I. Las radiaciones ionizantes, conceptos y generalidades.

En nuestro mundo de trabajo por una vida ecológica real, es imprescindible conocer, lo más profundamente posible, esta temática de las radiaciones ionizantes por razones obvias. Por eso nos preguntamos hoy qué son las radiaciones ionizantes, cómo se producen, como actúan. Un segundo paso lo constituiría el gran capítulo de su utilización en industria y medicina y sus riesgos en estas industrias. Y finalmente es necesario subrayar el inquietante tema de las radiaciones de baja intensidad.

1.- ¿Qué son las R.I.? Clases y propiedades.

Son momentos de energía que se trasladan por el espacio en forma de ondas y tienen capacidad de producir ionización de los átomos sobre los que inciden. Forman parte del espectro electromagnético donde se incluyen las ondas de radio (las de mayor longitud de onda), microondas, infrarrojas, visibles, ultravioletas, Rayos X y Radiación gamma; estas dos últimas, las de menor longitud de onda de todo el espectro, del orden de 10-10 a 10-12 m. Hay que tener en cuenta la relación que existe entre la longitud de onda, su frecuencia, su velocidad y la energía de la radiación: así la energía es directamente proporcional a la velocidad y a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de las ondas.

Es importante saber que las radiaciones ionizantes son genéricamente de dos tipos: fotones (rayos X o radiación gamma) y corpuscular (alfa, beta, protones, neutrones, etc.). Depositan la energía radiante en la materia u organismo vivo de forma bien distinta, con su trascendencia a la hora de considerar riesgos y protección.

De esta forma, en relación con los fotones, las radiaciones que atraviesan la materia hace que sus átomos respondan de distinta materia según la energía de la radiación y según el número atómico del material. Existen 5 formas de interacción con la materia, que veremos más adelante:

1. La dispersión coherente de Thompson.2. El efecto fotoeléctrico.3. El efecto Comptom.4. La formación de pares.5. La desintegración fotónica.

Igualmente las radiaciones corpusculares (partículas α, β, protones, neutrones, etc.) actúan en el medio material de maneras distintas al chocar con los átomos; de esta manera tenemos:

1. Colisiones elásticas.2. Colisiones inelásticas.3. Colisiones radiactivas.

2. Los átomos.

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Por lo que llevamos dicho vemos la necesidad de analizar la estructura y ciertas características de los átomos, así como las fuerzas de cohesión que mantienen unidas sus distintos elementos.

El átomo es la parte más pequeña en que puede dividirse la materia sin que pierda sus propias características.

Está formado por un núcleo central y una serie de capas orbitales en donde se alojan los electrones que se mueven alrededor del núcleo, que a su vez está compuesto

Figura 1: Estructura del átomo

fundamentalmente por protones y neutrones; en realidad lo constituyen una serie de familias de partículas elementales como los quarks, los leptones (neutrinos), los gluones, etc., en una compleja estructura, y a un nivel realmente pequeño, microscópico. Por ejemplo, el átomo de Helio (He2) presenta las siguientes dimensiones, recogidas en las tabla 1.

Átomo del Helio (He2):

mide 10 -10 m

Su núcleo: mide 10 -14 mSus protones y

neutrones: miden 10 -15 m

Sus electrones: miden 10 -18 m

Tabla I

Todo el conjunto se encuentra en movimiento y sometido a unas fuerzas de cohesión muy importantes, incluso a esos niveles tan pequeños.

De esta forma, podemos clasificar estas fuerzas fundamentales del átomo en cuatro grandes grupos, como esquematizamos en la tabla 2. De mayor a menor intensidad tendremos:

1. Fuerza gravitatoria: relaciona la fuerza de atracción debido a las masas de los cuerpos; tiene una intensidad relativa igual a 1 y un alcance infinito.

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2. Fuerza fundamental débil: con una intensidad relativa de 1026, está en la base de la desintegración beta. Tiene un alcance de 10 -10 m.3. Electromagnética: fuerza de atracción o rechazo por cargas eléctrica opuestas o iguales. Tienen un alcance infinito y una intensidad relativa de 1036.4. Fuerza fundamental fuerte: la que mantiene la cohesión de todo el núcleo en un ente único. Su intensidad relativa es de 1038 y su alcance 10 -16 m, (diámetro de un núcleo de tamaño mediano).

Tabla II

Cuando dos núclidos ligeros se unen, formando un nuevo elemento, en un proceso denominado fusión, se libera una cantidad de energía correspondiente al gradiente denominado defecto de masa; y de igual manera cuando un núclido pesado se divide en dos nuevos elementos (proceso de fisión), se libera una cantidad de energía relacionada con la energía de enlace; tanto una como otra tienen valores idénticos, que oscilan entre 7,5 MeV/nucleón y 8,8 MeV/nucleón. Este último valor nunca es superado, pero nos hablan de la cantidad de energía liberada en estos procesos nucleares.

Como adenda a este párrafo nos quedaría comentar la formulación de los átomos (Figura 2). Se utiliza el símbolo químico del elemento pertinente con un subíndice y un superíndice: el subíndice (Z) indica el número atómico del elemento y representa el número total de protones del núcleo y el supraíndice (A) indica el número másico y hace referencia al total de nucleones del núcleo atómico, suma de protones y neutrones.

A (Nº Másico = p + n) ↑

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11Na23

↓ Z (Nº Atómico = p)

Figura 2: Formulación de los átomos

Todos aquellos elementos que tienen igual número atómico pero diferente número de neutrones (en consecuencia, diferente nº másico) son isótopos (ej. 1H1 y 1H2); con igual nº másico pero distinto número atómico, son isóbaros (Co60

y Ni60); y finalmente, igual nº de neutrones pero diferente nº atómico, son isótonos (C11 y N12).

Es decir, los isótopos se diferencian por su número de neutrones manteniendo idéntico e invariable el número de protones.

3. Producción de las radiaciones ionizantes.

En este campo se abren dos grandes capítulos:1. La radioactividad natural, existencia en la naturaleza de materiales con

propiedades radiactivas. 2. Y la producida artificialmente mediante técnicas científicamente

estructuradas.

4. Radiactividad.

a) Radiactividad Natural.La radioactividad, así llamada por Marie Curie, es una propiedad de la materia (descubierta en 1896 por Becquerel, físico francés) por la que ciertos elementos tenían la posibilidad de emitir, de forma espontánea, radiaciones semejantes a los rayos X. Eran radiaciones penetrantes y provenían del cristal de Uranio sobre el cual se investigaba. Marie y Pierre Curie al proseguir encontraron fuentes de radiación natural bastante más poderosas que el Uranio original, entre los que se encontraban el Polonio y el Radio. Hoy en día se conocen más de 40 elementos radiactivos naturales, que corresponden a los elementos más pesados. Por arriba del número atómico 83, todos los núcleos naturales son radiactivos.

Esta propiedad no dependía de la naturaleza física o química de los átomos que lo componen, sino que radicaba en el interior mismo del átomo.

b) Desintegraciones Alfa, Beta, Gamma.En realidad, la radiactividad es una manifestación de la inestabilidad en que se encuentran los núcleos de los átomos radiactivos, probablemente debido a la variación en la cantidad de partículas en el núcleo. Son justamente los elementos más pesados, es decir con Z = 83 o superior, los que presentan una gran inestabilidad nuclear, debida al gran número de protones; y no alcanzan

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su estabilidad si no es mediante los siguientes procesos de desintegración:

α- Emisión de una partícula alfa, un núcleo de Helio (2He4) formado por dos pro-tones y dos neutrones.

β- Cuando la relación de neutrones/protones en un núcleo es elevada, el núcleo se estabiliza emitiendo un neutrón.

γ- O bien como ocurre con frecuencia, emitiendo una partícula beta, es decir, un electrón.

δ- Y finalmente, cuando la relación de neutrones/protones es muy pequeña, debe ocurrir una disminución en el número de protones o aumentar el número de neutrones para lograr la estabilidad. Esto ocurre con la emisión de un electrón positivo o positrón, o bien absorbiendo el núcleo un electrón orbital.

ε- Los rayos gamma (R γ) son ondas electromagnéticas de gran energía, muy parecidos a los rayos X, que se presentan cuando ocurre una desintegración de partículas beta, o bien una emisión de positrones; no posee carga eléctrica y su energía está en relación directa con su frecuencia y velocidad.

c) Radiactividad artificial.Los esposos Irene Curie y Frédéric Joliot, descubren la radiactividad artificial, pues se percatan de que al bombardear ciertos núcleos con partículas procedentes de fuentes radiactivas éstos se vuelven radiactivos. Si la energía de las partículas es adecuada, entonces puede penetrar en el núcleo generando su inestabilidad y, por consiguiente, induciendo su desintegración radiactiva. A lo largo del tiempo el hombre ha logrado obtener una gran cantidad de ellos.

La evolución técnica con la aparición de los aceleradores de partículas y de los reactores nucleares (fuentes importantes de neutrones) facilitan la producción de gran variedad de radioisótopos.

5. Interacción de las radiaciones ionizantes con la materia.

Nos toca ahora ver qué ocurre en la materia (reino mineral) cuando es atravesada por un haz de radiación ionizante, para posteriormente analizar sus efectos en los organismos vivos (reinos vegetal, animal) y en el hombre.

Ya hemos anotado anteriormente (pg. 1) que cuando se tratan de fotones existen cinco formas de interacción con la materia; y cuando se trata de partículas, tres formas. Vamos a analizar someramente cada una de ellas.

PARA LOS FOTONES:

α- Efecto Thompson (Figura 3). Con radiaciones de energías inferiores a 10 KeV actúa sobre el átomo, que queda excitado, sin alteración de su estructura.

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La energía acumulada es liberada en forma de RX disperso de igual longitud de onda al incidente.

Figura 3

β- Efecto fotoeléctrico (Figura 4). La interacción se da con los electrones de las órbitas más internas, los de cohesión nuclear más intensa. Toda la energía del fotón es agotada en arrancar el electrón de su órbita al que comunica una energía igual a del fotón incidente menos la energía gastada en vencer la fuerza de cohesión con el núcleo. Se produce además una radiación característica del material.

Figura 4: Efecto fotoeléctrico

γ- Efecto Comptom (Figura 5). El fotón interactúa con electrones periféricos, libres, con muy poca cohesión nuclear; e interactúa en modo de dispersión elástica, con conservación de energía y de momento lineal; tanto el fotón disperso como el electrón libre pueden volver a interactuar.

Figura 5: Efecto Comptom

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δ- Formación de pares (Figura 6). Se produce en las proximidades del núcleo mediante proceso elástico, sin cambios estructurales, del núcleo, con fotones de energía superior de 1,022 MeV, formándose dos electrones (uno positivo y otro negativo); el electrón negativo sale libre e interactúa mientras que el positrón se desintegra en dos fotones, de 0,511 MeV cada uno con sentidos opuestos y perpendiculares a la trayectoria del positrón. El positrón también interactúa. Es el modo más frecuente en energías superiores a decenas de MeV

Figura 6: Formación de pares

ε- Desintegración fotónica (Figura 7). Se da con energías superiores a 10 MeV. Choca directamente con el núcleo, sin interaccionar con los electrones; el núcleo queda en estado de excitación del que sale con la emisión instantánea de un nucleón u otro fragmento nuclear.

Figura 7: desintegración fotónica

ζ- El que se dé una u otra forma de acción está en relación con una serie de

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factores como son: la energía de la radiación, el nº másico del material sobre el que incide. De esta forma podemos que el el efecto Fotoeléctrico predomina en aquellos casos de bajas energías, inferiores siempre a 500 KeV; el efecto Comptom predomina en casos de energías medias, entre 0,5 y 5 MeV, siendo exclusivo en la franja entre 1 y 4 MeV; finalmente la Producción de pares predomina en energías altas, superiores de 15-20 MeV.

En energías en los alrededores de los 400 KeV, se reparten casi por igual efecto fotoeléctrico y efecto Comptom; y lo mismo podemos decir para energías en los alrededores de los 10 MeV con los efectos Comptom y la formación de pares.

El nº másico (Z) también tiene su influencia. En la gráfica observamos cómo a partir de Z=80 desaparece el efecto fotoeléctrico y predominan el efecto Comptom en energía medias y la formación de pares en las altas.

Tabla III. Predominio interacción

EN RELACIÓN CON LAS PARTÍCULAS:

α- Colisiones elásticas (Figura 8). Se produce sin cambios de la estructura interna del átomo. Sólo existe un intercambio de energía cinética.

Figura 8: Colisión elástica

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e-

e-

Colisión elástica

β- Colisiones inelásticas (Figuras 9 y 10). El átomo sufre una alteración en su estructura, produciéndose bien un desplazamiento del electrón de una órbita a otra (excitación), o bien un arrancamiento del electrón fuera del átomo (ionización).

Figura 9: excitación Figura 10: ionización

γ- Colisiones radioactivas (Figura 11). La partícula sufre una desviación de su trayectoria, por interacción electromagnética con el núcleo. Sufre una pérdida de energía en forma de fotón que se denomina radiación de frenado (Bremsstrahlung).

Radiación de frenado

Figura 11: Colisión radioactiva

Hemos analizado sumariamente los efectos de las radiaciones ionizantes sobre la materia inerte y tenemos que entrar en el gran capítulo de los efectos de dichas radiaciones sobre los organismos vivos y lo haremos también con brevedad y centrado en la persona humana.

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Colisiónradiativa

e-

e-

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