Radiación Nuclear y No Nuclear: Tipos, Estabilidad y Aplicaciones Médicas

Tipos de Radiación (Nuclear y No Nuclear)

La radiación puede ser de dos tipos principales: nuclear y no nuclear. Ambas se manifiestan como ondas electromagnéticas o partículas.

Ondas Electromagnéticas

Una onda electromagnética es una perturbación de un campo eléctrico y uno magnético que se propaga a la velocidad de la luz, caracterizada por su frecuencia y longitud de onda.

• Frecuencia alta (longitud de onda corta, alta energía): Rayos gamma (γ), Rayos X.
• Frecuencia baja (longitud de onda larga, baja energía): Ondas de radio, TV, 5G, microondas, infrarrojos, ultravioleta.

Del espectro electromagnético, solo los rayos gamma provienen de reacciones nucleares.

Las ondas electromagnéticas se componen de fotones sin masa.

Partículas Nucleares

Las partículas nucleares se originan en reacciones nucleares. Estas reacciones no afectan los enlaces atómicos, sino los núcleos, pudiendo cambiar la identidad de los átomos.

Estas partículas pueden ser:

• Electrones, positrones, neutrinos.
• Protones, neutrones, pequeños núcleos.

Poseen masa, pero viajan a velocidades menores que la de la luz.

Átomos e Isótopos

Las reacciones químicas involucran cambios en la corteza de electrones, formando y rompiendo enlaces. En contraste, las reacciones nucleares implican cambios en los núcleos atómicos, alterando el número atómico y/o másico, lo que puede cambiar la identidad del átomo.

Los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo comportamiento químico, pero sus núcleos reaccionan de manera diferente en reacciones nucleares. Son átomos con el mismo número atómico (Z, número de protones) pero diferente número de neutrones.

• Número másico: Suma de protones y neutrones.
• Número atómico: Número de protones.

Cada isótopo tiene un número diferente de neutrones. La masa utilizada en cálculos estequiométricos es la suma ponderada según sus abundancias.

Estabilidad Nuclear

La masa de los electrones es despreciable comparada con la del núcleo. Casi toda la masa de la materia se concentra en los núcleos.

La densidad del núcleo es extremadamente alta, con partículas (protones) que se repelen fuertemente confinadas en un espacio muy pequeño.

¿Cómo se Mantiene Estable el Núcleo?

Los neutrones ayudan a apantallar las repulsiones entre protones, pero la clave de la estabilidad nuclear reside en las fuerzas nucleares y la energía de unión nuclear.

Cuando las partículas subatómicas forman un núcleo, se libera energía. En la naturaleza, un sistema que libera energía se vuelve más estable. El núcleo formado siempre tiene menos masa que la suma de sus partículas separadas.

Fisión y Fusión Nuclear

• Fisión nuclear: Núcleos pesados se fisionan (se rompen) formando átomos de masa intermedia.
• Fusión nuclear: Núcleos ligeros se fusionan para formar núcleos más pesados. Acercar núcleos con carga positiva requiere condiciones extremas (ocurre en las estrellas). Gran rendimiento energético.

Los núcleos de masa intermedia son más estables que los núcleos muy ligeros o muy masivos.

Emisión Nuclear

Un núcleo pesado puede perder masa por:

• Fisión nuclear.
• Emisión de partículas del núcleo en forma de radiación alfa (α).

A medida que aumenta el número atómico (Z), los núcleos estables tienen un mayor número de neutrones que de protones.

• Emisión beta (β): Se emite una partícula beta (similar a un electrón, pero proveniente del núcleo) para compensar cargas. Energía cinética de partículas beta.
• Captura electrónica: Se captura una partícula beta. El mismo efecto tendría la emisión de positrones. Se convierte un protón en un neutrón.

Partículas Nucleares y su Interacción con la Materia

La capacidad de penetración de la radiación depende de su masa y carga:

• La radiación alfa se detiene fácilmente.
• La radiación beta penetra centímetros de tejido. Se detiene con metales ligeros como el aluminio.
• La radiación gamma requiere materiales densos como el plomo para ser detenida.

Relación penetración-energía:

• A mayor masa, más fácil es detener la partícula (α > p = n > β > γ).
• Las cargas eléctricas interactúan con los electrones del material, facilitando su detención (α > β = p > n = γ).

Protección sanitaria: Delantales y pantallas plomadas, detectores (debajo de la protección), distancia.

Efectos Químicos de la Radiación Nuclear

La radiación nuclear puede causar:

• Excitación: Aumento de la energía de la molécula (rotación, vibración, excitación de electrones).
• Ionización: Arranque de un electrón, produciendo especies radicalarias altamente reactivas (muy peligroso).

Radiaciones ionizantes:

• Del espectro electromagnético: Rayos X y rayos gamma.
• Partículas radiactivas cargadas.

Partículas cargadas: Atraen electrones y producen iones muy reactivos. Al perder energía, se vuelven más lentas y pasan más tiempo cerca de las moléculas, aumentando su capacidad ionizante.

Gamma: La radiación gamma es más ionizante en los primeros centímetros de tejido, luego pierde intensidad.

Alfa y beta: Presentan picos de ionización debido a la variación de su velocidad.

Efectos Específicos de las Partículas

• Partícula α (⁴₂α o ⁴₂He): Ioniza la piel (quemaduras superficiales). Más peligrosa al inhalarse o ingerirse. Ejemplo: Pu⁴⁺, similar al Fe³⁺, se adhiere a la hemoglobina.
• Partícula β: Efectos menos dañinos, pero mayor profundidad en el tejido muscular.
• Radiación gamma (γ): Menor energía y capacidad ionizante, que disminuye progresivamente. Alta capacidad de penetración; difícil protección.

Unidades de Medida

La actividad de una sustancia radiactiva se mide por el número de desintegraciones por segundo:

• 1 Becquerel (Bq) = 1 desintegración / segundo (Unidad del Sistema Internacional).

Los efectos en la salud dependen de:

1. La energía de la radiación emitida.
2. La dosis de energía recibida en relación con la masa total del organismo.
3. El efecto ionizador de la radiación (α > β). Se expresa en dosis equivalentes.
4. La sensibilidad de los tejidos:

• Tejidos altamente radiosensibles: Epitelio intestinal, órganos reproductivos, médula ósea, glándula tiroides.
• Tejidos medianamente radiosensibles: Tejido conectivo.
• Tejidos poco radiosensibles: Neuronas, hueso.

El daño es mayor cuando afecta al ADN que se replica con mayor frecuencia.

Sistemas de Detección en Entorno Médico

• Dosímetros de bolsillo y de extremidades: Controlan la radiación recibida durante el trabajo médico.
• Contadores.
• Dosímetros con forma de bolígrafo: Calibrados para detectar el equivalente de radiación recibida en Sv.
• Dosímetros de banda y de anillo: Con reactivos que cambian según la radiación recibida.

Aplicaciones Médicas de la Radiación

• Radiodiagnóstico: Aprovecha la facilidad de detección de la radiación.
• Radioterapia: Dirige el efecto dañino de la radiación para eliminar tumores.

Radiodiagnóstico

• Radionúclidos inhalados, ingeridos o inyectados.
• Isótopos con actividad principal como radiación gamma y que decaigan en horas.
• Ejemplo: Uso del ^99mTc. Se inyecta el ^99mTc, que emite radiación γ detectable.
• Dispensación en cápsulas protegidas.

Radioterapia

• Irradiación externa con fuentes como ⁶⁰Co.
• Irradiación desde el interior por administración de sustancias no radiactivas que reaccionan al bombardearlas con neutrones.
• Tomografía por Emisión de Positrones (PET): Emisión directa de fotones de radiación gamma. Al acercarse los positrones a un electrón, se autodestruyen, generando radiación gamma. Computerizado para generar imágenes 3D.
• Otros isótopos o sus formulaciones presentan afinidad por órganos o tejidos específicos.