La radiación ionizante está en todas partes. Llega desde el espacio exterior en forma de rayos cósmicos. Está en el aire como emisiones de radón radiactivo y su progenie. Los isótopos radiactivos naturales entran y permanecen en todos los seres vivos. Es ineludible. De hecho, todas las especies de este planeta evolucionaron en presencia de radiación ionizante. Si bien los humanos expuestos a pequeñas dosis de radiación pueden no mostrar inmediatamente ningún efecto biológico aparente, no hay duda de que la radiación ionizante, cuando se administra en cantidades suficientes, puede causar daño. Estos efectos son bien conocidos tanto en tipo como en grado.

Si bien la radiación ionizante puede causar daño, también tiene muchos usos beneficiosos. El uranio radiactivo genera electricidad en las centrales nucleares de muchos países. En medicina, los rayos X producen radiografías para el diagnóstico de lesiones y enfermedades internas. Los médicos de medicina nuclear utilizan material radiactivo como trazadores para formar imágenes detalladas de las estructuras internas y para estudiar el metabolismo. Los radiofármacos terapéuticos están disponibles para tratar trastornos como el hipertiroidismo y el cáncer. Los médicos de radioterapia utilizan rayos gamma, haces de piones, haces de electrones, neutrones y otros tipos de radiación para tratar el cáncer. Los ingenieros utilizan material radiactivo en operaciones de registro de pozos de petróleo y en medidores de densidad de humedad del suelo. Los radiógrafos industriales utilizan rayos X en el control de calidad para observar las estructuras internas de los dispositivos fabricados. Las señales de salida en edificios y aviones contienen tritio radiactivo para que brillen en la oscuridad en caso de un corte de energía. Muchos detectores de humo en casas y edificios comerciales contienen americio radioactivo.

Estos muchos usos de la radiación ionizante y los materiales radiactivos mejoran la calidad de vida y ayudan a la sociedad de muchas maneras. Los beneficios de cada uso siempre deben compararse con los riesgos. Los riesgos pueden ser para los trabajadores directamente involucrados en la aplicación de la radiación o el material radiactivo, para el público, para las generaciones futuras y para el medio ambiente o para cualquier combinación de estos. Más allá de las consideraciones políticas y económicas, los beneficios siempre deben superar los riesgos cuando se trata de radiación ionizante.

Radiación ionizante

La radiación ionizante consiste en partículas, incluidos los fotones, que provocan la separación de electrones de átomos y moléculas. Sin embargo, algunos tipos de radiación de energía relativamente baja, como la luz ultravioleta, también pueden causar ionización en determinadas circunstancias. Para distinguir estos tipos de radiación de la radiación que siempre provoca ionización, se suele establecer un límite de energía inferior arbitrario para la radiación ionizante en torno a los 10 kiloelectronvoltios (keV).

La radiación ionizante directa consiste en partículas cargadas. Tales partículas incluyen electrones energéticos (a veces llamados negatrones), positrones, protones, partículas alfa, mesones cargados, muones e iones pesados ​​(átomos ionizados). Este tipo de radiación ionizante interactúa con la materia principalmente a través de la fuerza de Coulomb, repeliendo o atrayendo electrones de átomos y moléculas en virtud de sus cargas.

La radiación ionizante indirecta consiste en partículas sin carga. Los tipos más comunes de radiación ionizante indirecta son los fotones por encima de 10 keV (rayos x y rayos gamma) y todos los neutrones.

Los fotones de rayos X y rayos gamma interactúan con la materia y provocan la ionización al menos de tres formas diferentes:

1. Los fotones de menor energía interactúan principalmente a través del efecto fotoeléctrico, en el que el fotón cede toda su energía a un electrón, que luego abandona el átomo o la molécula. El fotón desaparece.
2. Los fotones de energía intermedia interactúan principalmente a través del efecto Compton, en el que el fotón y un electrón chocan esencialmente como partículas. El fotón continúa en una nueva dirección con energía reducida mientras que el electrón liberado se va con el resto de la energía entrante (menos la energía de unión del electrón al átomo o molécula).
3. La producción de pares solo es posible para fotones con energía superior a 1.02 MeV. (Sin embargo, cerca de 1.02 MeV, el efecto Compton aún domina. La producción de pares domina a energías más altas). El fotón desaparece y aparece un par electrón-positrón en su lugar (esto ocurre solo en la vecindad de un núcleo debido a la conservación del momento y consideraciones energéticas). La energía cinética total del par electrón-positrón es igual a la energía del fotón menos la suma de las energías de masa en reposo del electrón y el positrón (1.02 MeV). Estos electrones y positrones energéticos proceden entonces como radiación ionizante directa. A medida que pierde energía cinética, un positrón eventualmente encontrará un electrón y las partículas se aniquilarán entre sí. A continuación, se emiten dos fotones (generalmente) de 0.511 MeV desde el sitio de aniquilación a 180 grados uno del otro.

un fotón dado puede ocurrir cualquiera de estos, excepto que la producción de pares es posible solo para fotones con energía superior a 1.022 MeV. La energía del fotón y el material con el que interactúa determinan qué interacción es más probable que ocurra.

La Figura 1 muestra las regiones en las que domina cada tipo de interacción fotónica en función de la energía fotónica y el número atómico del absorbedor.

Figura 1. Importancia relativa de las tres principales interacciones de los fotones en la materia

Las interacciones de neutrones más comunes con la materia son las colisiones inelásticas, la captura (o activación) de neutrones y la fisión. Todas estas son interacciones con los núcleos. Un núcleo que choca inelásticamente con un neutrón queda en un nivel de energía más alto. Puede liberar esta energía en forma de rayos gamma o emitiendo una partícula beta, o ambos. En la captura de neutrones, un núcleo afectado puede absorber el neutrón y expulsar energía en forma de rayos gamma o rayos X o partículas beta, o ambos. Las partículas secundarias luego causan la ionización como se discutió anteriormente. En la fisión, un núcleo pesado absorbe el neutrón y se divide en dos núcleos más livianos que casi siempre son radiactivos.

Cantidades, unidades y definiciones relacionadas

La Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU) desarrolla definiciones formales aceptadas internacionalmente de cantidades y unidades de radiación y radiactividad. La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) también establece estándares para la definición y el uso de varias cantidades y unidades utilizadas en la seguridad radiológica. A continuación se describen algunas cantidades, unidades y definiciones comúnmente utilizadas en seguridad radiológica.

Dosis absorbida. Esta es la cantidad dosimétrica fundamental para la radiación ionizante. Básicamente, es la energía que la radiación ionizante imparte a la materia por unidad de masa. Formalmente,

donde D es la dosis absorbida, de es la energía media impartida a la materia de masa dm. La dosis absorbida tiene unidades de julios por kilogramo (J kg^-1). El nombre especial para la unidad de dosis absorbida es gray (Gy).

Actividad. Esta cantidad representa el número de transformaciones nucleares de un estado de energía nuclear dado por unidad de tiempo. Formalmente,

donde A es la actividad, dN es el valor esperado del número de transiciones nucleares espontáneas desde el estado de energía dado en el intervalo de tiempo dt. Está relacionado con el número de núcleos radiactivos. N por:

donde l es la constante de decaimiento. La actividad tiene unidades de segundos inversos (s^-1). El nombre especial de la unidad de actividad es el becquerel (Bq).

Constante de decaimiento (l). Esta cantidad representa la probabilidad por unidad de tiempo de que ocurra una transformación nuclear para un radionucleido dado. La constante de decaimiento tiene unidades de segundos inversos (s^-1). Está relacionado con la vida media. t_½ de un radionucleido por:

La constante de desintegración l está relacionada con el tiempo de vida medio, t, de un radionucleido por:

La dependencia temporal de la actividad. A(t) y del número de núcleos radiactivos N(t) se puede expresar por y  respectivamente.

Efecto biológico determinista. Este es un efecto biológico causado por la radiación ionizante y cuya probabilidad de ocurrencia es cero en pequeñas dosis absorbidas, pero aumentará abruptamente hasta la unidad (100%) por encima de algún nivel de dosis absorbida (el umbral). La inducción de cataratas es un ejemplo de un efecto biológico estocástico.

Dosis efectiva. La dosis efectiva E es la suma de las dosis equivalentes ponderadas en todos los tejidos y órganos del cuerpo. Es una cantidad de seguridad radiológica, por lo que su uso no es apropiado para grandes dosis absorbidas entregadas en un período de tiempo relativamente corto. Está dado por:

donde w _T es el factor de ponderación del tejido y H_T es la dosis equivalente para el tejido T. La dosis efectiva tiene unidades de J kg^-1. El nombre especial para la unidad de dosis efectiva es el sievert (Sv).

Dosis equivalente. La dosis equivalente H_T es la dosis absorbida promediada sobre un tejido u órgano (en lugar de en un punto) y ponderada para la calidad de la radiación que es de interés. Es una cantidad de seguridad radiológica, por lo que su uso no es apropiado para grandes dosis absorbidas entregadas en un período de tiempo relativamente corto. La dosis equivalente viene dada por:

donde D_{T, R} es la dosis absorbida promediada sobre el tejido u órgano T debido a la radiación R y w _R
es el factor de ponderación de la radiación. La dosis equivalente tiene unidades de J kg^-1. El nombre especial de la unidad de dosis equivalente es el sievert (Sv).

Media vida. Esta cantidad es la cantidad de tiempo requerida para que la actividad de una muestra de radionucleido se reduzca a la mitad. De manera equivalente, es la cantidad de tiempo requerida para que un número dado de núcleos en un estado radiactivo dado se reduzca a la mitad. Tiene unidades fundamentales de segundos (s), pero también se expresa comúnmente en horas, días y años. Para un radionucleido dado, la vida media t_½ está relacionado con la constante de decaimiento l por:

Transferencia de energía lineal. Esta cantidad es la energía que una partícula cargada imparte a la materia por unidad de longitud a medida que atraviesa la materia. Formalmente,

donde L es la transferencia de energía lineal (también llamada potencia de frenado de colisión lineal) y de es la energía media perdida por la partícula al recorrer una distancia dl. La transferencia de energía lineal (LET) tiene unidades de J m^-1.

Vida media. Esta cantidad es el tiempo promedio que sobrevivirá un estado nuclear antes de sufrir una transformación a un estado de menor energía mediante la emisión de radiación ionizante. Tiene unidades fundamentales de segundos (s), pero también puede expresarse en horas, días o años. Está relacionado con la constante de decaimiento por:

donde t es el tiempo de vida medio y l es la constante de desintegración de un nucleido dado en un estado de energía dado.

Factor de ponderación de radiación. este es un numero w _R que, para un tipo y energía dados de radiación R, es representativo de los valores de la efectividad biológica relativa de esa radiación para inducir efectos estocásticos en dosis bajas. los valores de w _R están relacionados con la transferencia de energía lineal (LET) y se dan en la tabla 1. La Figura 2 (al dorso) muestra la relación entre w _R y LET para neutrones.

Tabla 1. Factores de ponderación de radiación w_R

¹ Todos los valores se relacionan con la radiación incidente en el cuerpo o, para fuentes internas, emitida por la fuente.

² Excluyendo los electrones Auger emitidos por los núcleos unidos al ADN.

Eficacia biológica relativa (RBA). La RBE de un tipo de radiación en comparación con otro es la relación inversa de las dosis absorbidas que producen el mismo grado de un punto final biológico definido.

Figura 2. Factores de ponderación de radiación para neutrones (la curva suave debe tratarse como una aproximación)

Efecto biológico estocástico. Este es un efecto biológico causado por las radiaciones ionizantes cuya probabilidad de ocurrencia aumenta con el aumento de la dosis absorbida, probablemente sin umbral, pero cuya severidad es independiente de la dosis absorbida. El cáncer es un ejemplo de un efecto biológico estocástico.

Factor de ponderación del tejido w _T. Esto representa la contribución del tejido u órgano T al detrimento total debido a todos los efectos estocásticos resultantes de la irradiación uniforme de todo el cuerpo. Se utiliza porque la probabilidad de efectos estocásticos debido a una dosis equivalente depende del tejido u órgano irradiado. Una dosis equivalente uniforme en todo el cuerpo debe dar una dosis efectiva numéricamente igual a la suma de las dosis efectivas para todos los tejidos y órganos del cuerpo. Por lo tanto, la suma de todos los factores de ponderación de tejidos se normaliza a la unidad. La Tabla 2 proporciona valores para los factores de ponderación de tejido.

Tabla 2. Factores de ponderación de tejido w_T

¹ Los valores se han desarrollado a partir de una población de referencia de igual número de ambos sexos y un amplio rango de edades. En la definición de dosis efectiva se aplican a los trabajadores, a toda la población ya ambos sexos.

² A efectos de cálculo, el resto se compone de los siguientes tejidos y órganos adicionales: glándulas suprarrenales, cerebro, intestino grueso superior, intestino delgado, riñones, músculo, páncreas, bazo, timo y útero. La lista incluye órganos que probablemente serán irradiados selectivamente. Se sabe que algunos órganos de la lista son susceptibles a la inducción de cáncer.

³ En aquellos casos excepcionales en los que uno solo de los tejidos u órganos restantes reciba una dosis equivalente superior a la dosis más alta en cualquiera de los doce órganos para los que se especifica un factor de ponderación, se debe aplicar a dicho tejido un factor de ponderación de 0.025. u órgano y un factor de ponderación de 0.025 a la dosis media en el resto del resto tal como se ha definido anteriormente.

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