Unidad 10 Radiaciones - G. Sánchez - PDF

Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 59 UNIDAD 10 NATURALEZA ATÓMICA DE LA MATERIA Y RADIACIONES EL NÚCLEO Y SUS CONSTITUYENTES. El átomo se compone de un núcleo minúsculo rodeado por un espacio fundamentalment...

Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 59 UNIDAD 10 NATURALEZA ATÓMICA DE LA MATERIA Y RADIACIONES EL NÚCLEO Y SUS CONSTITUYENTES. El átomo se compone de un núcleo minúsculo rodeado por un espacio fundamentalmente vacío con algunos electrones en órbitas. El núcleo puede fragmentarse en partículas más fundamentales que son el protón y el neutrón. Todos los núcleos con el mismo número de protones son isótopos del mismo elemento químico, aunque no necesitan tener el mismo número de neutrones. La diferencia en el número de neutrones explica la diferencia de masa entre isótopos de un elemento. El modelo de Rutherford es el de un sistema solar en miniatura con el núcleo en lugar del Sol y electrones en lugar de los planetas, siendo eléctricas las fuerzas que mantienen el sistema. RADIACIÓN. La radiación es una emisión de energía asociada a ondas electromagnéticas o emisión de partículas por un cuerpo. EFECTO FOTOELÉCTRICO. Cuando la luz visible incide en el vacío sobre una lámina de metal alcalino que está eléctricamente aislada, la lámina emite electrones y la emisión comienza tan pronto como la radiación llega a la lámina. Planck encontró que los átomos sólo pueden emitir a la vez una cantidad fija de radiación, llamadas cuantos o fotones. Einstein demostró que la energía era absorbida también en forma de cuantos. El efecto fotoeléctrico se aplica en los contadores automáticos, alarmas contra robos donde se interrumpe un haz luminoso que está incidiendo sobre una célula fotoeléctrica. Lecturas: 1905, inicia la era de la relatividad. El legado de un genio.  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 60 NATURALEZA ONDULATORIA DE LA MATERIA. La radiación actúa unas veces como partículas y otras como ondas y esta dualidad existe en toda la física atómica donde las propiedades de ondas y partículas quedan entremezcladas. Individualmente, en su interacción con los átomos, los fotones actúan como partículas; en grandes números, muestran todas las propiedades asociadas a las ondas. ABSORCIÓN Y EMISIÓN DE ENERGÍA. En los átomos, moléculas y metales cualquier electrón ocupará normalmente el nivel de energía más baja disponible; pero si en un choque con una partícula atómica o un fotón, adquiere energía suficiente, puede ser eliminado por completo del átomo o ascender a un nivel de energía más alto, se dice que el átomo está excitado y no puede encontrarse mucho tiempo en ese estado. Puede volver directamente al estado fundamental, emitiendo el exceso de energía en forma de un fotón de radiación, o que descienda pasando por niveles de energía intermedios. En este último caso, será emitido cierto número de fotones, cada uno de los cuales corresponde a un paso particular de un estado de energía a otro. Los espectros óptico, ultravioleta e infrarrojo, emitidos por los átomos y las moléculas, son debidos en formas distintas a los cambios de los electrones de valencia, es decir los más exteriores, o bien, en el caso de las moléculas, a cambios de energía de vibración o rotación. La emisión de rayos X, implica cambios en niveles electrónicos más profundos del átomo. Si un átomo excitado vuelve al estado fundamental del modo normal, se dice que experimenta una emisión espontánea. Pero puede ser inducido a una emisión estimulada por la presencia de un cuanto de radiación de energía como se utiliza en el láser. En muchas moléculas la absorción de energía también da lugar a un cambio en los estados de energía de rotación o vibración. Muy a menudo, la radiación emitida está en la región visible, si la radiación absorbida se encuentra en el ultravioleta, el fenómeno se conoce como fluorescencia, utilizado principalmente con fines de identificación y muchos otros. En ocasiones la molécula excitada cae a un estado intermedio que se dice es metaestable. La energía emitida es menor que en el caso de la fluorescencia y la longitud de onda de la radiación es más larga, esto se conoce como fosforescencia. Este fenómeno se utiliza en la prueba forense para encontrar manchas de sangre. LÁSER. El láser es un foco que utiliza la emisión estimulada por un haz luminoso. La densidad de energía queda aumentada debido a que se concentra en un haz estrecho y paralelo que actúa como una onda continua. Puede efectuarse la medida directa de una distancia, puede ser enfocado por una lente y ser capaz de vaporizar pequeñas regiones sin dañar su entorno. En esta propiedad se basan muchas de las aplicaciones del láser en biología y medicina, por ejemplo, en cirugía oftálmica, tratamiento de tumores, obturación de vasos cuando son cortados, extirpación de formaciones cancerosas, etc. Puesto que no hay contacto físico con la formación o tejido que la rodea, queda eliminado el peligro de diseminar la formación durante la intervención. La técnica  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 61 del láser puede combinarse también con la de las fibras ópticas para algunos tipos de tratamiento interno, por ejemplo, en la hemorragia gástrica. Lectura: Láser. El bisturí mágico. RAYOS X. Los rayos X se producen por la transición de electrones en átomos cuyo número de protones Z es mayor que 10 o cuando un electrón acelerado pasa por el campo eléctrico de un núcleo que ejerce un frenado en su movimiento. Si un electrón incidente rápido choca con un electrón de un átomo que se encuentra en uno de los niveles de energía más bajos, puede impartirle suficiente energía como para arrancarlo por completo del átomo. Otro electrón de un nivel de energía más alto caerá para ocupar el nivel ahora vacante. El exceso de energía será radiado y si la energía es bastante grande, se efectuará en forma de un cuanto de radiación X. Cuando los rayos X producidos por estos aparatos pasan a través del organismo hay una absorción notablemente mayor en los huesos que en los tejidos. Los órganos cuya absorción es apenas superior a la de los tejidos que los rodean puede conseguirse que aparezcan más claramente haciendo que contengan, cuando se toma la radiografía, una sustancia que sea buen absorbente de los rayos X. Para este fin se administra con frecuencia a los pacientes sales de bario o se inyectan intravenosamente compuestos de yodo. PELIGROS DE LA RADIACIÓN. Cada cuanto de rayos X transporta una energía del orden de los 10 000 eV y si es absorbido por una célula viva, sólo quedan afectadas una o unas pocas moléculas de ella y puede causar la expulsión de electrones de las moléculas afectadas y, si estos toman parte en un enlace químico, cabe que la molécula se fragmente en sus componentes o incluso si no se fragmenta, puede alterarse su estructura. El OH es un poderoso agente oxidante que atrae fuertemente a los electrones para convertirse en el ion estable OH- producidos a partir de moléculas de agua que rompe enlaces químicos en proteínas y otras moléculas vivas produciendo efectos biológicos. En un gen puede tener consecuencias graves para la función celular ya que lleva la información necesaria para la síntesis de nuevo material. Si una célula muere porque se inhibe su proceso normal de reproducción, el organismo puede adaptarse bastante bien y producir sin dificultad otra célula reemplazante. El efecto sólo tiene importancia si muere a la vez un gran número de células y la pérdida no puede ser compensada por sustitución normal. Por el contrario, si una célula lesionada sobrevive, pero con un defecto irreversible, éste pasa a las células hijas y el defecto se propaga. Si crece el número de células defectuosas, la función del tejido puede ser gravemente dañada.  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 62 No todos los tejidos pueden compensar las células perdidas. Hay ciertas células, neuronas en el sistema nervioso y oocitos en el ovario, que una vez formadas no pueden reemplazarse. La destrucción de tales células es de la mayor importancia. Un organismo que pierde demasiadas células irremplazables, o en el cual fallan tejidos, está gravemente afectado, a menudo letalmente. Los mayores peligros para la población son: el empleo creciente de los rayos X en medicina con fines de diagnóstico y terapia, las pruebas de armas atómicas, su utilización y los accidentes nucleares con las consiguientes lluvias radiactivas. Toda radiación produce perjuicios biológicos y, en particular, mutaciones genéticas, siendo más probable el resultado más notable un crecimiento de las enfermedades mentales, por ser el cerebro y el sistema nervioso órganos tan extraordinariamente complejos. Para la radiación ultravioleta de baja energía, la penetración está limitada a la piel y los ojos. Incluso el baño de sol puede producir problemas debido al efecto de la radiación ultravioleta que atraviesa la atmósfera como se muestra en el artículo derecho. La antigua unidad de dosificación de los rayos X era el roentgen (R). La unidad antigua de dosificación era el rad (dosis de radiación absorbida) que actualmente se llama gray (Gy). También se mide en función del rem o del reb: un rem (rad equivalente humano) o actualmente el sievert (Sv) produce un efecto en el hombre equivalente a 1 rad de rayos X de 250 keV y 1 reb (rad equivalente biológico) un efecto similar en Tomado RMI Año XXI. No.3 cierto material biológico. La razón del rem al rad se llama efectividad biológica relativa (RBE). Para la protección de personas que trabajan con radiaciones, todos los materiales radiactivos han de quedar resguardados durante el almacenamiento, lo que se hace normalmente rodeándolos de un envase de plomo de espesor suficiente para absorber todas las partículas. Al utilizarlas, las muestras radiactivas han de manejarse por control remoto o desde una distancia que ofrezca seguridad (pues la dosificación disminuye entre mayor es la distancia a la fuente). Todos los equipos que producen radiación han de estar adecuadamente resguardados y los que han de manejarlos protegidos de la radiación dispersada. Se exige que todos los operarios lleven distintivos con película sensible, o cámaras de ionización de bolsillo, que son comprobadas de modo regular para calcular las dosis recibidas.  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 63 APLICACIONES BIOLÓGICAS Y MÉDICAS DE LOS RAYOS X. Los rayos X, aparte del diagnóstico, se emplean con fines terapéuticos. Dado que la radiación mata células, pueden servir para liberarse de células indeseables como las de las formaciones cancerosas sin que la dosis de radiación dañe permanentemente los tejidos sanos que las rodean. En cuanto a terapia, los rayos X tienen la ventaja sobre el material radiactivo de que no es necesaria antes de su aplicación ninguna operación de implantación. Puede dirigirse sobre la masa blanco, utilizándose para los tumores sobre la piel o cerca de ella y para tumores profundos. Parte de los rayos X atraviesa en línea recta el cuerpo, de modo que son irradiadas todas las células situadas sobre esa recta del haz. Se varía a menudo durante la exposición la dirección del haz respecto al cuerpo, o bien se cambia para cada sesión siempre, naturalmente, que atraviese el volumen que ha de tratarse. Así, sólo reciben grandes dosis las células tumorales. Si se emplean aparatos que funcionan a altos voltajes (supervoltaje), el haz obtenido con estas máquinas tiene una energía elevada y, en consecuencia, los tiempos de exposición son cortos. Los rayos X de alta energía penetran mejor los tejidos blandos y son menos absorbidos por los huesos. Si se irradia, por ejemplo, una solución de virus, algunos de ellos serán incapaces de reproducirse. Las bacterias, como los virus, pueden matarse exponiéndolos a la radiación. Debido a esto, los alimentos empaquetados, los vendajes quirúrgicos precintados y otros materiales similares, son sometidos a menudo a grandes dosis de radiación, encontrándose cada vez más aplicaciones de esta técnica. Las plagas también pueden ser controladas y virtualmente eliminadas ya que el sistema reproductor de cualquier organismo es muy sensible a la radiación, y dosis no muy grandes pueden producir esterilización. RADIACTIVIDAD. En 1896 Henri Becquerel descubrió que cristales de sulfato de uranil potasio emiten una radiación invisible que puede velar una placa fotográfica cuando la placa se cubre para evitar la luz. Concluyó que la radiación emitida era de un nuevo tipo, la cual no requería estimulación externa y era tan penetrante que podía velar placas fotográficas protegidas e ionizar gases. Dicho proceso de emisión espontánea de radiación por uranio recibió el nombre de radiactividad. Posteriormente, Marie y Pierre Curie, después de varios años de procesos de separación química sobre toneladas de pechblenda (mineral radiactivo), descubrieron dos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Otros experimentos, incluyendo los de Rutherford sugirieron que la radiactividad es el resultado del decaimiento o desintegración de núcleos inestables. En las sustancias radiactivas ocurren tres tipos de decaimiento radiactivo: decaimiento alfa (), en el cual las partículas emitidas son núcleos de 4 He ; decaimiento beta (), en el cual las partículas emitidas son electrones o positrones (poseen la misma masa del electrón pero con carga positiva y son usados en tomografías), y decaimiento gamma (), en el cual los rayos emitidos son fotones de alta energía. Las partículas alfa apenas penetran una hoja de papel, las partículas beta pueden penetrar unos cuantos milímetros de aluminio y los rayos gamma pueden penetrar varios centímetros de plomo. Los núcleos radiactivos se clasifican en dos grupos: núcleos inestables encontrados en la  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 64 naturaleza que dan lugar a la radiactividad natural y núcleos inestables producidos en laboratorio por medio de reacciones nucleares, conocido como radiactividad artificial. FISIÓN NUCLEAR. La fisión nuclear ocurre cuando un núcleo pesado como el 235U (92 prot y elec y 143 neut), se divide en dos núcleos más pequeños después de absorber un neutrón. En una reacción de este tipo, la masa combinada de los núcleos hijo es menor que la masa del núcleo padre, y la diferencia en masa se libera en forma de energía, alrededor de 200 MeV en cada evento de fisión. La fisión también produce varios neutrones, normalmente dos o tres. Los neutrones pueden a su vez provocar la fisión de otros núcleos, y existe la posibilidad de que produzcan una reacción en cadena, como muestra la imagen. Si la reacción en cadena no se controla podría producir una violenta explosión que liberaría una enorme cantidad de energía, como en una bomba nuclear. Si se controla se puede utilizar por ejemplo en un reactor nuclear que es un Tomado de Física Serway, Vol 2, pág.1480 sistema diseñado para mantener lo que se llama reacción en cadena autosostenida. El control de los reactores nucleares y su seguridad debe ser muy estricta para que no ocurran accidentes como en 1986 en el reactor de Chernobil en Ucrania, donde la actividad de los materiales liberados inmediatamente después del accidente totalizó alrededor de 12x1018 Bq (becquerel o actividad de una cantidad de material radiactivo con decaimiento de un núcleo por segundo) y propiciaron la evacuación de 116000 personas. Al menos 237 personas sufrieron aguda enfermedad por radiación y casi 800 niños contrajeron posteriormente cáncer de tiroides a partir de la ingestión de yodo radiactivo en la leche de vacas que comieron pasto contaminado. También produce cáncer de hueso y anemia aplástica debida a la destrucción de la médula ósea. Lecturas: Chernobil 1986. Oscuro peregrinaje. Video: El desastre de Chernobyl.  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 65 FUSIÓN NUCLEAR. Cuando dos núcleos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, el proceso se conoce como fusión nuclear. La masa del núcleo final es menor que las masas combinadas de los núcleos originales y hay una pérdida de masa acompañada de una liberación de energía. Reacciones de este son las que ocurren en el Sol y otras estrellas en las que abunda el hidrógeno. Se requiere de temperaturas muy altas (1,5x107 K) para impulsar estas reacciones por lo que reciben el nombre de reacciones de fusión termonucleares. Lectura: En busca de la energía perfecta. La radiación resultante de procesos radiactivos y radiación en forma de partículas energéticas como los neutrones y protones puede causar serios daños conforme atraviesa la materia. El daño por radiación en organismos se debe sobre todo a efectos de ionización en las células. Además, la radiación ionizante llega a afectar de manera directa a moléculas vitales removiendo electrones de su estructura. Grandes dosis de radiación son especialmente peligrosas porque el daño de un gran número de moléculas en una célula puede causar la muerte de la célula. Las células que se dividen rápidamente, como las del tracto digestivo, los órganos reproductores y los folículos capilares, son especialmente susceptibles. Además, las células que sobreviven a la radiación pueden volverse defectuosas y son capaces de producir células aún más defectuosas y conducir al cáncer. En los sistemas biológicos es común separar el daño de la radiación en dos categorías: daño somático y daño genético. El daño somático es el que se asocia con cualquier célula del cuerpo excepto las reproductoras. Este daño puede producir cáncer o alterar seriamente las características de organismos específicos. Los daños genéticos sólo afectan a células reproductoras. Los daños a los genes en las células reproductoras pueden llevar a descendencia anormal. Para detectar la radiación se han desarrollado varios dispositivos, éstos se usan para numerosos propósitos, incluido el diagnóstico médico, mediciones de fechamiento radiactivo, la medición de la radiación de fondo y la medición de la masa, energía y momentum de partículas creadas en reacciones nucleares de alta energía. El contador Geiger es el más común y se utiliza para detectar con facilidad la presencia de una partícula radiactiva. Otros dispositivos son: Cámara de iones, detector de diodo Tomado de Física Serway, Vol 1, pág.1497 semiconductor, contador de destellos, detectores de traza, cámara de niebla, cámara de burbujas, cámara de chispas y detectores de neutrones.  Unidad 10 Radiaciones G. Sánchez pág. 66 APLICACIONES MÉDICAS DE LA RADIACIÓN. TRAZADO. Los trazadores radiactivos se usan para seguir su recorrido. Por ejemplo, para evaluar el desempeño de la tiroides el paciente bebe una cantidad muy pequeña de yoduro de sodio radiactivo 131 I y luego se mide la intensidad de la radiación en la glándula para ver cuán bien está funcionando. También puede utilizarse para indicar la presencia de obstrucciones en el sistema circulatorio por medio de una solución que contiene sodio radiactivo que se inyecta en una vena de la pierna, y se mide el tiempo que le toma en llegar a otra parte del cuerpo. En varios estudios hematológicos se ha utilizado el isótopo del cromo 51Cr , para la localización de hemorragias porque es incorporado por los glóbulos rojos. Los isótopos usualmente son administrados a un paciente en conjunto con otros fármacos vía intravenosa. Estos funcionan como vehículos que transportarán la partícula radioactiva al órgano específico. Dentro del organismo, el componente emitirá radiaciones que serán captadas por un equipo especializado llamado gamma cámara (imagen derecha) que genera una imagen completa del órgano y se ve su funcionamiento. La radiocardiografía es utilizada para investigar el estado del corazón y el estado del pulmón. Se utiliza como elemento trazador el bario 137. Si las funciones del corazón y el pulmón son anormales, por bloqueo o mal funcionamiento, el registro obtenido con los contadores tendrá una forma atípica. TERAPIA DE RADIACIÓN. Como la radiación causa más daño a las células que se dividen es útil en tratamientos contra el cáncer porque las células del tumor se dividen con extrema rapidez. En algunos casos se usa un estrecho haz de rayos X o radiación de una fuente como el 60 Co. En otras situaciones delgadas agujas radiactivas llamadas semillas se implantan en el tejido canceroso. El isótopo radiactivo 151 I se usa para tratar el cáncer de la tiroides. Si el órgano que ha de tratarse es capaz de concentrar un isótopo radiactivo, puede ser ingerido o introducido en el paciente. Para el tratamiento del hipertiroidismo, se administra una dosis adecuada de 131 I y para el de la policitemia, aumento de glóbulos rojos a causa de un incremento de actividad de la médula ósea, se usa 32 P (fósforo 32). Sobre irradiación en Costa Rica por bomba de cobalto del 26 de Tomado de Física Serway, Vol 1, pág.1502 agosto al 27 de setiembre de 1996.