Tipos de radiación ionizante
Partículas alfa
Una partícula alfa es una colección estrechamente unida de dos protones y dos neutrones. Es idéntico a un helio-4 (4él) núcleo. De hecho, su destino final después de perder la mayor parte de su energía cinética es capturar dos electrones y convertirse en un átomo de helio.
Los radionucleidos emisores alfa son generalmente núcleos relativamente masivos. Casi todos los emisores alfa tienen números atómicos mayores o iguales que el del plomo (82Pb). Cuando un núcleo se desintegra emitiendo una partícula alfa, tanto su número atómico (número de protones) como su número de neutrones se reducen en dos y su número de masa atómica se reduce en cuatro. Por ejemplo, la desintegración alfa del uranio-238 (238U) a torio-234 (234Th) está representado por:
El superíndice de la izquierda es el número de masa atómica (número de protones más neutrones), el subíndice de la izquierda es el número atómico (número de protones) y el subíndice de la derecha es el número de neutrones.
Los emisores alfa comunes emiten partículas alfa con energías cinéticas entre 4 y 5.5 MeV. Estas partículas alfa tienen un alcance en el aire de no más de unos 5 cm (ver figura 1). Se requieren partículas alfa con una energía de al menos 7.5 MeV para penetrar en la epidermis (la capa protectora de la piel, de 0.07 mm de espesor). Los emisores alfa generalmente no representan un riesgo de radiación externa. Son peligrosos sólo si se toman dentro del cuerpo. Debido a que depositan su energía en una distancia corta, las partículas alfa son radiación de alta transferencia de energía lineal (LET) y tienen un factor de ponderación de radiación grande; típicamente, w R= 20.
Figura 1. Radiación de energía de rango de partículas alfa lentas en el aire a 15 y 760 m
partículas beta
Una partícula beta es un electrón o positrón altamente energético. (Un positrón es la antipartícula del electrón. Tiene la misma masa y la mayoría de las demás propiedades de un electrón excepto su carga, que es exactamente de la misma magnitud que la de un electrón pero es positiva). Los radionúclidos emisores de beta pueden ser de alto o bajo peso atómico.
Los radionucleidos que tienen un exceso de protones en comparación con los nucleidos estables de aproximadamente el mismo número de masa atómica pueden decaer cuando un protón en el núcleo se convierte en un neutrón. Cuando esto ocurre, el núcleo emite un positrón y una partícula extremadamente ligera que no interactúa mucho llamada neutrino. (El neutrino y su antipartícula no tienen interés en la protección contra la radiación). Cuando ha cedido la mayor parte de su energía cinética, el positrón finalmente choca con un electrón y ambos son aniquilados. La radiación de aniquilación producida es casi siempre dos fotones de 0.511 keV (kiloelectronvolt) que viajan en direcciones separadas 180 grados. Un decaimiento típico de positrones está representado por:
donde el positrón está representado por β+ y el neutrino por n. Tenga en cuenta que el nucleido resultante tiene el mismo número de masa atómica que el nucleido original y un número atómico (protón) mayor en uno y un número de neutrones menor en uno que los del nucleido original.
La captura de electrones compite con la desintegración de positrones. En el decaimiento por captura de electrones, el núcleo absorbe un electrón orbital y emite un neutrino. Un decaimiento de captura de electrones típico viene dado por:
La captura de electrones siempre es posible cuando el núcleo resultante tiene una energía total más baja que el núcleo inicial. Sin embargo, la desintegración de positrones requiere que la energía total de la inicial átomo es mayor que el de la resultante átomo en más de 1.02 MeV (el doble de la energía de masa en reposo del positrón).
Similar al decaimiento por captura de positrones y electrones, el negatrón (β–) la descomposición se produce en núcleos que tienen un exceso de neutrones en comparación con núcleos estables de aproximadamente el mismo número de masa atómica. En este caso, el núcleo emite un negatrón (electrón energético) y un antineutrino. Una descomposición negatrón típica está representada por:
donde el negatrón está representado por β– y el anti-neutrino por `n Aquí el núcleo resultante gana un neutrón a expensas de un protón pero de nuevo no cambia su número de masa atómica.
La descomposición alfa es una reacción de dos cuerpos, por lo que las partículas alfa se emiten con energías cinéticas discretas. Sin embargo, la desintegración beta es una reacción de tres cuerpos, por lo que las partículas beta se emiten en un espectro de energías. La energía máxima en el espectro depende del radionúclido en descomposición. La energía beta promedio en el espectro es aproximadamente un tercio de la energía máxima (ver figura 2).
Figura 2. Espectro de energía de los negatrones emitidos por 32P
Las energías beta máximas típicas oscilan entre 18.6 keV para el tritio (3H) a 1.71 MeV para fósforo-32 (32PAG).
El rango de partículas beta en el aire es de aproximadamente 3.65 m por MeV de energía cinética. Se requieren partículas beta de al menos 70 keV de energía para penetrar la epidermis. Las partículas beta son radiación de baja LET.
Radiación gamma
La radiación gamma es la radiación electromagnética emitida por un núcleo cuando experimenta una transición de un estado de mayor energía a uno de menor energía. El número de protones y neutrones en el núcleo no cambia en tal transición. Es posible que el núcleo haya quedado en el estado de mayor energía después de una desintegración alfa o beta anterior. Es decir, los rayos gamma a menudo se emiten inmediatamente después de las desintegraciones alfa o beta. Los rayos gamma también pueden resultar de la captura de neutrones y la dispersión inelástica de partículas subatómicas por los núcleos. Los rayos gamma más energéticos se han observado en los rayos cósmicos.
La Figura 3 es una imagen del esquema de descomposición del cobalto-60 (60Co). Muestra una cascada de dos rayos gamma emitidos en níquel-60 (60Ni) con energías de 1.17 MeV y 1.33 MeV tras la desintegración beta de 60Co
Figura 3. Esquema de desintegración radiactiva para 60Co
La Figura 4 es una imagen del esquema de descomposición del molibdeno-99 (99Mes). Tenga en cuenta que el tecnecio-99 resultante (99Tc) el núcleo tiene un estado excitado que dura un tiempo excepcionalmente largo (t½ = 6 horas). Tal núcleo excitado se llama isómero. La mayoría de los estados nucleares excitados tienen vidas medias entre unos pocos picosegundos (ps) y 1 microsegundo (μs).
Figura 4. Esquema de desintegración radiactiva para 99Mo
La Figura 5 es una imagen del esquema de descomposición del arsénico-74 (74Como). Ilustra que algunos radionucleidos se desintegran en más de una forma.
Figura 5. Esquema de desintegración radiactiva para 74Como, que ilustra los procesos competitivos de emisión de negatrones, emisión de positrones y captura de electrones (m0 es la masa en reposo del electrón)
Mientras que las partículas alfa y beta tienen rangos definidos en la materia, los rayos gamma se atenúan exponencialmente (ignorando la acumulación que resulta de la dispersión dentro de un material) a medida que atraviesan la materia. Cuando se puede ignorar la acumulación, la atenuación de los rayos gamma viene dada por:
donde yo(x) es la intensidad de los rayos gamma en función de la distancia x en el material y μ es el coeficiente de atenuación de masa. El coeficiente de atenuación de masa depende de la energía de los rayos gamma y del material con el que interactúan los rayos gamma. Los valores del coeficiente de atenuación de masa se tabulan en muchas referencias. La figura 6 muestra la absorción de rayos gamma en la materia en condiciones de buena geometría (se puede ignorar la acumulación).
Figura 6. Atenuación de rayos gamma de 667 keV en Al y Pb en condiciones de buena geometría (la línea discontinua representa la atenuación de un haz de fotones polienergético)
La acumulación se produce cuando un amplio haz de rayos gamma interactúa con la materia. La intensidad medida en puntos dentro del material aumenta en relación con el valor esperado de "buena geometría" (haz estrecho) debido a los rayos gamma dispersados desde los lados del haz directo hacia el dispositivo de medición. El grado de acumulación depende de la geometría del haz, del material y de la energía de los rayos gamma.
La conversión interna compite con la emisión gamma cuando un núcleo se transforma de un estado de mayor energía a uno de menor energía. En la conversión interna, un electrón orbital interno es expulsado del átomo en lugar de que el núcleo emita un rayo gamma. El electrón expulsado es directamente ionizante. A medida que los electrones orbitales externos caen a niveles de energía electrónica más bajos para llenar la vacante dejada por el electrón expulsado, el átomo emite rayos x. La probabilidad de conversión interna relativa a la probabilidad de emisión gamma aumenta con el aumento del número atómico.
Rayos X
Los rayos X son radiación electromagnética y, como tales, son idénticos a los rayos gamma. La distinción entre rayos X y rayos gamma es su origen. Mientras que los rayos gamma se originan en el núcleo atómico, los rayos x resultan de las interacciones de los electrones. Aunque los rayos X suelen tener energías más bajas que los rayos gamma, este no es un criterio para diferenciarlos. Es posible producir rayos X con energías mucho más altas que los rayos gamma resultantes de la desintegración radiactiva.
La conversión interna, discutida anteriormente, es un método de producción de rayos X. En este caso, los rayos x resultantes tienen energías discretas iguales a la diferencia en los niveles de energía entre los que transitan los electrones orbitales.
Las partículas cargadas emiten radiación electromagnética cada vez que se aceleran o desaceleran. La cantidad de radiación emitida es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la masa de la partícula. Como resultado, los electrones emiten mucha más radiación x que las partículas más pesadas, como los protones, en igualdad de condiciones. Los sistemas de rayos X producen rayos X acelerando electrones a través de una gran diferencia de potencial eléctrico de muchos kV o MV. Luego, los electrones se desaceleran rápidamente en un material denso y resistente al calor, como el tungsteno (W).
Los rayos X emitidos por tales sistemas tienen energías repartidas en un espectro que va desde aproximadamente cero hasta la energía cinética máxima que poseen los electrones antes de la desaceleración. A menudo, superpuestos a este espectro continuo hay rayos X de energía discreta. Se producen cuando los electrones en desaceleración ionizan el material objetivo. A medida que otros electrones orbitales se mueven para llenar las vacantes que quedan después de la ionización, emiten rayos X de energías discretas de forma similar a como se emiten los rayos X después de la conversión interna. Se les llama característica rayos X porque son característicos del material del objetivo (ánodo). Consulte la figura 7 para ver un espectro de rayos X típico. La Figura 8 muestra un tubo de rayos X típico.
Figura 7. Espectro de rayos X que ilustra la contribución de los rayos X característicos producidos cuando los electrones llenan los huecos en la capa K de W (la longitud de onda de los rayos X es inversamente proporcional a su energía)
Los rayos X interactúan con la materia de la misma manera que lo hacen los rayos gamma, pero una simple ecuación de atenuación exponencial no describe adecuadamente la atenuación de los rayos X con un rango continuo de energías (consulte la figura 6). Sin embargo, como los rayos X de menor energía se eliminan más rápidamente del haz que los rayos X de mayor energía cuando atraviesan el material, la descripción de la atenuación se aproxima a una función exponencial.
Figura 8. Un tubo de rayos X simplificado con un ánodo estacionario y un filamento calentado
Neutrones
Generalmente, los neutrones no se emiten como resultado directo de la desintegración radiactiva natural. Se producen durante las reacciones nucleares. Los reactores nucleares producen neutrones en la mayor cantidad, pero los aceleradores de partículas y las fuentes especiales de neutrones, llamadas fuentes (α, n), también pueden producir neutrones.
Los reactores nucleares producen neutrones cuando los núcleos de uranio (U) del combustible nuclear se dividen o fisionan. De hecho, la producción de neutrones es esencial para mantener la fisión nuclear en un reactor.
Los aceleradores de partículas producen neutrones acelerando partículas cargadas, como protones o electrones, a altas energías para bombardear núcleos estables en un objetivo. Los neutrones son solo una de las partículas que pueden resultar de tales reacciones nucleares. Por ejemplo, la siguiente reacción produce neutrones en un ciclotrón que acelera iones de deuterio para bombardear un objetivo de berilio:
Los emisores alfa mezclados con berilio son fuentes portátiles de neutrones. Estas fuentes (α, n) producen neutrones a través de la reacción:
La fuente de las partículas alfa pueden ser isótopos como el polonio-210 (210Correos),
plutonio-239 (239Pu) y americio-241 (241Soy).
Los neutrones generalmente se clasifican según su energía, como se ilustra en la tabla 1. Esta clasificación es algo arbitraria y puede variar en diferentes contextos.
Tabla 1. Clasificación de los neutrones según su energía cinética
Tipo de Propiedad |
Rango de energía |
lento o térmico |
0-0.1 keV |
Intermedio |
0.1-20 keV |
Rápido |
20 keV-10 MeV |
Energia alta |
>10 MeV |
Existen varios modos posibles de interacción de los neutrones con la materia, pero los dos modos principales a los efectos de la seguridad radiológica son la dispersión elástica y la captura de neutrones.
La dispersión elástica es el medio por el cual los neutrones de mayor energía se reducen a energías térmicas. Los neutrones de mayor energía interactúan principalmente por dispersión elástica y, por lo general, no causan fisión ni producen material radiactivo por captura de neutrones. Son los neutrones térmicos los principales responsables de los últimos tipos de interacción.
La dispersión elástica ocurre cuando un neutrón interactúa con un núcleo y rebota con energía reducida. El núcleo que interactúa absorbe la energía cinética que pierde el neutrón. Después de ser excitado de esta manera, el núcleo pronto cede esta energía en forma de radiación gamma.
Cuando el neutrón finalmente alcanza energías térmicas (llamadas así porque el neutrón está en equilibrio térmico con su entorno), la mayoría de los núcleos lo capturan fácilmente. Los neutrones, al no tener carga, no son repelidos por el núcleo cargado positivamente como lo son los protones. Cuando un neutrón térmico se acerca a un núcleo y entra dentro del rango de la fuerza nuclear fuerte, del orden de unos pocos fm (fm = 10-15 metros), el núcleo captura el neutrón. El resultado puede ser entonces un núcleo radiactivo que emite un fotón u otra partícula o, en el caso de núcleos fisionables como 235U y 239Pu, el núcleo de captura puede fisionarse en dos núcleos más pequeños y más neutrones.
Las leyes de la cinemática indican que los neutrones alcanzarán energías térmicas más rápidamente si el medio de dispersión elástico incluye una gran cantidad de núcleos ligeros. Un neutrón que rebota en un núcleo ligero pierde un porcentaje mucho mayor de su energía cinética que cuando rebota en un núcleo pesado. Por esta razón, el agua y los materiales hidrogenados son el mejor material de protección para frenar los neutrones.
Un haz monoenergético de neutrones se atenuará exponencialmente en el material, obedeciendo a una ecuación similar a la dada anteriormente para los fotones. La probabilidad de que un neutrón interactúe con un núcleo dado se describe en términos de la cantidad sección transversal. La sección transversal tiene unidades de área. La unidad especial para la sección transversal es el granero (b), definido por:
Es extremadamente difícil producir neutrones sin los rayos gamma y x que los acompañan. En general, se puede suponer que si hay neutrones presentes, también lo están los fotones de alta energía.
Fuentes de radiación ionizante
Radionucleidos primordiales
Los radionucleidos primordiales ocurren en la naturaleza porque sus vidas medias son comparables con la edad de la tierra. La Tabla 2 enumera los radionucleidos primordiales más importantes.
Cuadro 2. Radionucleidos primordiales
Radioisótopo |
Vida media (109 Y) |
Abundancia (%) |
238U |
4.47 |
99.3 |
232Th |
14.0 |
100 |
235U |
0.704 |
0.720 |
40K |
1.25 |
0.0117 |
87Rb |
48.9 |
27.9 |
Los isótopos de uranio y torio encabezan una larga cadena de radioisótopos descendientes que, como resultado, también se producen de forma natural. La Figura 9, AC, ilustra las cadenas de decaimiento para 232Th 238U y 235U, respectivamente. Debido a que la desintegración alfa es común por encima del número de masa atómica 205 y el número de masa atómica de una partícula alfa es 4, existen cuatro cadenas de desintegración distintas para los núcleos pesados. Una de estas cadenas (ver figura 9, D), que para 237Np, no ocurre en la naturaleza. Esto se debe a que no contiene un radionucleido primordial (es decir, ningún radionucleido de esta cadena tiene una vida media comparable con la edad de la Tierra).
Figura 9. Serie de decaimiento (Z = número atómico; N = número de masa atómica)
Tenga en cuenta que los isótopos de radón (Rn) se encuentran en cada cadena (219Rn 220Rn y 222Rn). Dado que Rn es un gas, una vez que se produce Rn, tiene la posibilidad de escapar a la atmósfera desde la matriz en la que se formó. Sin embargo, la vida media de 219Rn es demasiado corto para permitir que cantidades significativas alcancen una zona de respiración. La vida media relativamente corta de 220Rn por lo general lo convierte en una preocupación de riesgo para la salud menor que 222Rn.
Sin incluir el Rn, los radionucleidos primordiales externos al cuerpo liberan en promedio una dosis efectiva anual de alrededor de 0.3 mSv a la población humana. La dosis efectiva anual real varía ampliamente y está determinada principalmente por la concentración de uranio y torio en el suelo local. En algunas partes del mundo donde las arenas de monacita son comunes, la dosis efectiva anual para un miembro de la población es de unos 20 mSv. En otros lugares, como en los atolones de coral y cerca de las costas, el valor puede ser tan bajo como 0.03 mSv (consulte la figura 9).
El radón generalmente se considera por separado de otros radionucleidos terrestres naturales. Se filtra en el aire desde el suelo. Una vez en el aire, Rn se descompone aún más en isótopos radiactivos de Po, bismuto (Bi) y Pb. Estos radionucleidos descendientes se adhieren a las partículas de polvo que pueden inhalarse y quedar atrapadas en los pulmones. Al ser emisores alfa, entregan casi toda su energía de radiación a los pulmones. Se estima que la dosis equivalente pulmonar anual promedio de dicha exposición es de aproximadamente 20 mSv. Esta dosis equivalente en los pulmones es comparable a una dosis efectiva en todo el cuerpo de aproximadamente 2 mSv. Claramente, el Rn y los radionucleidos de su progenie son los que más contribuyen a la dosis efectiva de radiación de fondo (ver figura 9).
Rayos cósmicos
La radiación cósmica incluye partículas energéticas de origen extraterrestre que golpean la atmósfera de la tierra (principalmente partículas y en su mayoría protones). También incluye partículas secundarias; principalmente fotones, neutrones y muones, generados por interacciones de partículas primarias con gases en la atmósfera.
En virtud de estas interacciones, la atmósfera sirve como escudo contra la radiación cósmica, y cuanto más delgado es este escudo, mayor es la tasa de dosis efectiva. Por lo tanto, la tasa de dosis efectiva de rayos cósmicos aumenta con la altitud. Por ejemplo, la tasa de dosis a una altitud de 1,800 metros es aproximadamente el doble que al nivel del mar.
Debido a que la radiación cósmica primaria consiste principalmente en partículas cargadas, está influenciada por el campo magnético terrestre. Las personas que viven en latitudes más altas reciben mayores dosis efectivas de radiación cósmica que las que se encuentran más cerca del ecuador terrestre. La variación debida a este efecto es del orden
de 10%.
Finalmente, la tasa de dosis efectiva de rayos cósmicos varía según la modulación de la salida de rayos cósmicos del sol. En promedio, los rayos cósmicos contribuyen con alrededor de 0.3 mSv a la dosis efectiva de radiación de fondo para todo el cuerpo.
Radionucleidos cosmogénicos
Los rayos cósmicos producen radionúclidos cosmogénicos en la atmósfera. Los más destacados son el tritio (3H), berilio-7 (7Ser), carbono-14 (14C) y sodio-22 (22N / A). Son producidos por los rayos cósmicos que interactúan con los gases atmosféricos. Los radionucleidos cosmogénicos liberan una dosis efectiva anual de alrededor de 0.01 mSv. La mayor parte de esto proviene 14C.
Lluvia nuclear
Desde la década de 1940 hasta la década de 1960, se realizaron extensas pruebas de armas nucleares en la superficie. Esta prueba produjo grandes cantidades de materiales radiactivos y los distribuyó al medio ambiente en todo el mundo como polvillo radiactivo. Aunque gran parte de estos desechos se han descompuesto desde entonces en isótopos estables, las pequeñas cantidades que quedan serán una fuente de exposición durante muchos años. Además, las naciones que continúan probando ocasionalmente armas nucleares en la atmósfera se suman al inventario mundial.
Los principales contribuyentes de la lluvia radiactiva a la dosis efectiva actualmente son el estroncio-90 (90Sr) y cesio-137 (137Cs), los cuales tienen vidas medias de alrededor de 30 años. La dosis efectiva anual promedio de la lluvia radiactiva es de aproximadamente 0.05 mSv.
Material radiactivo en el cuerpo.
La deposición de radionucleidos naturales en el cuerpo humano resulta principalmente de la inhalación e ingestión de estos materiales en el aire, los alimentos y el agua. Dichos nucleidos incluyen radioisótopos de Pb, Po, Bi, Ra, K (potasio), C, H, U y Th. De estos, 40K es el mayor contribuyente. Los radionucleidos naturales depositados en el cuerpo aportan alrededor de 0.3 mSv a la dosis efectiva anual.
Radiación producida por máquinas
El uso de rayos X en las artes curativas es la mayor fuente de exposición a la radiación producida por máquinas. Millones de sistemas médicos de rayos X están en uso en todo el mundo. La exposición promedio a estos sistemas médicos de rayos X depende en gran medida del acceso de la población a la atención. En los países desarrollados, la dosis efectiva anual promedio de radiación prescrita médicamente de rayos X y material radiactivo para diagnóstico y terapia es del orden de 1 mSv.
Los rayos X son un subproducto de la mayoría de los aceleradores de partículas de física de alta energía, especialmente aquellos que aceleran electrones y positrones. Sin embargo, el blindaje apropiado y las precauciones de seguridad, además de la población limitada en riesgo, hacen que esta fuente de exposición a la radiación sea menos importante que las fuentes anteriores.
Radionucleidos producidos mecánicamente
Los aceleradores de partículas pueden producir una gran variedad de radionucleidos en cantidades variables por medio de reacciones nucleares. Las partículas aceleradas incluyen protones, deuterones (2núcleos H), partículas alfa, mesones cargados, iones pesados, etc. Los materiales objetivo pueden estar hechos de casi cualquier isótopo.
Los aceleradores de partículas son prácticamente la única fuente de radioisótopos emisores de positrones. (Los reactores nucleares tienden a producir radioisótopos ricos en neutrones que se desintegran por emisión de negatrones). También se utilizan cada vez más para producir isótopos de vida corta para uso médico, especialmente para la tomografía por emisión de positrones (PET).
Materiales y productos de consumo mejorados tecnológicamente
Los rayos X y los materiales radiactivos aparecen, deseados y no deseados, en un gran número de operaciones modernas. La Tabla 3 enumera estas fuentes de radiación.
Cuadro 3. Fuentes y estimaciones de las dosis efectivas asociadas a la población de materiales y productos de consumo mejorados tecnológicamente
Grupo I: involucra a un gran número de personas y la dosis efectiva individual es muy |
|
Productos de tabaco |
Combustibles combustibles |
Suministros domésticos de agua |
Vidrio y cerámica |
Materiales de construcción |
vidrio oftálmico |
Productos mineros y agrícolas |
|
Grupo II: involucra a muchas personas pero la dosis efectiva es relativamente pequeña o limitada |
|
Receptores de televisión |
Materiales de construcción de carreteras y carreteras. |
Productos radioluminosos |
Transporte aéreo de materiales radiactivos |
Sistemas de inspección aeroportuaria |
Irradiadores de chispa y tubos de electrones |
Detectores de gas y aerosoles (humo) |
Productos de torio: arrancadores de lámparas fluorescentes |
Grupo III: involucra a relativamente pocas personas y la dosis efectiva colectiva es pequeña |
|
Productos de torio: varillas de soldadura de tungsteno |
Fuente: NCRP 1987.