He
) que se mueve rápidamente y es detenida por una hoja de papel. La radiación beta (β), formada por electrones, es detenida por una placa de aluminio. La radiación gamma (γ), formada por fotones energéticos, acaba siendo absorbida al penetrar en un material denso. La radiación de neutrones (n) consiste en neutrones libres que son bloqueados por elementos ligeros, como el hidrógeno, que los frenan y/o capturan. No se muestra: los rayos cósmicos galácticos que consisten en núcleos cargados energéticamente como protones, núcleos de helio y núcleos de alta carga llamados iones HZE.
Las cámaras de nubes son una de las pocas formas de visualizar la radiación ionizante. Se emplearon principalmente en la investigación en los primeros días de la física de partículas, pero siguen siendo una importante herramienta educativa hoy en día.
La radiación ionizante se clasifica por la naturaleza de las partículas u ondas electromagnéticas que crean el efecto ionizante. Estas tienen diferentes mecanismos de ionización, y pueden agruparse como directa o indirectamente ionizantes.
Ionizantes directasEditar
Cualquier partícula cargada con masa puede ionizar átomos directamente por interacción fundamental a través de la fuerza de Coulomb si lleva suficiente energía cinética. Esto incluye núcleos atómicos, electrones, muones, piones cargados, protones y núcleos cargados energéticos despojados de sus electrones. Cuando se mueven a velocidades relativistas, estas partículas tienen suficiente energía cinética para ser ionizantes, pero no se requieren velocidades relativistas. Por ejemplo, una partícula alfa típica es ionizante, pero se mueve a un 5% de c, y un electrón con 33 eV (suficiente para ionizar) se mueve a un 1% de c.
Las dos primeras fuentes ionizantes que se reconocieron recibieron nombres especiales que se utilizan hoy en día: Los núcleos de helio expulsados de los núcleos atómicos se denominan partículas alfa, y los electrones expulsados normalmente (pero no siempre) a velocidades relativistas, se denominan partículas beta.
Los rayos cósmicos naturales están formados principalmente por protones relativistas, pero también incluyen núcleos atómicos más pesados como los iones de helio y los iones HZE. En la atmósfera, estas partículas suelen ser detenidas por las moléculas de aire, lo que produce piones cargados de corta duración, que pronto decaen en muones, un tipo primario de radiación de rayos cósmicos que llega al suelo (y también lo penetra en cierta medida). Los piones también pueden producirse en grandes cantidades en los aceleradores de partículas.
Partículas alfaEditar
Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Las emisiones de partículas alfa se producen generalmente en el proceso de desintegración alfa, pero también pueden producirse de otras maneras. Las partículas alfa reciben su nombre de la primera letra del alfabeto griego, α. El símbolo de la partícula alfa es α o α2+. Como son idénticas a los núcleos de helio, también se escriben a veces como He2+
o 4
2He2+
indicando un ion de Helio con carga +2 (le faltan sus dos electrones). Si el ion gana electrones de su entorno, la partícula alfa puede escribirse como un átomo de helio normal (eléctricamente neutro) 4
2He.
Las partículas alfa son una forma enormemente ionizante de radiación de partículas. Cuando son el resultado de una desintegración alfa radiactiva, tienen una baja profundidad de penetración. En este caso pueden ser absorbidas por unos pocos centímetros de aire, o por la piel. Las partículas alfa más potentes y de largo alcance procedentes de la fisión ternaria son tres veces más energéticas y penetran proporcionalmente más lejos en el aire. Los núcleos de helio que forman entre el 10 y el 12% de los rayos cósmicos también suelen tener una energía mucho mayor que los producidos por los procesos de desintegración nuclear y, cuando se encuentran en el espacio, son capaces de atravesar el cuerpo humano y los blindajes densos. Sin embargo, este tipo de radiación es significativamente atenuada por la atmósfera terrestre, que es un escudo contra la radiación equivalente a unos 10 metros de agua.
Partículas betaEditar
Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos, como el potasio-40. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta. Hay dos formas de desintegración beta, β- y β+, que dan lugar respectivamente al electrón y al positrón.
Cuando se dice que algo tiene contaminación radiactiva, a menudo significa que hay partículas beta que se emiten desde su superficie, detectables con un contador Geiger u otro detector de radiación. Al acercarse al emisor beta, el detector indicará un aumento drástico de la radiactividad. Cuando la sonda del detector se cubre con un escudo para bloquear los rayos beta, la indicación se reducirá drásticamente.
Las partículas beta de alta energía pueden producir rayos X conocidos como bremsstrahlung («radiación de frenado») o electrones secundarios (rayos delta) al atravesar la materia. Ambos pueden causar un efecto de ionización indirecta.
El bremsstrahlung es preocupante cuando se blindan emisores beta, ya que la interacción de las partículas beta con el material de blindaje produce Bremsstrahlung. Este efecto es mayor con material de números atómicos altos, por lo que se utiliza material con números atómicos bajos para el blindaje de fuentes beta.
Positrones y otros tipos de antimateriaEditar
El positrón o antielectrón es la antipartícula o la contraparte de antimateria del electrón. Cuando un positrón de baja energía colisiona con un electrón de baja energía, se produce la aniquilación, lo que da lugar a su conversión en la energía de dos o más fotones de rayos gamma (véase aniquilación electrón-positrón).
Los positrones pueden generarse por desintegración nuclear por emisión de positrones (a través de interacciones débiles), o por producción de pares a partir de un fotón suficientemente energético. Los positrones son fuentes artificiales comunes de radiación ionizante utilizadas en las exploraciones médicas de tomografía por emisión de positrones (PET).
Como los positrones son partículas con carga positiva, también pueden ionizar directamente un átomo a través de las interacciones de Coulomb.
Núcleos cargadosEditar
Los núcleos cargados son característicos de los rayos cósmicos galácticos y de los eventos de partículas solares y, excepto las partículas alfa (núcleos de helio cargados), no tienen fuentes naturales en la Tierra. En el espacio, sin embargo, los protones de muy alta energía, los núcleos de helio y los iones HZE pueden ser detenidos inicialmente por capas relativamente finas de blindaje, ropa o piel. Sin embargo, la interacción resultante generará una radiación secundaria y causará efectos biológicos en cascada. Si un solo átomo de tejido es desplazado por un protón energético, por ejemplo, la colisión provocará otras interacciones en el cuerpo. Esto se denomina «transferencia lineal de energía» (LET), que utiliza la dispersión elástica.
La LET puede visualizarse como una bola de billar que golpea a otra en el sentido de la conservación del momento, enviando a ambas con la energía de la primera bola dividida entre las dos de forma desigual. Cuando un núcleo cargado choca con un núcleo relativamente lento de un objeto en el espacio, se produce la LET y los neutrones, las partículas alfa, los protones de baja energía y otros núcleos serán liberados por las colisiones y contribuirán a la dosis total absorbida del tejido.
Ionización indirectaEditar
La radiación ionizante indirecta es eléctricamente neutra y, por lo tanto, no interactúa fuertemente con la materia. La mayor parte de los efectos de ionización se deben a ionizaciones secundarias.
Un ejemplo de radiación indirectamente ionizante es la radiación de neutrones.
Radiación de fotonesEditar
El coeficiente de absorción total del plomo (número atómico 82) para los rayos gamma, representado en función de la energía gamma, y las contribuciones de los tres efectos. Aquí, el efecto fotoeléctrico domina a baja energía. Por encima de 5 MeV, la producción de pares empieza a dominar.
Aunque los fotones son eléctricamente neutros, pueden ionizar átomos directamente a través del efecto fotoeléctrico y del efecto Compton. Cualquiera de esas interacciones provocará la expulsión de un electrón de un átomo a velocidades relativistas, convirtiendo ese electrón en una partícula beta (partícula beta secundaria) que ionizará muchos otros átomos. Dado que la mayoría de los átomos afectados son ionizados directamente por las partículas beta secundarias, los fotones se denominan radiación indirectamente ionizante.
La radiación de fotones se denomina rayos gamma si se produce por una reacción nuclear, una desintegración de partículas subatómicas o una desintegración radiactiva dentro del núcleo. Por el contrario, se denomina rayos X si se produce fuera del núcleo. Por lo tanto, el término genérico fotón se utiliza para describir ambos.
Los rayos X normalmente tienen una energía menor que los rayos gamma, y una convención más antigua era definir el límite como una longitud de onda de 10-11 m o una energía de fotón de 100 keV. Ese umbral se debía a las limitaciones de los tubos de rayos X más antiguos y al escaso conocimiento de las transiciones isoméricas. Las tecnologías y los descubrimientos modernos han dado lugar a un solapamiento entre las energías de los rayos X y de los rayos gamma. En muchos campos son funcionalmente idénticas, diferenciándose para los estudios terrestres únicamente en el origen de la radiación. Sin embargo, en la astronomía, donde el origen de la radiación a menudo no puede determinarse de forma fiable, se ha conservado la antigua división energética, definiendo los rayos X como aquellos que se encuentran entre unos 120 eV y 120 keV, y los rayos gamma como los de cualquier energía por encima de 100 a 120 keV, independientemente de la fuente. Se sabe que la mayoría de los «rayos gamma astronómicos» no se originan en procesos radiactivos nucleares, sino que son el resultado de procesos como los que producen los rayos X astronómicos, sólo que impulsados por electrones mucho más energéticos.
La absorción fotoeléctrica es el mecanismo dominante en los materiales orgánicos para energías de fotones inferiores a 100 keV, típicas de los rayos X clásicos originados en tubos de rayos X. A energías superiores a 100 keV, los fotones ionizan la materia cada vez más a través del efecto Compton, y luego indirectamente a través de la producción de pares a energías superiores a 5 MeV. El diagrama de interacción adjunto muestra dos dispersiones Compton que se producen secuencialmente. En cada evento de dispersión, el rayo gamma transfiere energía a un electrón, y éste continúa su camino en una dirección diferente y con energía reducida.
Límite de definición para los fotones de menor energíaEditar
La energía de ionización más baja de cualquier elemento es de 3,89 eV, para el cesio. Sin embargo, el material de la Comisión Federal de Comunicaciones de Estados Unidos define la radiación ionizante como aquella con una energía de fotones superior a 10 eV (equivalente a una longitud de onda del ultravioleta lejano de 124 nanómetros). Aproximadamente, esto corresponde a la primera energía de ionización del oxígeno y a la energía de ionización del hidrógeno, ambas de unos 14 eV. En algunas referencias de la Agencia de Protección Ambiental, la ionización de una molécula de agua típica a una energía de 33 eV se menciona como el umbral biológico apropiado para la radiación ionizante: este valor representa el llamado valor W, el nombre coloquial para la energía media gastada en un gas por par de iones formado, que combina la energía de ionización más la energía perdida por otros procesos como la excitación. Con una longitud de onda de 38 nanómetros para la radiación electromagnética, 33 eV se acercan a la energía de la transición convencional de 10 nm de longitud de onda entre la radiación ultravioleta extrema y los rayos X, que se produce a unos 125 eV. Por lo tanto, la radiación de rayos X es siempre ionizante, pero sólo la radiación ultravioleta extrema puede considerarse ionizante según todas las definiciones.
El efecto biológico de la radiación ionizante en las células se asemeja en cierto modo al de un espectro más amplio de radiación dañina para las moléculas, que se superpone a la radiación ionizante y se extiende más allá, a energías algo más bajas en todas las regiones de la luz ultravioleta y a veces de la luz visible en algunos sistemas (como los sistemas fotosintéticos de las hojas). Aunque el ADN siempre es susceptible de ser dañado por las radiaciones ionizantes, la molécula de ADN también puede ser dañada por radiaciones con energía suficiente para excitar ciertos enlaces moleculares y formar dímeros de pirimidina. Esta energía puede ser menor que la ionizante, pero cercana a ella. Un buen ejemplo es la energía del espectro ultravioleta, que comienza en unos 3,1 eV (400 nm), cerca del mismo nivel de energía que puede causar quemaduras solares en la piel sin protección, como resultado de fotorreacciones en el colágeno y (en el rango UV-B) también daños en el ADN (por ejemplo, dímeros de pirimidina). Así, el espectro electromagnético ultravioleta medio e inferior es perjudicial para los tejidos biológicos como resultado de la excitación electrónica en las moléculas, que no llega a la ionización, pero produce efectos no térmicos similares. Hasta cierto punto, se ha demostrado que la luz visible y también la ultravioleta A (UVA), que es la más cercana a las energías visibles, dan lugar a la formación de especies reactivas de oxígeno en la piel, que causan daños indirectos, ya que se trata de moléculas excitadas electrónicamente que pueden infligir daños reactivos, aunque no causen quemaduras solares (eritema). Al igual que la ionización-daño, todos estos efectos en la piel van más allá de los producidos por simples efectos térmicos.
Interacción de la radiación: los rayos gamma se representan con líneas onduladas, las partículas cargadas y los neutrones con líneas rectas. Los círculos pequeños muestran dónde se produce la ionización.
NeutronesEditar
Los neutrones tienen una carga eléctrica neutra que a menudo se malinterpreta como carga eléctrica nula y, por tanto, no suelen causar directamente la ionización en un solo paso o interacción con la materia. Sin embargo, los neutrones rápidos interactuarán con los protones del hidrógeno a través del LET, y este mecanismo dispersa los núcleos de los materiales en la zona objetivo, causando la ionización directa de los átomos de hidrógeno. Cuando los neutrones golpean los núcleos de hidrógeno, se produce una radiación de protones (protones rápidos). Estos protones son en sí mismos ionizantes porque son de alta energía, están cargados e interactúan con los electrones de la materia.
Los neutrones que golpean otros núcleos además del hidrógeno transferirán menos energía a la otra partícula si se produce el LET. Pero, para muchos núcleos golpeados por neutrones, se produce una dispersión inelástica. El hecho de que se produzca una dispersión elástica o inelástica depende de la velocidad del neutrón, ya sea rápida o térmica o intermedia. También depende del núcleo contra el que choca y de su sección transversal de neutrones.
En la dispersión inelástica, los neutrones son fácilmente absorbidos en un tipo de reacción nuclear llamada captura de neutrones y que se atribuye a la activación de neutrones del núcleo. Las interacciones de los neutrones con la mayoría de los tipos de materia de esta manera suelen producir núcleos radiactivos. El abundante núcleo de oxígeno-16, por ejemplo, se somete a la activación neutrónica, decae rápidamente por una emisión de protones formando nitrógeno-16, que decae a oxígeno-16. La desintegración del nitrógeno-16, de corta duración, emite un potente rayo beta. Este proceso puede escribirse como:
16O (n,p) 16N (captura rápida de neutrones posible con >11 MeV de neutrones)
16N → 16O + β- (Decaimiento t1/2 = 7.13 s)
Esta β- de alta energía interactúa además rápidamente con otros núcleos, emitiendo γ de alta energía a través de Bremsstrahlung
Aunque no es una reacción favorable, la reacción 16O (n,p) 16N es una fuente importante de rayos X emitidos por el agua de refrigeración de un reactor de agua a presión y contribuye enormemente a la radiación generada por un reactor nuclear refrigerado por agua mientras está en funcionamiento.
Para el mejor apantallamiento de los neutrones, se utilizan hidrocarburos que tienen abundancia de hidrógeno.
En los materiales fisibles, los neutrones secundarios pueden producir reacciones nucleares en cadena, provocando una mayor ionización de los productos hijos de la fisión.
Fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de 14 minutos, 42 segundos. Los neutrones libres decaen por emisión de un electrón y un antineutrino electrónico para convertirse en un protón, proceso conocido como desintegración beta:
En el diagrama adyacente, un neutrón colisiona con un protón del material objetivo, y luego se convierte en un protón de retroceso rápido que se ioniza a su vez. Al final de su trayectoria, el neutrón es capturado por un núcleo en una reacción (n,γ) que conduce a la emisión de un fotón de captura de neutrones. Tales fotones siempre tienen suficiente energía para ser calificados como radiación ionizante.