Servicios en Protección Radiológica 1. Conceptos Básicos

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1. Conceptos Básicos

Estructura del átomo

En química y física, átomo (del latín atomus, y éste del griego άτομος, indivisible)

es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o

sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.

- El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva,

los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los

neutrones. Estas partículas se conocen como nucleones.

Protones: Partículas de carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y

1,67262 × 10–27 kg. y una masa 1837 veces mayor que la del electrón

Neutrones: Partículas carentes de carga eléctrica y una masa un poco mayor que

la del protón (1,67493 × 10-27 kg).

La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones,

con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del

núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.

Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de

protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el

número de electrones.

La cantidad de protones contenidos en el núcleo del átomo se conoce como

número atómico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte

inferior izquierda del símbolo químico. Es el que distingue a un elemento químico

de otro. Por ejemplo: el número atómico del hidrógeno es 1 (1H).




La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del

símbolo químico. Para el ejemplo dado anteriormente, el número másico del

hidrógeno es 1(1H).

Existen también átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente

número másico, los cuales se conocen como isótopos. Por ejemplo, existen tres

isótopos naturales del hidrógeno, el protio (1H), el deuterio (2H) y el tritio (3H).

Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser

diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.

1.2 Radiación

La radiación es la propagación de energía a través del espacio. Esta se puede

propagar de dos maneras distintas como lo son por medio de fotones, o por

medio de partículas.

Los fotones son paquetes de energía que constituyen la radiación

electromagnética y viajan a la velocidad de la luz.

Las ondas y las partículas tienen muchas características comunes; no obstante, la

radiación suele producirse fundamentalmente en una de las dos formas.

RADIACION NATURAL

Siempre ha existido, ya que procede de las materias existentes en todo el

universo, y puede ser radiación visible (como por ejemplo la luz), o invisible (por

ejemplo los rayos ultravioleta). Esta radiación, procede de las radiaciones

cósmicas del espacio exterior (Sol y estrellas), pues ellos son gigantescos

reactores nucleares, aunque lejanos; también proceden estas radiaciones de los

elementos naturales radiactivos (uranio, torio, radio) que existen de forma natural




en el aire, agua, alimentos, o el propio cuerpo humano (potasio, carbono-14). Esta

radiación natural, es del orden del 88% de la radiación total recibida por el ser

humano, clasificándose de la siguiente manera:

- Radiación cósmica : 15 %

- Radiación de alimentos, bebidas, etc., 17 %

- Radiación de elementos naturales : 56 %

En la Tabla I, se presenta la contribución de las distintas fuentes de radiación

natural, a la dosis recibida por la población.

Tabla I. DOSIS ANUAL DE FUENTES NATURALES EN

ZONAS DE FONDO DE RADIACIÓN NORMAL

FUENTES DE RADIACIÓN DOSIS EQUIVALENTE EFECTIVA ANUAL (µSv)

Rayos cósmicos 380

Radionucleidos cosmogénicos 12

Radionucleidos en la corteza, flora y fauna

Potasio 40 300

Rubidio 87 6

Serie de uranio 238: 141

uranio 238 – torio 230 4

radio 226 1200

radón 222 – polonio 214 50

Serie del torio 232:




torio 232 - torio 228 196

torio 220 – polonio 212 73

TOTAL 2192

(µSv) Unidad de la dosis equivalente y de la dosis

efectiva en el Sistema Internacional de Unidades 10-6 Sv

RADIACION ARTIFICIAL:

Provienen de fuentes creadas por el hombre. Los televisores o los aparatos

utilizados para hacer radiografías médicas son las fuentes más comunes de las

que recibimos radiación artificial. La generada en las centrales nucleares,

pertenece a este grupo. El incremento de radiación que recibe una persona en un

año como consecuencia del funcionamiento normal de una central nuclear, es de 1

milirem al año (1 REM = radiación de rayos gamma existente en el aire por

centímetro cúbico de aire), cantidad que es 100 veces más pequeño que la

radiación natural que recibimos en España. La radiación artificial total recibida por

el ser humano es del orden del 12% de todas las radiaciones recibidas. Se

clasifica de la siguiente manera:

- Televisores y aparatos domésticos: 0.2 %

- Centrales nucleares : 0.1 %

- Radiografías médicas : 11.7 %

Como es bien sabido, la radiación de los elementos trae serias consecuencias en

los seres vivos, si sobrepasan los límites anuales de radiación normal. La

consecuencia más importante es la mutación en los seres vivos, ya que afecta a

las generaciones tanto presentes, como futuras, y sus efectos irían desde la falta

de miembros corporales y malformaciones en fetos, esterilidad; hasta la muerte.




En física, radiación es un término que designa la propagación de energía en

forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o

de un medio fluido. La parte de radiación propagada en forma de ondas

electromagnéticas se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación

corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas que se

mueven a gran velocidad en un medio o al vacío, con apreciable transporte de

energía. Si el transporte de energía es suficientemente elevado como para

provocar ionización en el medio circundante, se habla de radiación ionizante.

1.3.1 Radiación Corpuscular:

Incluye a las partículas alfa (núcleos de Helio), beta (electrones y positrones de

alta energía), protones, neutrones y otras partículas que sólo se producen por los

rayos cósmicos o en aceleradores de muy alta energía.

Partículas Alfa

Las partículas o rayos alfa (α) son núcleos totalmente ionizados de Helio-4 (4He).

Es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente. Estos núcleos están

formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga

eléctrica es positiva, de +2qe de carga, mientras que su masa es de 4 uma,

Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de

otros nucleidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión

de dichas partículas.

La desintegración alfa es una forma de desintegración radiactiva donde un

núcleo atómico emite una partícula alfa mediante fuerzas electromagnéticas y se

transforma en un núcleo con 4 unidades menos de número másico y dos unidades

menos de número atómico.




Puede ser considerada como la emisión espontánea de núcleos de helio (en

adelante partículas α) a partir de núcleos de átomos más pesados,

mediante un procedimiento de fisión nuclear espontánea. Este fenómeno se

representa con la siguiente ecuación:

.

Por ejemplo:

Partículas Beta

La desintegración o emisión beta es un proceso por el cual un núclido no

estable puede transformarse en otros núclidos mediante la emisión de una

partícula beta. La partícula beta puede ser un electrón, escribiéndose β-, o un

positrón, β+; la diferencia fundamental entre un electrón o positrón y la partícula

beta correspondiente es su origen nuclear, no es un electrón ordinario arrancado

de algún orbital del átomo. Un tipo similar de desintegración en cuanto a la

finalidad de volver más estable el núcleo de un núclido inestable tal como la

desintegración beta es la captura electrónica.

Tienen energía cinética menor que las partículas alfa porque aunque tienen una gran velocidad tienen muy poca masa.

A pesar de tener menor energía que las alfa, como su masa y su tamaño son

menores tienen mayor poder de penetración. Una lámina de aluminio de 5 mm las

frena.




Se usan isótopos radiactivos del yodo en el tratamiento del cáncer de tiroides

porque el yodo es absorbido por el tiroides y emite partículas beta que matan las

células.

Clasificación de las radiaciones ionizantes

Representación sencilla del poder de penetración de los distintos tipos de

radiación ionizante. Una partícula alfa no penetra una lámina de papel, una beta

no penetra una lámina de metal y un fotón penetra incluso grandes espesores de

metal o hormigón

1.3.2. Radiación electromagnética.

Está formada por fotones con energía suficiente como para ionizar la materia (es

decir, superior a unas decenas de electronvoltios). Según su origen y su energía

se le clasifica en rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

1.3.4. Actividad




Magnitud A correspondiente a una cantidad de radionucleido en un estado

determinado de energía, en un tiempo dado, definida por la expresión:

A = dN / dt

Siendo dN el valor esperado del número de transformaciones nucleares

espontáneas a partir de ese estado de energía, en el intervalo de tiempo dt. En el

Sistema Internacional (SI), la unidad de actividad es la inversa de segundo (s -1 ),

que recibe el nombre de Becquerel ( Bq ).

Período de Semidesintegración:

Se llama vida media de un radioisótopo al tiempo promedio de vida de un átomo

radiactivo antes de desintegrarse. Es igual a la inversa de la constante de

desintegración radiactiva (τ = 1 / λ).

Al tiempo que transcurre hasta que la cantidad de núcleos radiactivos de un

isótopo radiactivo se reduzca a la mitad de la cantidad inicial, se lo llama periodo

de semidesintegración, período, semiperiodo, semivida o vida mitad (T1 / 2 = ln(2) /

λ). Al fin de cada período la radiactividad se reduce a la mitad de la radiactividad

inicial. Cada radioisótopo tiene un semiperiodo característico, en general diferente

del de otros isótopos.

Ejemplos:

Isótopo Periodo Emisión

Uranio-238 4510 millones de años Alfa

Carbono-14 5730 años Beta

Cobalto-60 5,271 años Gamma

Radón-222 3,82 días Alfa




Es una medida de la estabilidad del isótopo, ya que cuanta menor sea la semivida,

con mayor rapidez se producirá la desintegración y menos estable será el isótopo.

Se tiene una muestra con un número N de núcleos radiactivos. La actividad A de

esa muestra es proporcional al número N:

A= l N l = 0.693 / T1/2

La cantidad l se llama constante de decaimiento radiactivo y es característica de

cada tipo de decaimiento, ella representa la probabilidad de que haya una emisión

en un tiempo dado.

La ecuación A = A0 e –lt = A0 e – 0.693 t / T1/2

Describe matemáticamente el decaimiento radiactivo. A0 es la actividad inicial de

la muestra, t es el tiempo en el cual se desea calcular la actividad de la muestra.

1.4. Emisión de radiación electromagnética

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y

magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando

energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido,

que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética

se puede propagar en el vacío.

1.4.1 Radiación Gamma

La radiación gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética producida

generalmente por elementos radiactivos, procesos subatómicos como la

aniquilación de un par positrón-electrón.




Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de

radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la

radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de

las células.

Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos

últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenamiento

electrónico.

1.4.2 Rayos X

Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las

ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los

rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos

gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se

producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor

energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X

surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica,

fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los

rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma

producidos naturalmente.

1.5. Interacción de la radiación con la materia. Radiación directamente ionizante: suele comprender a las radiaciones

corpusculares formadas por partículas cargadas que interaccionan de forma

directa con los electrones y el núcleo de los átomos de moléculas blanco o diana

como el oxígeno y el agua. Suelen poseer una transferencia lineal de energía

(LET) alta.




Radiación indirectamente ionizante: está formada por las partículas no

cargadas como los fotones, los neutrinos o los neutrones, que al atravesar la

materia interaccionan con ella produciendo partículas cargadas siendo éstas las

que ionizan a otros átomos. Suelen poseer un bajo LET.

1.6. Tipos de interacción de la radiación electromagnética con la materia

Las partículas cargadas como los electrones, los positrones, protones, iones u

otras, interaccionan directamente con la corteza electrónica de los átomos debido

a la fuerza electromagnética.

Los rayos gamma interaccionan con los átomos de la materia con tres

mecanismos distintos:

Efecto Fotoeléctrico: Describe cuando un fotón gamma interactúa con un

electrón atómico y le transfiere su energía, expulsando a dicho electrón del átomo.

La energía cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón

gamma incidente menos la energía de enlace del electrón. El efecto fotoeléctrico

es el mecanismo de transferencia de energía dominante para rayos x y fotones de

rayos gamma con energías por debajo de 50 keV (miles de electronvóltios), pero

es menos importante a energías más elevadas.

Efecto Compton: Se refiere a la interacción donde un fotón gamma incidente

hace ganar suficiente energía a un electrón atómico como para provocar su

expulsión. Con la energía restante del fotón original se emite un nuevo fotón

gamma de baja energía con una dirección de emisión diferente a la del fotón

gamma incidente. La probabilidad del Efecto Compton decrece según la energía

del fotón se incrementa. El Efecto Compton se considera que es el principal

mecanismo de absorción de rayos gamma en el rango de energía intermedio entre

100 keV a 10 MeV (Megaelectronvoltio), un rango de energía que incluye la mayor

parte de la radiación gamma presente en una explosión nuclear. El efecto




Compton es relativamente independiente de número atómico del material

absorbente.

1.6.3 Creación de pares: Debido a la interacción de la fuerza de Coulomb, en la

vecindad del núcleo, la energía del fotón incidente se convierte espontáneamente

en la masa de un par electrón-positrón. Un positrón es la antipartícula equivalente

a un electrón; tiene la misma masa de un electrón, pero tiene una carga positiva

de igual fuerza que la carga negativa de un electrón. La energía excedente del

equivalente a la masa en reposo de las dos partículas (1,02 MeV) aparece como

energía cinética del par y del núcleo. El positrón tiene una vida muy corta (sobre

10–8 segundos). Al final de su periodo, se combina con un electrón libre. Toda la

masa de estas dos partículas se convierte entonces en dos fotones gamma de

0,51 MeV de energía cada uno.

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