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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
m
Sus 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.
2. Fuerza fundamental débil: con una intensidad relativa de 1026, está
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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)
↑
3
Na23
11
↓
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
2
60
y Ni60);
1H ); con igual nº másico pero distinto número atómico, son isóbaros (Co
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 su
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estabilidad si no es mediante los siguientes procesos de desintegración:
α - Emisión de una partícula alfa, un núcleo de Helio (2He4) formado por dos protones 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. La
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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 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
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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.
ee-
Colisión elástica
Figura 8: 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
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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).
ee-
Colisión
radiativa
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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