Unidad 2: Radiaciones

Unidad 2: Radiaciones

1. DEFINICIÓN

   • Es la emisión, propagación y transferencia de energía, a través del vacío o de un medio material, en forma de onda electromagnética (Rayos X, Rayos gamma, ...) o bien en forma de partícula (α, β, p, ...).

2. TIPOS

   • SEGÚN SU NATURALEZA
     • Radiación electromagnética
       • Es una propagación ondulatoria de energía eléctrica y magnética cuyas intensidades varían en planos perpendiculares. Todas tienen la misma velocidad en el vacío (c = 300.000 km/segundos), diferenciándose por las diferentes longitudes de onda o frecuencia.
       • Tipos
         • Radiaciones ionizantes
           • Rayos x y rayos gamma
         • Radiaciones ópticas
           • Luz visible, luz infrarroja, luz ultravioleta, rayos t y radiofrecuencias
     • Radiación corpuscular
       • Son debidas a la propagación de partículas subatómicas dotados de gran velocidad, aunque siempre inferior a la de las radiaciones electromagnéticas.
   • SEGÚN SU EFECTO BIOLÓGICO
     • Radiaciones ionizantes
       • De alta energía
       • Estas radiaciones al incidir sobre los tejidos, pierden parte de la energía, separando electrones de los átomos sobre los que inciden y transformándose en iones.
       • Tipos
         • Corpusculares, constituida por partículas subatómicas (electrones, neutrones, protones), radiaciones alfa, beta y rayos cósmicos.
         • Electromagnéticas, son los rayos gamma y los rayos X.
     • Radiaciones no ionizantes
       • De baja energía
       • no son ionizantes, el efecto biológico es menor, actuando más bien a través del efecto térmico, mecánico y fotoquímico en los tejidos.
       • Tipos
         • Son de tipo electromagnético y engloba las radiaciones ópticas (ultravioleta, visible e infrarroja), rayos T, ELF, radiofrecuencias y microondas.

3. Forma de obtener las radiaciones

   • - Desintegración de núcleos inestables. Cuando un núcleo inestable experimenta un proceso de desintegración radiactiva, se transforma en otro núcleo que posee o que conducirá a una configuración más estable.
     • En los procesos radiactivos en los que se emiten partículas cargadas (emisión alfa y emisión beta), el núcleo residual pertenece a una especie nuclear distinta de la del núcleo original.
     • En los procesos en los que tan sólo se emite radiación electromagnética (emisión gamma) el núcleo residual pertenece a la misma especie nuclear que el originario.
   • - Interacción de partículas con la materia. Cuando las partículas interaccionan con la materia se pueden producir colisiones elásticas, colisiones inelásticas y radiaciones radiactivas (de frenado).
     • Las partículas pueden perder su energía al interaccionar con la materia produciendo excitaciones (movimientos de electrones a niveles energéticos más alejados del núcleo)
     • ionizaciones (arrancando electrones del átomo).
     • Pueden actuar interaccionando con el campo nuclear que atraerá a las partículas y les provocará un cambio de dirección desencadenando la emisión de una energía denominada radiación de frenado (mecanismo de producción de los Rayos X)
   • - Interacción de fotones con la materia. Cuya interacción directa con los electrones de la corteza provoca desplazamiento de los mismos dejando huecos en sus órbitas, que posteriormente se ocupan y producen una radiación característica que depende del no atómico (Z) del material, a este efecto se le denomina efecto fotoeléctrico.
   • - Fusión y fisión de elementos atómicos. Que producen ruptura de núcleos atómicos (centrales nucleares) con gran desprendimiento de energía, o bien la fusión o unión de núcleos pequeños que también se acompañaría de una gran cantidad de energía.

4. DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA

   • La dualidad onda-partícula puede enunciarse de la siguiente forma: “Una partícula de masa m que se mueva a una velocidad, puede, en condiciones experimentales adecuadas presentarse y comportarse como una onda de longitud de onda λ
   • Carácter Ondulatorio: mediante la ecuación de Planck, se relaciona la energía de una radiación con su frecuencia: E = h · f
   • Carácter Corpuscular: mediante la famosa ecuación de Einstein, en la que se relaciona masa y energía, es decir, se tiene en cuenta que la radiación posee un equivalente másico: E = m · c2
   • La luz se comporta como si fuera una onda en fenómenos de refracción, difracción, interferencia, etc. En procesos de intercambio de energía con átomos y núcleos, actúa como un corpúsculo.
   • Ecuación de Broglie: λ = h / ρ

5. IONIZACIÓN

   • La IONIZACIÓN es la capacidad de introducir una carga neta dentro de un átomo neutro.
   • La ionización positiva es el proceso por el cual se arranca un electrón de un átomo. El conjunto formado por el electrón libre (con carga negativa) y el átomo resultante con carga positiva se denomina PAR IÓNICO.
   • La ionización atómica también puede deberse a un aporte de electrones al átomo, aunque en este caso se originaría su ionización negativa y se transformaría en un ión negativo.

6. EXITACIÓN

   • Cuando la energía aportada no resulta suficiente para arrancar electrones del átomo, puede serlo para desplazar electrones desde capas internas completas hasta otras más externas incompletas, creándose así huecos en las primeras. Se dice entonces que el átomo está excitado, y el fenómeno se llama EXCITACIÓN ATÓMICA.
   • Estos huecos internos son ocupados espontáneamente por electrones más externos, que caen de un nivel de energía a otro más bajo, emitiéndose al exterior la diferencia de energía entre ambos niveles. Este proceso se denomina salto electrónico o transición electrónica.

7. RADIACIONES IONIZANTES

   • RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS
     • Una onda electromagnética es aquella que se puede propagar en vacío, de forma que las ondas electromagnéticas describen la forma de desplazamiento de la radiación electromagnética a través del espacio.
     • La radiación electromagnética combina campos magnéticos y eléctricos, que transportan energía.
     • Los parámetros característicos de las ondas electromagnéticas son :
       • La longitud de onda (λ): es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda. Se mide en unidades de distancia. Se puede calcular dividiendo la velocidad de propagación de la onda entre su frecuencia: λ=v/f
       • La frecuencia (f): se define como el número de máximos que pasan por un punto por unidad de tiempo. Sus unidades son los hercios (Hz) o segundos-1. Se relaciona con la longitud de onda mediante la expresión: f=v/λ
       • La amplitud (A): es la distancia que hay entre el punto de inflexión de la onda y el máximo valor.
       • La velocidad de propagación (v): es la velocidad a la que se propagan las ondas. Se calcula multiplicando la longitud de onda por su frecuencia. En el caso de las ondas electromagnéticas tiene un valor en el vacío de c=3·108m/s.
     • Fórmulas de interés
       • E = h· f
       • c = λ · f
       • E = h · (c/λ)
     • Radiación gamma
       • La radiación gamma es un flujo de ondas electromagnéticas de alta energía.
       • Las radiaciones gamma suelen tener su origen en el núcleo excitado. A menudo, tras emitir una partícula alfa o beta, el núcleo tiene todavía un exceso de energía, que elimina en forma de ondas electromagnéticas de elevada frecuencia.
       • Cuando un núcleo excitado emite esta radiación no varía ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía proporcional a la frecuencia de la radiación emitida.
       • capaz de ser producida por materiales radiactivos como el Tecnecio-99 ó el Cobalto-60 utilizados en Medicina Nuclear tanto en el diagnóstico como en el tratamiento (radioterapia), y el Cesio-137 que se usa sobre todo para la calibración de instrumentos de medición de radiactividad.
       • estas ondas no tienen masa ni carga,
       • Debido a su pequeña longitud de onda, tiene un gran poder de penetración, siendo capaz de atravesar cientos de metros en el aire, el cuerpo humano y las materias de poca densidad, así como láminas de acero de hasta 10 cm de espesor y son detenidas solamente por capas grandes de hormigón, plomo (espesores de 12 mm), o agua.
       • posee menor capacidad de ionización que las partículas alfa y beta.
     • Rayos X
       • Los rayos X se originan al colisionar electrones acelerados (con mucha energía cinética) con la materia. Para ello, el tubo de rayos X está formado por los siguientes elementos básicos:
         • Una fuente de electrones: filamento, que se encuentra en el cátodo.
         • Un acelerador de electrones: tensión o diferencia de potencial (kV).
         • Un lugar de choque: blanco, o zona metálica donde se produce la interacción de los electrones, que se localiza en el ánodo.
   • RADIACIONES CORPUSCULARES
     • ondas corpusculares son propagaciones de energías asociadas a una masa, bien inducidas (artificiales), o bien espontáneas, sobre el vacío o un medio material.
     • suele tener su origen en la inestabilidad de los núcleos de determinados átomos. Estas radiaciones corpusculares son: radiaciones alfa (α), beta (β), neutrones y rayos cósmicos.
     • Usos principales: medicina, biología, química e industria.
     • Radiación alfa
       • Es una radiación corpuscular constituida por partículas alfa, que están formadas por 2 protones y 2 neutrones, es decir, el núcleo de un átomo de Helio, y por consiguiente tiene dos cargas positivas.
       • La emisión de radiactividad tipo alfa ocurre en general en átomos de elementos muy pesados, como el Uranio, el Torio o el Radio.
       • Al emitir una partícula alfa, el átomo cambia la composición de su núcleo, y queda transformado en otro distinto, con dos protones y dos neutrones menos, transformándose en el elemento que ocupa dos lugares anteriores en la tabla periódica. Se dice que ha tenido lugar una transmutación de los elementos.
     • Radiación beta
       • La radiación beta tiene lugar en isótopos ricos en neutrones y suelen ser elementos producidos en reacciones nucleares naturales, y más a menudo, en las plantas de energía nuclear.
       • Las partículas beta tienen una capacidad de ionización media, mayor capacidad de penetración que las partículas alfa, siendo absorbidas (frenadas) por una placa de aluminio de 5 mm de espesor o una lámina de plomo de 1 mm.
       • Esta radiación constituye un riesgo de irradiación externa e interna. La radiación beta se utiliza en el tratamiento de ciertas neoplasias.
       • 1. La radiación beta negativa consiste en la emisión de electrones por un núcleo atómico, proveniente de la descomposición del neutrón (neutrón = 1protón + 1 electrón + 1 antineutrino).
         • Cuando un núcleo expulsa una partícula beta, un neutrón es transformado en un protón. El núcleo pierde una unidad de carga negativa, y hace que aparezca una carga positiva, por lo que Z aumenta una unidad, convirtiéndose en el elemento inmediatamente superior en la tabla periódica y su masa atómica se mantiene constante.
       • 2. Emisión beta positiva: Mediante este mecanismo un núcleo emite espontáneamente un positrón, e+, antipartícula del electrón de igual masa, pero con carga eléctrica opuesta. Lo que ocurre es que, un protón se convierte en un neutrón, un positrón o partícula Beta+ y un neutrino.
         • El núcleo pierde una carga positiva, desaparece un protón y parece un positrón, lo que lleva a que el número atómico (Z) disminuya una unidad y, en este caso se convierte en el elemento anterior de la tabla periódica, conservándose la misma masa.
     • Neutrones
       • Los neutrones , son partículas procedentes del espacio exterior, de colisiones entre átomos en la propia atmósfera o de desintegraciones radiactivas espontáneas o artificiales dentro de reactores nucleares.
       • Son partículas de masa cuatro veces inferiores a las de las partículas alfa, y sin carga, por lo que tienen una gran energía y son muy penetrantes. Sólo pueden ser detenidas por gruesos muros de hormigón, plomo, parafina o agua.
     • Rayos cósmicos
       • Los rayos cósmicos son partículas altamente energéticas que bombardean la superficie de la Tierra procedentes del espacio exterior.
       • Son núcleos de átomos (en gran parte, Hidrógeno), protones o electrones que inciden sobre la Tierra,
       • Según su mayor o menor capacidad de penetración se clasifican en duros y blandos. Junto con las radiaciones de las partículas del suelo y agua forman la llamada radiación de fondo.

8. RADIACIONES NO IONIZANTES

   • Las radiaciones no ionizantes, son aquellas que no poseen la suficiente energía para ionizar. Constituyen, en general, la parte del espectro electromagnético cuya energía fotónica es demasiado débil para romper enlaces iónicos, produciendo como mucho, excitaciones electrónicas.
   • RADIACIÓN ULTRAVIOLETA
     • UV-A o radiaciones ultravioleta larga o próxima, cuya longitud de onda va de 380 a 320nm.Es la radiación que con más intensidad llega a la Tierra; puede penetrar en los tejidos.
     • UV-B o radiación ultravioleta media, con una longitud de onda de 320 a 280nm. Se utiliza para la aplicación del efecto fotoquímico.
     • UV-C o radiación ultravioleta lejana, corta o radiación germicida, con una longitud de onda de 280 a 200nm. Presenta el máximo de energía y el máximo de los efectos germicidas, por lo que se emplea preferentemente en los procesos de esterilización.
     • Las propiedades que presenta la radiación ultravioleta son:
       • Fluorescencia. La radiación UV provoca al incidir en determinadas sustancias, la emisión de radiación visible.
       • Efecto fotoquímico. Tiene especial importancia las lesiones en el ADN.
       • Efecto fotoeléctrico. La radiación ultravioleta al incidir sobre determinadas sustancias produce una emisión de electrones, que sirve, entre otras cosas, para la dosimetría de la radiación ultravioleta.
   • LUZ VISIBLE
     • El ojo humano tiene la capacidad de ver la radiación electromagnética de longitud de onda comprendida entre los 400 y los 760nm.
     • Es lo que se denomina radiación visible y va desde el rojo al violeta. La luz visible está producida por los electrones más externos de un átomo.
     • El efecto principal es el fotolumínico, y se obtiene mediante corriente eléctrica. Se emplea con fines domésticos, sociales e industriales.
     • Este tipo de radiación es detectada por detectores de película, células fotoeléctricas y por el ojo.
   • RADIACIÓN INFRARROJA
     • Es emitida por cuerpos calientes y se producen por las vibraciones moleculares y por las excitaciones de los electrones más externos de los átomos.
     • La radiación infrarroja posee un efecto fototérmico superficial sobre la zona de piel a tratar.
     • Se detectan con dispositivos de calor y película. La mayor parte de los sólidos son opacos a esta radiación.
     • Sus indicaciones sanitarias son las siguientes: Termoterapia, fototerapia y en el diagnóstico
   • RADIACIÓN T
     • La radiación de terahertzios (o Rayos T) es una región del espectro situada entre el infrarrojo lejano y las microondas.
     • Los rayos T son ondas electromagnéticas que se propagan en las frecuencias en el rango de terahertz, de modo que son radiaciones no ionizantes.
     • Los Rayos T permiten detectar a distancia y sin contacto todo tipo de materiales y aunque la radiación de los terahertzios no penetra a través de los metales ni del agua, sí lo hace a través de muchos materiales comunes, como el cuero, textiles, el cartón y el papel.
     • Los rayos T también pueden penetrar en el cuerpo humano hasta casi medio centímetro de profundidad, y ya han comenzado a permitir a los médicos descubrir y tratar mejor ciertos tipos de cáncer, sobre todo los de piel y los de mama.
   • CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS
     • Campos estáticos
       • Los campos estáticos (0 Hz) son campos que no varían en el tiempo.
       • Se originan cuando la corriente eléctrica que fluye es continua.
       • Los campos eléctricos estáticos se producen de forma natural en la atmósfera, especialmente bajo las nubes de tormenta y pueden provocar la caída de rayos.
       • El campo magnético terrestre es también un campo estático y provoca la orientación de las agujas de las brújulas en dirección Norte-Sur
       • La principal acción es la inducción de cargas y corrientes eléctricas.
     • CEM de frecuencias extremadamente bajas (ELF)
       • Los campos electromagnéticos variables en el tiempo que producen los aparatos eléctricos son un ejemplo de campos de frecuencia extremadamente baja
       • La exposición de las personas a los campos ELF proviene, en su mayor parte, de la generación, transmisión y utilización de la energía eléctrica
       • No existen pruebas convincentes de que la exposición a campos de ELF cause daño directo al ADN y, por tanto, carcinogénesis; sin embargo, puede influir en la estimulación o coestimulación del cáncer.
       • Las ondas de radio o la exposición a campos eléctricos, serían capaces de modificar los flujos iónicos a través de las membranas celulares, y, por tanto, alterar su función.
     • Campos de Frecuencia Intermedia (FI)
       • Las pantallas de visualización de datos (PVD), los dispositivos antirrobo y los sistemas de seguridad son las principales fuentes de campos de frecuencia intermedia (FI), con frecuencias de 300 Hz a 10 MHz.
       • Las pantallas de visualización de datos (PVD) emiten casi todo el espectro de radiaciones electromagnéticas.
     • CEM de Radiofrecuencia (RF)
       • Las principales fuentes de campos de RF son la radio, la televisión, las antenas de radares y teléfonos móviles y los hornos de microondas.
       • Estos campos se utilizan para transmitir información a distancias largas y son la base de las telecomunicaciones,
       • Una exposición prolongada a las microondas podría dar lugar a quemaduras,
       • Las microondas son capaces de depositar su energía en el interior de los tejidos y este fenómeno se utiliza en los hornos de microondas para calentar alimentos.
       • Los teléfonos móviles, incluso los efectos adversos más pequeños pueden tener graves consecuencias para la salud pública.
     • la Organización Mundial de la Salud (OMS) creó en 1996 el Proyecto Internacional CEM, para evaluar las pruebas científicas de los posibles efectos sobre la salud y el medio ambiente de la exposición a campos eléctricos y magnéticos estáticos y variables en el tiempo, en el intervalo de frecuencias de 0 a 300GHz.
   • RADIACIÓN LÁSER
   • RADIACIÓN LÁSER
     • El término láser corresponde a las siglas en inglés de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”
     • La radiación láser son rayos de haces paralelos y dirigidos.
     • Se utiliza en la industria, medicina (tratamientos dermatológicos, oculares, cirugía, odontología) y comunicaciones.
     • En el material que recibe el haz láser, la energía absorbida se transforma en calor, por lo que causa un efecto térmico.
     • Los órganos críticos son los ojos y, en menor medida, la piel (eritemas, quemaduras).