Es la ciencia que estudia los fenómenos
que se producen en los seres vivos tras la absorción de energía procedente de
las radiaciones ionizantes.
Las dos grandes razones que han
impulsado la investigación de los efectos biológicos de las Protección Radiológica:
Poder utilizar esas radiaciones de forma segura en todas las aplicaciones
médicas o industriales que las requieran.
Radioterapia: Utilización de las
radiaciones ionizantes principalmente en neoplasias, preservando al máximo los
órganos críticos (tejido humano sano).
CONSTITUCIÓN DEL ÁTOMO Y MODELOS ATÓMICOS.
La descripción básica de la
constitución atómica, reconoce la existencia de partículas con carga eléctrica
negativa, llamados electrones, los cuales giran en diversas órbitas (niveles de
energía) alrededor de un núcleo central con carga eléctrica positiva. El átomo
en su conjunto y sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente
neutro.
El núcleo lo componen los protones con
carga eléctrica positiva, y los neutrones que no poseen carga eléctrica.
Los tamaños de los núcleos atómicos
para los diversos elementos están comprendidos entre una cienmilésima y una diezmilésima
del tamaño del átomo.
La cantidad de protones y de electrones
presentes en cada átomo es la misma. Esta cantidad recibe el nombre de número
atómico, y se designa por la letra "Z". A la cantidad total de
protones más neutrones presentes en un núcleo atómico se le llama número másico
y se designa por la letra "A".
Si designamos por "X" a un
elemento químico cualquiera, su número atómico y másico se representa por la
siguiente simbología:
Z X A
Por ejemplo, para el Hidrógeno tenemos:
1 H 1 .
Si bien hoy en día todas las
características anteriores de la constitución atómica son bastante conocidas y
aceptadas, a través de la historia han surgido diversos modelos que han
intentado dar respuesta sobre la estructura del átomo.
Algunos de tales modelos son los
siguientes:
Thomson sugiere un modelo atómico que
tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897. Su
modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro
del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se
podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos hasta la
fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los
experimentos llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales
ideas.
b) El Modelo de Rutherford
Basado en los resultados de su trabajo
que demostró la existencia del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la
totalidad de la masa del átomo se concentra en un núcleo central muy diminuto
de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo
describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen
carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se
neutralizan entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro.
El modelo de Rutherford tuvo que ser
abandonado, pues el movimiento de los electrones suponía una pérdida continua
de energía, por lo tanto, el electrón terminaría describiendo órbitas en
espiral, precipitándose finalmente hacia el núcleo. Sin embargo, este modelo
sirvió de base para el modelo propuesto por su discípulo Neils Bohr, marcando el
inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le conoce como
el padre de la era nuclear.
c) El Modelo de Bohr.
El físico danés Niels Bohr ( Premio
Nobel de Física 1922), postula que los electrones giran a grandes velocidades
alrededor del núcleo atómico. Los electrones se disponen en diversas órbitas
circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía. El electrón
puede acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita
"absorber" energía. Para volver a su nivel de energía original es
necesario que el electrón emita la energía absorbida (por ejemplo en forma de
radiación). Este modelo, si bien se ha perfeccionado con el tiempo, ha servido
de base a la moderna física nuclear.
d) Modelo Mecano - Cuántico.
Se inicia con los estudios del físico
francés Luis De Broglie, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1929. Según
De Broglie, una partícula con cierta cantidad de movimiento se comporta como
una onda. En tal sentido, el electrón tiene un comportamiento dual de onda y
corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades elevadas. Al comportarse
el electrón como una onda, es difícil conocer en forma simultánea su posición
exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo existe la probabilidad de encontrar
un electrón en cierto momento y en una región dada en el átomo, denominando a
tales regiones como niveles de energía. La idea principal del postulado se
conoce con el nombre de Principio de Incertidumbre de Heisenberg.
RADIACIÓN
La radiación es la emisión, propagación
y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas
o partículas.
Los seres vivos conviven con las
radiaciones desde sus orígenes. Sin la radiación del sol no habría existido
vida en la tierra y sin la radiación infrarroja no podríamos calentarnos.
Además de estas fuentes naturales de radiación, el ser humano ha sido capaz de
desarrollar distintos aparatos que se basan en o utilizan las radiaciones.
Utilizamos la radiación cuando escuchamos la radio, hablamos con el móvil,
calentamos el desayuno en el microondas, tostamos el pan o nos hacen una
radiografía.
Cuanto mayor es la frecuencia de la
radiación electromagnética, mayor será su energía. Las ondas o radiaciones
electromagnéticas se pueden clasificar en función de su energía en radiaciones
ionizantes, tienen energía suficiente como para producir la ionización de los
átomos de la materia que atraviesan (ej, rayos X) o radiaciones no ionizantes,
no tienen suficiente energía para romper los enlaces de los átomos y producir la
ionización (ej, microondas).
Las radiaciones que se presentan en
forma de partículas con masa (ej, radiación alfa) están incluidas dentro de las
radiaciones ionizantes, pues en todos los casos son capaces de producir la
ionización.
RADIOBIOLOGÍA.
La radiobiología es la ciencia que
estudia los efectos que se producen en los seres vivos tras la exposición a
energía procedente de las radiaciones ionizantes.
Dos grandes razones que han impulsado
la investigación de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes sobre
la materia viva son la protección radiológica, para poder utilizarlas de forma
segura en aplicaciones médicas o industriales que las requieran, y la
radioterapia donde las radiaciones ionizantes se utilizan principalmente para
el tratamiento de neoplasias buscando preservar al máximo los órganos críticos
(tejido sano).
RADIACIONES: NATURALEZA Y PROPIEDADES.
Las partículas alfa (núcleos de helio)
se detienen al interponer una hoja de papel. Las partículas beta (electrones y
positrones) no pueden atravesar una capa de aluminio. Sin embargo, los rayos
gamma (fotones de alta energía) necesitan una barrera mucho más gruesa, y los
más energéticos pueden atravesar el plomo. Se comprobó que la radiación puede
ser de tres clases diferentes, conocidas como partículas, desintegraciones y
radiación:
·
Partícula alfa:
Son flujos de partículas cargadas
positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio).
Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque
muy ionizantes. Son muy energéticas. Fueron descubiertas por Rutherford, quien
hizo pasar partículas alfa a través de un fino cristal y las atrapó en un tubo
de descarga. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados
situados al final de la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen
muchos protones y la repulsión eléctrica es muy fuerte, por lo que tienden a
obtener N aproximadamente igual a Z, y para ello se emite una partícula alfa.
En el proceso se desprende mucha energía, que se convierte en la energía
cinética de la partícula alfa, por lo que estas partículas salen con
velocidades muy altas
·
Desintegración Beta:
Son flujos de electrones (beta
negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de
los neutrones o protones del núcleo cuando éste se encuentra en un estado
excitado.
Es desviada por campos magnéticos. Es
más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las
partículas alfa. Por lo tanto, cuando un átomo expulsa una partícula beta, su
número atómico aumenta o disminuye una unidad (debido al protón ganado o
perdido). Existen tres tipos de radiación beta: la radiación beta-, que
consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos; la
radiación beta+, en la que un protón del núcleo se desintegra y da lugar a un
neutrón, a un positrón o partícula Beta+ y un neutrino, y por último la captura
electrónica que se da en núcleos con exceso de protones, en la cual el núcleo
captura un electrón de la corteza electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.
·
Radiación gamma:
Se trata de ondas electromagnéticas. Es
el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud
de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de
plomo u hormigón para detenerlas. En este tipo de radiación el núcleo no pierde
su identidad, sino que se desprende de la energía que le sobra para pasar a
otro estado de energía más baja emitiendo los rayos gamma, o sea fotones muy energéticos.
Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta. Por ser tan
penetrante y tan energética, éste es el tipo más peligroso de radiación.
RADIOACTIVIDAD.
La radiactividad también conocida como
radioactividad, radiación nuclear o desintegración nuclear) es el proceso por
el cual un núcleo atómico inestable pierde energía mediante la emisión de
radiación, como una partícula alfa, partícula beta con neutrino o sólo un
neutrino en el caso de la captura electrónica, o un rayo gamma o electrón en el
caso de conversión interna. Un material que contiene estos núcleos inestables
se considera radiactivo. Ciertos estados nucleares de vida corta altamente
excitados pueden decaer a través de emisión de neutrones, o más raramente,
emisión de protones.
La desintegración radioactiva es un
estocástico (es decir, aleatorio) a nivel de átomos individuales. Según la
teoría cuántica, es imposible predecir cuándo se desintegrara un átomo en
particular,234 independientemente de cuánto tiempo haya existido el átomo.
Sin embargo, para una colección de átomos, la tasa de decaimiento esperado de
la colección se caracteriza en términos de su constante de decaimientos o vidas
medias medidas. Esta es la base de la datación radiométrica. Las vidas medias
de los átomos radioactivos no tienen un límite superior conocido, que abarca un
rango de tiempo de más de 55 órdenes de magnitud, desde casi instantáneo hasta
mucho más largo que la edad del universo.
Un núcleo radioactivo con espín cero
puede no tener una orientación definida y, por lo tanto, emite el total
momentum de sus productos de descomposición isotrópica (en todas las
direcciones y sin sesgo). Si hay múltiples partículas producidas durante una
sola desintegración, como en la desintegración beta, su distribución angular
relativa o las direcciones de espín pueden no ser isotrópicas. Los productos de
desintegración de un núcleo con espín pueden estar distribuidos de forma no
isotrópica con respecto a esa dirección de espín, ya sea debido a una
influencia externa como un campo electromagnético, o porque el núcleo se
produjo en un proceso dinámico que limitó la dirección de su espín. Tal proceso
padre podría ser una descomposición previa, o una reacción nuclear.
El núcleo en desintegración se llama
radionucleido padre (o radioisótopo padrenote ), y el proceso produce al menos
un nucleido hijo. Excepto por la desintegración gamma o la conversión interna
de un estado excitado nuclear, la desintegración es un transmutación nuclear
que resulta en una hija que contiene un número diferente de protones o
neutrones (o ambos). Cuando el número de protones cambia, se crea un átomo de
un elemento químico diferente.
Los primeros procesos de desintegración
que se descubrieron fueron la desintegración alfa, la desintegración beta y la
desintegración gamma. La desintegración alfa ocurre cuando el núcleo expulsa
una partícula alfa (núcleo de helio). Este es el proceso más común de emisión
de nucleones, pero los núcleos altamente excitados pueden expulsar nucleones
individuales, o en el caso de desintegración del racimo, núcleos ligeros
específicos de otros elementos. ocurre de dos maneras: ) decaimiento
beta-negativo, cuando el núcleo emite un electrón y un antineutrino en un
proceso que convierte un neutrón en un protón, o (ii) decaimiento
beta-positivo, cuando el núcleo emite un positrón y un neutrino en un proceso
que convierte un protón en un neutrón. Los núcleos ricos en neutrones altamente
excitados, formados como producto de otros tipos de descomposición,
ocasionalmente pierden energía por medio de la emisión de neutrones, resultando
en un cambio de un isótopo a otro del mismo elemento. El núcleo puede capturar
un electrón en órbita, haciendo que un protón se convierta en un neutrón en un
proceso llamado captura de electrones. Todos estos procesos resultan en una
transmutación nuclear bien definida.
Por el contrario, hay procesos de
desintegración radiactiva que no dan lugar a una transmutación nuclear. La
energía de un núcleo excitado puede ser emitida como un rayo gamma en un
proceso llamado desintegración gamma, o esa energía puede perderse cuando el
núcleo interactúa con un electrón orbital causando su expulsión del átomo, en
un proceso llamado conversión interna.
Otro tipo de desintegración radiactiva
da como resultado productos que varían, apareciendo como dos o más
"fragmentos" del núcleo original con un rango de posibles masas. Esta
desintegración, llamada fisión nuclear espontánea, ocurre cuando un gran núcleo
inestable se divide espontáneamente en dos (u ocasionalmente tres) núcleos
hijos más pequeños, y generalmente conduce a la emisión de rayos gamma,
neutrones u otras partículas de esos productos.
Para una tabla resumen que muestra el
número de nucleidos estables y radioactivos en cada categoría, ver
radionucleido. Hay 28 elementos químicos naturales en la Tierra que son
radioactivos, que consisten en 33 radionucleidos (5 elementos tienen 2
radionucleidos diferentes) que datan antes de la época de formación del sistema
solar. Estos 33 son conocidos como nucleidos primordiales. Ejemplos bien
conocidos son el uranio y el torio, pero también se incluyen los radioisótopos
de larga vida naturales, como potasio-40. Otros 50 radionucleidos de vida más
corta, como radio y radón, que se encuentran en la Tierra, son los productos de
cadenas de desintegración que comenzaron con los nucleidos primordiales, o son
el producto de procesos cosmogénicos continuos, tales como la producción de
carbono-14 a partir del nitrógeno-14 en la atmósfera por rayos cósmicos. Los
radionucleidos también pueden ser producidos artificialmente en aceleradores de
partículas o reactores nucleares, resultando en 650 de estos con vidas medias
de más de una hora, y varios miles más con vidas medias aún más cortas.
LOS RAYOS X.
Los rayos X son un tipo de radiación
llamada ondas electromagnéticas. Las imágenes de rayos X muestran el interior
de su cuerpo en diferentes tonos de blanco y negro. Esto es debido a que
diferentes tejidos absorben diferentes cantidades de radiación. El calcio en
los huesos absorbe la mayoría de los rayos X, por lo que los huesos se ven
blancos. La grasa y otros tejidos blandos absorben menos, y se ven de color
gris. El aire absorbe la menor cantidad, por lo que los pulmones se ven negros.
El uso más común de los rayos X es para
ver huesos rotos, pero los rayos X se utilizan también para otros usos. Por
ejemplo, las radiografías de tórax pueden detectar neumonía. Las mamografías
utilizan rayos X para detectar el cáncer de mama.
Cuando a usted le sacan una
radiografía, es posible que deba usar un delantal de plomo para proteger
algunas partes de su cuerpo. La cantidad de radiación que recibe de una
radiografía es pequeña. Por ejemplo, una radiografía de tórax expone a una
dosis de radiación similar a la cantidad que está naturalmente expuesto del
ambiente por un periodo de 10 días.
ESTRUCTURA Y GENERACIÓN DEL TUBO DE COOLIDGE.
En 1913, William Coolidge realizó
varias mejoras al tubo de Crookes. El tubo de Coolidge, también conocido como
«tubo de cátodo caliente», ha estado en uso desde entonces con algunas
modificaciones sobre el diseño básico.
Funciona en un alto vacío, de unos
10−4 Pa, o 10−6 Torr y los electrones son generados por emisión termoiónica en
un filamento de wolframio —el cátodo— calentado por una corriente eléctrica. El
haz de electrones emitido por el cátodo es acelerado aplicando una diferencia
de potencial entre el cátodo y el ánodo; al colisionar con el ánodo, los
electrones producen rayos X por los mismos procesos que en el tubo de Crookes.
Tipos:
Esquema de un tubo de ánodo
rotatorio. A: ánodo; R: rotor; T: área donde incide el haz de electrones; C:
cátodo; E: superficie del tubo en vacío; S: estátor; O: volumen ocupado por el
aceite refrigerador; B: fuelle que permite la expansión termal del aceite; W:
ventana de salida de los rayos X
- ·
Ánodo rotatorio
El tubo de ánodo rotatorio es un tubo
de Coolidge en el que se hace girar el ánodo mediante inducción
electromagnéticagenerada por estátores situados alrededor del tubo. Al girar,
el calor generado por el impacto del haz de electrones se distribuye sobre una
mayor superficie, lo que permite aumentar la intensidad del haz de electrones
en aplicaciones que requieran una alta dosis de rayos X.
- ·
Tubos de microfoco
Ciertas técnicas, como la
microtomografía, precisan de imágenes de muy alta resolución que pueden
conseguirse usando un haz de rayos X de sección reducida. Los tubos de
microfoco producen haces con un diámetro típico menor de 50 µm in diameter.
Los tubos de microfoco de ánodo
sólido son similares a un tubo de Coolidge convencional, pero con el haz de
electrones incide sobre un área muy pequeña del ánodo, normalmente entre 5 y 20
µm; la densidad de potencia del haz de electrones está limitada a un valor
máximo de 0.4-0.8 W/µm para no derretir el ánodo, por lo que estas fuentes son
poco potentes, por ejemplo, 4-8 W para un haz de electrones de 10 µm de diámetro.
Los tubos de ánodo de metal líquido,
en cambio, pueden funcionar con una potencia de 3-6 W/µm. En estos
instrumentos, el ánodo sólido es reemplazado por un chorro de metal líquido,
generalmente galio en circulación continua. La potencia total es un orden de
magnitud mayor que en las fuentes de ánodo fijo, lo que permite disminuir el
foco hasta los 5 µm de diámetro, acompañado de una mejora de la resolución de
las imágenes y un menor tiempo de exposición.
- ·
Cátodo de nanotubos de carbono
El cátodo empleado en los tubos
convencionales se puede reemplazar por una serie de nanotubos de carbono que
emiten electrones al aplicárseles un voltaje, en vez de por calentamiento, como
el filamento de wolframio, por lo que pueden funcionar a temperatura ambiente.
Este diseño fue concebido por un
grupo de científicos de la Universidad de Carolina del Norte y patentado en el
año 2000. Además de mejorar el consumo de energía, este diseño presenta
ventajas en aplicaciones que requieran imágenes de objetos en movimiento: los
haces de electrones provenientes de distintos nanotubos emiten rayos X en
direcciones distintas, por lo que no es necesario mover el aparato, como ocurre
con los tubos con un único filamento, lo que resultaría en imágenes más
nítidas.
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