Biología y Física: Radiación y Modelos Atómicos

Medicina Nuclear

• La bibliografía básica incluye textos de Biofísica (Mario Parisi) y Física Biológica (Micó).
• El Dr. Hugo Monfredini es un especialista en este campo.

Física Atómica

• La física atómica estudia las propiedades y el comportamiento de los átomos, enfocándose en su núcleo (protones y neutrones) y los electrones que los rodean.
• Se relaciona con la física cuántica, analizando el comportamiento de las partículas subatómicas según la mecánica cuántica.
• Investiga cómo los átomos interactúan entre sí y con otros tipos de radiación, incluyendo procesos que implican cambios en los electrones.

Radiaciones Ionizantes

• Estas radiaciones poseen suficiente energía para ionizar átomos o moléculas, arrancando electrones de sus orbitales.
• Tienen la capacidad de producir alteraciones a nivel celular y subcelular en la materia viva, induciendo daño directo al ADN o generando radicales libres.
• Ejemplos de radiaciones ionizantes son los rayos X, gamma, cósmicos y UV.

Radiaciones No Ionizantes

• Estas radiaciones carecen de la energía suficiente para ionizar átomos.
• Su interacción con la materia se limita a la excitación de electrones a otros estados de mayor energía, o al calentamiento.
• Ejemplos de radiaciones no ionizantes son la luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio.

Usos de Radiaciones Ionizantes en Medicina

• Fines Diagnósticos (sin generación de imágenes): Determinaciones radioisotópicas in vitro e in vivo (captación de [131).
• Fines Diagnósticos (con generación de imágenes): Radiología convencional, tomografía contrastada, TAC, Centellografía, Gammagrafía, PET-TAC.
• Fines Terapéuticos: Tratamiento de hipertiroidismo, carcinoma de tiroides (utilizando I131), tratamiento del dolor (con Sr89) y Radioterapia externa con fuentes de Co60.
• Terapias con RX y partículas aceleradas: Incluyen aceleradores circulares y lineales.
• Investigación: Seguimiento de moléculas marcadas y estudio de permeabilidad de membranas.

Rayos Ultravioleta (UV)

• Son una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda entre 100 nm y 400 nm.
• Situados entre los rayos X y la luz visible.
• La energía suficiente para excitar electrones en átomos y moléculas, produciendo efectos biológicos significativos.
• La capacidad para ionizar átomos depende de la longitud de onda.
• Clasificadas en UV-A, UV-B y UV-C de acuerdo a su longitud de onda.

UV-A (315-400 nm)

• Es la radiación UV menos energética.
• Alcanza la superficie terrestre aproximadamente al 95%.
• Tiene menor capacidad para dañar el ADN.
• Penetra profundamente en la dermis. -Efectos Biológicos: fotoenvejecimiento de la piel, daño celular oxidativo y bronceado. Contribuyen al cáncer de piel por mecanismos indirectos. -Aplicaciones Médicas: fototerapia para enfermedades dermatológicas como la psoriasis.

UV-B (280-315 nm)

• Posee mayor energía que UV-A.
• Filtrada en gran parte por la capa de ozono, solo llega al 5% de la radiación UV a la superficie terrestre
• Altamente energética para causar daño directo al ADN celular,
• Penetra menos profundamente, afectando principalmente la epidermis. -Efectos Biológicos: quemaduras solares, carcinogénesis cutánea, formación de dímeros de pirimidina en el ADN. Es esencial para la síntesis de vitamina D.
• Aplicaciones Médicas: fototerapia para psoriasis y otras afecciones cutáneas.

UV-C (100-280 nm)

• Es la radiación UV más energética y dañina.
• Absorbida casi totalmente por la capa de ozono y la atmósfera terrestre.
• Extremadamente efectiva para ionizar átomos y moléculas y eliminar microorganismos.
• Usada para desinfección (médica e industrial). -Efectos Biológicos: Puede ser letal para células si no se toman precauciones; mutaciones en ADN.
• Aplicaciones Médicas: esterilización de equipos médicos, desinfección de superficies.

Fuentes de Radiación UV

• Naturales: Principalmente el Sol.
• Artificiales: Lámparas UV (esterilización o fototerapia), camas de bronceado (aumento riesgo de cáncer de piel), lámparas germicidas (desinfección) y soldadura eléctrica (produciendo UV como subproducto).

Efectos Biológicos del UV en los Seres Vivos

• Beneficios: Síntesis de vitamina D, aplicaciones terapéuticas en fototerapia.
• Perjudiciales: Daño al ADN, carcinogénesis, inmunosupresión cutánea, fotoenvejecimiento.

Protección contra los Rayos UV

• Filtros solares: Bloqueadores solares (físicos y químicos).
• Ropa protectora: Ropa oscura y/o con protección UV.
• Evitar exposición directa al sol: Evitar la exposición solar entre las 10 a.m. y 4 p.m.
• Gafas de sol: Con protección UV.

Rayos infrarrojos (IR)

• Son un tipo de radiación electromagnética que se encuentra entre la luz visible (roja) y las microondas, con longitudes de onda entre 700 nm y 1 mm.
• Su característica principal es la capacidad para transferir calor.
• Se utilizan en medicina y tecnología por sus propiedades de calentamiento.
• Fuentes naturales: Sol, cuerpos calientes (humanos, plantas, animales, lava), incendios.
• Fuentes artificiales: Lámparas de infrarrojos, diodos emisores (control remoto), láseres, resistencias eléctricas (estufas, calefactores).
• Usos: Medicina, terapia física, imágenes, astronomía, meteorología, vigilancia, telecomunicaciones, industria, agricultura, alimentos, automotriz y arqueología.
• Efectos biológicos: Aumento de la temperatura de los tejidos, vasodilatación, eritema (enrojecimiento piel), envejecimiento cutáneo, posible daño celular.

Estructura Atómica

• Átomo: Unidad fundamental de la materia.
• Partículas subatómicas: Electrones (carga negativa que orbitan el núcleo), Protones (carga positiva, núcleo), Neutrones (sin carga, núcleo).
• Núcleo: Concentra casi toda la masa del átomo.
• Nube electrónica: Zona alrededor del núcleo donde se encuentran los electrones en diferentes niveles de energía.
• Número atómico (Z): Número de protones en el núcleo; identifica el elemento.
• Masa atómica (A): Suma de protones y neutrones; determina la masa del átomo.

Modelos Atómicos

• Dalton (1803): Átomos como esferas sólidas, indivisibles. Limitación: No explica la existencia de partículas subatómicas ni cargas eléctricas.
• Thomson (1897): "Budín de pasas"; átomo como esfera de carga positiva con electrones incrustados. Limitación: No explica la estabilidad ni la ubicación precisa de las partículas.
• Rutherford (1911): Con núcleo central con carga positiva, concentrando casi toda su masa, y electrones girando alrededor. Limitación: No explica la distribución ni la estabilidad de las órbitas.
• Bohr (1913): Electrones se mueven en órbitas discretas con niveles de energía definidos, pudiendo saltar entre ellas. Limitación: Solo explica el átomo de hidrógeno.
• Mecano-cuántico (1926): electrones como nubes de probabilidad (orbitales), no órbitas fijas, incertidumbre en la posición y momento. Es el modelo más aceptado hoy en día.

Partículas Fundamentales del Modelo Estándar

• Fermiones: Constituyen la materia (quarks y leptones). Ejemplos: Quarks (arriba, abajo, encanto, extraño, cima, fondo); Leptones (electrón, muón, tau y sus neutrinos correspondientes).
• Bosones: Son partículas mediadoras de las interacciones. Ejemplos: Gluones (fuerte), Fotones (electromagnética), Bosones W y Z (débil), Bosón de Higgs (da masa a las partículas).

Isótopos

• Son variantes de un mismo elemento químico con diferente número de neutrones, pero con el mismo número atómico.
• Podrían ser naturales o artificiales.
• Ejemplos en el caso del carbono: C-12, C-13, C-14.

Carbono-14: Formación, Vida Media y Usos

• Formación: Se forma en la atmósfera por interacción de rayos cósmicos con átomos de nitrógeno-14.
• Vida media: 5,730 años.
• Usos: Datación de restos arqueológicos (huesos, tejidos, madera), estudios antropológicos y paleontológicos, geología y estudios climáticos.

Otros conceptos

• Isóbaros: Igual A (número másico).
• Isótonos: Igual N (número de neutrones).
• Isómeros: Igual número atómico (Z), igual número másico (A), y diferente estructura de agrupamiento que implica diferentes niveles de energía.

Nucleido o Nuclídeo

• Una especie atómica definida por las propiedades de su núcleo (número de protones y neutrones).
• Ejemplo: Carbono-12 (6 protones y 6 neutrones), Carbono-14 (6 protones y 8 neutrones), Uranio-235 (92 protones y 143 neutrones).
• Propiedades de los nucleidos dependen de su composición nuclear (estabilidad o radiactividad).

Tipos de Nucleidos según Estabilidad

• Nucleidos estables: Su estructura química no cambia con el tiempo, balance entre repulsión y atracción de protones. Depende de la relación entre neutrones y protones.
• Nucleidos inestables (radionucleidos): Su estructura cambia con el tiempo, donde los protones y neutrones reorganizan la composición para lograr estabilidad. Ejemplos naturales o artificiales.

Los Nucleidos Inestables

• Naturales: Se encuentran en la naturaleza (ej. Carbono-14).
• Artificiales: Se producen en los laboratorios.

Energía de las Órbitas Electrónicas

• Los electrones orbitan el núcleo en niveles de energía específicos. Cuanto más cerca del núcleo, menor es la energía.
• Los electrones de la órbita más externa son los electrones de valencia, determinando la afinidad química del elemento.
• Transiciones electrónicas: Los electrones pueden saltar entre órbitas, absorbiendo o emitiendo energía en forma de fotones (luz).
• Modelo cuántico actual: Los electrones están en orbitales, que son regiones de probabilidad; no órbitas definidas.

Radiactividad

• Es el proceso por el cual los núcleos atómicos inestables se desintegran de forma espontánea, liberando energía y radiación para alcanzar una configuración más estable.
• Isótopos radiactivos: ejemplos de los isótopos radiactivos son: carbono-14 y uranio-238.
• Radiación: la energía emitida en forma de partículas (alfa, beta) o ondas electromagnéticas (rayos gamma).

Fuente Radiactiva

• Materiales que contienen isótopos radiactivos que emiten radiación continuamente por la desintegración de sus núcleos inestables. Ejemplos:Cobalto-60, Uranio-235, Americio-241.

Desintegración Radiactiva

• Procesos por los cuales los núcleos inestables se transforman en núcleos más estables, emitiendo partículas o energía en forma de radiación.
• Ejemplos: Desintegración alfa (emisión de partículas alfa), beta (emisión de partículas beta), gamma (emisión de rayos gamma).

Actividad y Tiempo Medio Radiactivo

• Actividad radiactiva (Bq): Número de desintegraciones en la unidad de tiempo.
• Tiempo medio radiactivo (vida media): Tiempo necesario para que la mitad de los átomos radiactivos de una muestra se desintegren. Ejemplos: Carbono-14, y otros isótopos.

Radiaciones

• Tipos de desintegración radiactiva: Partículas alfa, beta y rayos gamma.

Partículas Alfa

• Partículas compuestas por 2 protones y 2 neutrones, emitidas por núcleos pesados.
• Baja penetración.
• Alta ionización.
• Ej: Radón-222.

Partículas Beta

• Partículas de origen nuclear que son cargadas eléctricamente.
• Se emite un neutrino o antineutrino.
• Ejemplos: positrones y electrones. Son moderadamente penetrantes e ionizantes.

Rayos Gamma

• Son ondas electromagnéticas emitidas por núcleos excitados.
• No cambian el número atómico ni el número másico.
• Son muy penetrantes pero poco ionizantes.
• Ej: Cobalto-60.

Interacción Rayon-Materia

• Rayos X: Sus interacciones con la materia son complejas. En algunas reacciones con la materia se generan nuevos rayos X.
• Rayos Gamma: Sus interacciones con la materia pueden ser: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, y la formación de pares.

Radiodosimetría

• La ciencia que mide las dosis de radiación absorbidas por los tejidos.
• Tipos de dosis: dosis de exposición, dosis de absorción, dosis equivalente, dosis efectiva.

Dosis de Exposición

• Cantidad de radiación ionizante que hay en el aire antes de entrar en contacto con el cuerpo.

Dosis de Absorción

• Es la energía absorbida por unidad de masa de tejido, usando la unidad gris (Gy).

Dosis Equivalente

• Se considera el efecto biológico de la radiación en distintos tejidos. Se mide en sievert (Sv)

Dosis Efectiva

• Considera tanto el tipo de radiación como la sensibilidad de los tejidos o órganos específicos en el cuerpo. Se mide en sievert (Sv).

Fuente Interna vs. Fuente Externa

• Fuente externa: Fuera del organismo. Ej.: Rayos X externos.
• Fuente interna: Dentro del organismo. Ej.: Yodo-131 captado por la glándula tiroides.

Dosimetría de Fuente Interna vs. Fuente Externa

• Fuente interna: La dosis depende de la naturaleza química, el tipo de radiación emitida, y los tiempos medios de vida biológico e isotópico del elemento.
• Fuente externa: La dosis depende de la fuente (nivel de actividad y energía de la desintegración), el tiempo de la exposición, y la distancia a la fuente.

Tiempo Medio Biológico

• Tiempo que un organismo tarda en eliminar la mitad de la sustancia radiactiva. Ej.: Yodo-131 en la tiroides (aproximadamente 8 días).

Tiempo Medio Efectivo

• El tiempo que tarda la actividad máxima de un radionúclido en un órgano en reducirse a la mitad, incluyendo la desintegración y la eliminación del organismo. Ej.: Yodo-131 en la tiroides (aproximadamente 4 días).

Dosis Máxima de Radiación Permitida

• Valores máximos de exposición a la radiación para trabajadores expuestos y público en general para evitar efectos nocivos a largo plazo. Se establece un límite para personas expuestas a áreas de alto riesgo, así como límites para el público en general.

Medidas Básicas de Protección Radiológica

• Distancia: Mantenerse alejado de la fuente de radiación.
• Blindaje: Uso de materiales protectores (ej: plomo).
• Tiempo de exposición: Minimizar el tiempo de exposición a la fuente de radiación.

Recomendaciones Generales de Protección Radiológica

• Control de acceso a áreas radiológicas: Limitar el acceso para proteger a personas no autorizadas.
• Monitoreo de dosis regular: Uso de dosímetros para monitorear la exposición de los trabajadores.
• Capacitación: Proporcionar formación sobre los riesgos de la radiación y las medidas preventivas.

Símbolos de Áreas de Radiación

• Símbolo internacional (trefoil): Advierte sobre la presencia de radiación ionizante.
• Símbolo de alta radiación: Indica áreas con niveles altos y peligrosos de radiación, donde la exposición debe ser controlada y limitada.
• Símbolo de radiación extrema o letal: Señala fuentes de radiación extremadamente peligrosas e implica peligro letal.
• Indicadores de riesgo: Los colores de las zonas (gris, verde, amarillo y rojo, respectivamente) indican niveles, de vigilancia, control, permanencia limitada, restricción, y prohibido.

Radiaciones Naturales

• Cósmica: Del espacio exterior y del Sol.
• Terrestre: Isótopos naturales en el suelo, roca, y materiales de construcción (ej. potasio-40, uranio, torio).
• Interna: Presentes en el cuerpo por ingesta de alimentos y agua (ej.: potasio-40, carbono-14).
• Gas radón: Se produce por desintegración de uranio y torio en lugares cerrados.

Mecanismos de Lesión por Radiación

• Ionización y generación de radicales libres: Rompe enlaces químicos y produce radicales libres altamente reactivos que dañan las células.
• Daño al ADN: Causa rupturas en las cadenas de ADN, generando mutaciones.
• Efectos celulares y sistémicos: Puede provocar de la muerte celular, respuestas celulares e incluso efectos tardíos, como cáncer.

Radiosensibilidad de los Tejidos

• La susceptibilidad de los tejidos a sufrir daño por radiación ionizante.
• Principios de radiosensibilidad: Tejidos con alta tasa de división celular y actividad metabólica son más sensibles (ej: médula ósea, folículos pilosos, piel, epitelios).
• Tejidos con baja tasa de división celular y actividad metabólica son menos sensibles (ej: cartílago maduro, riñón, músculo).

Efectos Estocásticos

• Probabilidad de los efectos se incrementa con la dosis, pero no la gravedad.
• No hay un umbral de dosis. Ej.: Cáncer, daño genético a la descendencia.

Efectos Deterministas

• Ocurren cuando la dosis de radiación supera un umbral específico.
• La gravedad aumenta con la dosis. Ej.: Quemaduras, síndrome de radiación aguda, cataratas.

Enfermedad por Radiación

• Conjunto de síntomas y efectos fisiológicos que ocurren en exposición a alta dosis de radiación.
• Afecta tejidos con alta tasa de división celular (médula ósea, sistema gastrointestinal, piel), pudiendo llevar a la muerte. Depende de la dosis, la rapidez de la exposición, y el tipo de radiación. Presenta síntomas de la fase prodrómica, latente, de estado y de recuperación o muerte.

Dosis Letal y Dosis Letal 50 (LD50)

• Dosis de radiación que causa la muerte.

• LD50: Dosis que causa la muerte en el 50% de la población expuesta en un período de tiempo determinado. (Ej: LD50/30 – 30 días. Usos y ejemplos en tecnología y situaciones de exposición).

• Detectores de Radiación*

• Basados en la impresión de placas: Registran la exposición acumulada (ej.: dosímetros de película).

• Basados en la ionización de un gas: Detectores de gas (ej.: contadores Geiger-Müller, contadores proporcionales).

• Basados en el fenómeno de centelleo: Emplean cristales que emiten destellos de luz al ser impactados por la radiación (ej.: contadores de centelleo).

Radioinmunoensayo (RIA)

• Técnica de laboratorio (inmunología y física nuclear) para medir concentraciones de sustancias en el organismo.
• Método sensible y preciso.
• Se basa en marcaje radiactivo, competencia antigénica y formación de complejos antígeno-anticuerpo.

Uso de Isótopos Radiactivos para Estudios Metabólicos

• Se utilizan trazadores radiactivos que no afectan al sistema ni alteran las propiedades fisicoquímicas y biológicas de la sustancia, y se detectan fácilmente por sus características de radiación. Ejemplos: La captación de [131 por la glándula tiroides y la determinación de la supervivencia eritrocitaria con C51.

Usos Terapéuticos de las Radiaciones

• Radioterapia para el cáncer: Utiliza rayos X, gamma o partículas para destruir células cancerosas.
• Braquiterapia: Inserción de material radiactivo directamente en el tejido tumoral.
• Terapia con radioisótopos: Administración de radioisótopos que se acumulan en ciertos órganos (ej: Yodo-131 en hipertiroidismo).
• Radiocirugía: Empleando haces de radiación de alta precisión para tratar lesiones cerebrales o malformaciones arteriovenosas.
• Alivio del dolor óseo metastásico: Radiofármacos para dolor en huesos con metástasis.

Tipos de Aceleradores de Partículas

• Aceleradores lineales (Linacs): Acelera electrones en línea recta, para radioterapia.
• Aceleradores de partículas (Ciclotrones y sincrotrones): Acelera partículas (ej. protones) en círculos, usado en radioterapia u obtención de radioisótopos.
• Aceleradores para investigación: (ej. LHC) se emplean para estudiar partículas subatómicas.

Este cuestionario evalúa tus conocimientos sobre los efectos de la radiación, específicamente los rayos infrarrojos, y los modelos atómicos de Dalton y Thomson. También cubre temas relacionados con la biología celular y la exposición a radiación. ¡Pon a prueba tu comprensión en estos temas fascinantes!