanismos de ionización y pueden agruparse como:
- Directamente ionizante . Las partículas cargadas ( núcleos atómicos, electrones, positrones, protones, muones, etc. ) pueden ionizar átomos directamente por interacción fundamental a través de la fuerza de Coulomb si lleva suficiente energía cinética. Estas partículas deben moverse a velocidades relativistas para alcanzar la energía cinética requerida. Incluso los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
- La radiación alfa . La radiación alfa consisteen partículas alfa a alta energía / velocidad. La producción de partículas alfa se denomina desintegración alfa. Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Las partículas alfa son relativamente grandes y tienen una carga positiva doble. No son muy penetrantes y un trozo de papel puede detenerlos. Viajan solo unos pocos centímetros pero depositan todas sus energías a lo largo de sus cortos caminos.
- La radiación beta . La radiación beta consiste en electrones libres o positrones a velocidades relativistas. Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa, pero el metal de aluminio delgado puede detenerlas. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa.
- Indirectamente ionizante . La radiación ionizante indirecta es partículas eléctricamente neutras y, por lo tanto, no interactúa fuertemente con la materia. La mayor parte de los efectos de ionización se deben a ionizaciones secundarias.
- Radiación de fotones ( rayos gamma o rayos X). La radiación de fotones consiste en fotones de alta energía . Estos fotones son partículas / ondas (dualidad onda-partícula) sin masa en reposo o carga eléctrica. Pueden viajar 10 metros o más en el aire. Esta es una larga distancia en comparación con las partículas alfa o beta. Sin embargo, los rayos gamma depositan menos energía a lo largo de sus caminos. El plomo, el agua y el concreto detienen la radiación gamma. Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, donde se produce el electrón relativamente energético. El electrón secundario producirá múltiples eventos de ionización , por lo tanto, la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
- Radiación de neutrones . La radiación de neutrones consiste en neutrones libres a cualquier energía / velocidad. Los neutrones pueden ser emitidos por fisión nuclear o por la descomposición de algunos átomos radiactivos. Los neutrones tienen carga eléctrica cero y no pueden causar ionización directamente. Los neutrones ionizan la materia solo indirectamente . Por ejemplo, cuando los neutrones golpean los núcleos de hidrógeno, se produce radiación de protones (protones rápidos). Los neutrones pueden variar desde partículas de alta velocidad y alta energía a partículas de baja velocidad y baja energía (llamadas neutrones térmicos). Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción.
Radiación alta-baja y baja-baja
Como se escribió, cada tipo de radiación interactúa con la materia de una manera diferente . Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar átomos directamente. Las partículas alfa son bastante masivas y llevan una carga positiva doble, por lo que tienden a viajar solo una corta distancia y no penetran demasiado en el tejido, si es que lo hacen. Sin embargo, las partículas alfa depositarán su energía en un volumen más pequeño (posiblemente solo unas pocas células si entran en un cuerpo) y causarán más daño a esas pocas células.
Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa. Esto significa que las partículas beta tienden a dañar más células, pero con menos daño a cada una. Por otro lado, las partículas eléctricamente neutras interactúan solo indirectamente, pero también pueden transferir parte o la totalidad de sus energías a la materia.
Sin duda, simplificaría las cosas si los efectos biológicos de la radiación fueran directamente proporcionales a la dosis absorbida . Desafortunadamente, los efectos biológicos dependen también de la forma en que la dosis absorbida se distribuye a lo largo de la trayectoria de la radiación. Los estudios han demostrado que la radiación alfa y de neutrones causa un daño biológico mayor para una deposición de energía dada por kg de tejido que la radiación gamma. Se descubrió que los efectos biológicos de cualquier radiación aumentan con la transferencia de energía lineal (LET). En resumen, el daño biológico de la radiación de alto LET ( partículas alfa , protones o neutrones) es mucho mayor que el de la radiación de baja LET ( rayos gamma ). Esto se debe a que el tejido vivo puede reparar más fácilmente el daño de la radiación que se extiende sobre un área grande que la que se concentra en un área pequeña. Por supuesto, a niveles muy altos de exposición, los rayos gamma pueden causar mucho daño a los tejidos.
Debido a que se produce más daño biológico por la misma dosis física (es decir, la misma energía depositada por unidad de masa de tejido), un gris de radiación alfa o de neutrones es más dañino que un gray de radiación gamma. Este hecho de que las radiaciones de diferentes tipos (y energías) dan diferentes efectos biológicos para la misma dosis absorbida se describe en términos de factores conocidos como la efectividad biológica relativa (RBE) y el factor de ponderación de la radiación (wR).
El factor de ponderación de la radiación es un factor adimensional utilizado para determinar la dosis equivalente a partir de la dosis absorbida promediada sobre un tejido u órgano y se basa en el tipo de radiación absorbida. La dosis ponderada resultante se designó como la dosis equivalente de órgano o tejido:
Una dosis equivalente de un Sievert representa la cantidad de dosis de radiación que es equivalente, en términos de daño biológico especificado , a un gris de rayos X o rayos gamma . La dosis equivalente es una cantidad no física (w R se deriva de consecuencias biológicas de la radiación ionizante), ampliamente utilizado en la dosimetría medida por dosímetros. La dosis equivalente es designada por la ICRP como una «cantidad limitante»; especificar los límites de exposición para garantizar que «la aparición de efectos estocásticos sobre la salud se mantenga por debajo de niveles inaceptables y que se eviten las reacciones tisulares».
Energía de ionización
La energía de ionización , también llamada potencial de ionización , es la energía necesaria para eliminar un electrón del átomo neutro.
X + energía → X + + e –
donde X es cualquier átomo o molécula capaz de ionizarse, X + es ese átomo o molécula con un electrón eliminado (ion positivo), y e – es el electrón eliminado.
Un átomo de nitrógeno, por ejemplo, requiere la siguiente energía de ionización para eliminar el electrón más externo.
N + IE → N + + e – IE = 14.5 eV
La energía de ionización asociada con la eliminación del primer electrón se usa con mayor frecuencia. El n energía º ionización se refiere a la cantidad de energía requerida para quitar un electrón de la especie con una carga de ( n -1).
1ra energía de ionización
X → X + + e –
2da energía de ionización
X + → X 2+ + e –
3ra energía de ionización
X 2+ → X 3+ + e –
Energía de ionización para diferentes elementos
Hay una energía de ionización por cada electrón sucesivo eliminado. Los electrones que rodean el núcleo se mueven en órbitas bastante bien definidas. Algunos de estos electrones están más unidos en el átomo que otros. Por ejemplo, solo se requieren 7.38 eV para eliminar el electrón más externo de un átomo de plomo, mientras que se requieren 88,000 eV para eliminar el electrón más interno. Ayuda a comprender la reactividad de los elementos (especialmente metales, que pierden electrones).
En general, la energía de ionización aumenta al subir un grupo y moverse de izquierda a derecha durante un período. Además:
- La energía de ionización es más baja para los metales alcalinos que tienen un solo electrón fuera de una capa cerrada.
- La energía de ionización aumenta en una fila en el máximo periódico para los gases nobles que tienen conchas cerradas
Por ejemplo, el sodio requiere solo 496 kJ / mol o 5.14 eV / átomo para ionizarlo. Por otro lado, el neón, el gas noble, que lo precede inmediatamente en la tabla periódica, requiere 2081 kJ / mol o 21.56 eV / átomo.
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