Radiación ionizante (un sinónimo inexacto con un significado más amplio: radiación ): flujos de fotones y otras partículas elementales o núcleos atómicos capaces de ionizar la materia .
La radiación ionizante no incluye la luz visible y la radiación ultravioleta , que en algunos casos pueden ionizar una sustancia. La radiación infrarroja y la radiación de bandas de radio no son ionizantes, ya que su energía no es suficiente para ionizar átomos y moléculas en estado fundamental [1] [2] [3] [4] [5] .
Las pinturas que usaban uranio y otros materiales radiactivos se usaban mucho antes del comienzo de nuestra era, pero su radiación era tan pequeña que no se podía notar. El químico alemán Martin Heinrich Klaproth dio un gran paso en el descubrimiento de la radiactividad en 1789. Obtuvo una sustancia oscura desconocida del mineral de resina y la llamó Urano, aunque con el tiempo resultó que no era uranio puro, sino su óxido [6] [7] . En 1804, el químico Adolf Gehlen descubrió la fotosensibilidad de una solución de cloruro de uranilo en éter, este efecto le interesó, pero no pudo darle una explicación real, por lo que este descubrimiento luego pasó desapercibido en la comunidad científica [8] . La prueba de la radiación ionizante fue el descubrimiento en la década de 1860 de los rayos catódicos (flujos de electrones acelerados en un tubo de vacío por alto voltaje). Los rayos X fueron el siguiente tipo de radiación ionizante que se descubrió ( Wilhelm Roentgen , 1895). En 1896, Henri Becquerel descubrió otro tipo de radiación ionizante: rayos invisibles emitidos por el uranio, que atraviesan una sustancia densa y opaca e iluminan una emulsión fotográfica (en terminología moderna, radiación gamma) [9] [10] . Como resultado de un mayor estudio del fenómeno de la radiactividad, se descubrió ( Ernest Rutherford , 1899) que como resultado de la desintegración radiactiva, se emiten rayos alfa, beta y gamma, que difieren en una serie de propiedades, en particular, en carga eléctrica. Posteriormente, se descubrieron otros tipos de radiaciones ionizantes que se producen durante la desintegración radiactiva de los núcleos: positrones, electrones de conversión y Auger, neutrones, protones, fragmentos de fisión, cúmulos (núcleos ligeros emitidos durante la desintegración de los cúmulos ). Los rayos cósmicos fueron descubiertos en 1911-1912.
Los tipos más significativos de radiación ionizante son: [1] [2] [11] [12]
Fuentes naturales de radiación ionizante [11] [12] [13] :
Fuentes artificiales de radiación ionizante:
Muchos átomos estables se convierten en isótopos inestables por irradiación y la correspondiente reacción nuclear inducida. Como resultado de tal exposición, una sustancia estable se vuelve radiactiva y el tipo de radiación ionizante secundaria será diferente de la exposición inicial. Este efecto es más pronunciado después de la irradiación de neutrones.
En el proceso de desintegración o fusión nuclear se crean nuevos nucleidos, que también pueden ser inestables. El resultado es una cadena de transformaciones nucleares. Cada transformación tiene su propia probabilidad y su propio conjunto de radiaciones ionizantes. Como resultado, la intensidad y la naturaleza de la radiación de una fuente radiactiva pueden variar significativamente con el tiempo.
Históricamente, los primeros sensores de radiación ionizante fueron materiales químicos fotosensibles utilizados en fotografía . La radiación ionizante iluminó una placa fotográfica colocada en un sobre opaco. Sin embargo, fueron rápidamente abandonados debido a la duración y el costo del proceso, la complejidad del desarrollo y el bajo contenido de información.
Como sensores de radiación ionizante en la vida cotidiana y en la industria, los dosímetros basados en contadores Geiger son los más utilizados . Un contador Geiger es un dispositivo de descarga de gas en el que la ionización de un gas por radiación se convierte en corriente eléctrica entre electrodos. Como regla general, tales dispositivos registran correctamente solo la radiación gamma. Algunos dispositivos están equipados con un filtro especial que convierte la radiación beta en rayos gamma debido a la bremsstrahlung. Los contadores Geiger seleccionan mal la radiación en términos de energía, para esto usan un tipo diferente de contador de descarga de gas, el llamado. contador proporcional .
Hay sensores semiconductores para la radiación ionizante . El principio de su funcionamiento es similar al de los dispositivos de descarga de gas, con la diferencia de que el volumen del semiconductor entre dos electrodos está ionizado. En el caso más simple, este es un diodo semiconductor con polarización inversa . Para lograr la máxima sensibilidad, estos detectores tienen un tamaño considerable. [catorce]
Los centelleadores han sido ampliamente utilizados en la ciencia . Estos dispositivos convierten la energía de la radiación en luz visible al absorber la radiación en una sustancia especial. El destello de luz es registrado por un tubo fotomultiplicador . Los centelleadores separan bien la radiación por energía.
Para estudiar los flujos de partículas elementales, se utilizan muchos otros métodos para explorar más a fondo sus propiedades, por ejemplo, una cámara de burbujas, una cámara de niebla .
La eficiencia de la interacción de las radiaciones ionizantes con la materia depende del tipo de radiación, la energía de las partículas y la sección transversal de la interacción de la sustancia irradiada. Indicadores importantes de la interacción de la radiación ionizante con la materia:
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de dosis absorbida es el gris (designación rusa: Gy, internacional: Gy), numéricamente igual a la energía absorbida de 1 J por 1 kg de masa de una sustancia. A veces hay una unidad obsoleta no sistémica rad (designación rusa: rad; internacional: rad): una dosis correspondiente a la energía absorbida de 100 erg por 1 gramo de una sustancia. 1 rad = 0,01 Gy . La dosis absorbida no debe confundirse con la dosis equivalente .
El concepto obsoleto de exposición a la dosis de radiación también se usa ampliamente : un valor que muestra qué carga crea radiación de fotones (gamma o rayos X) por unidad de volumen de aire . Para hacer esto, generalmente usan una unidad fuera del sistema de dosis de exposición roentgen (designación rusa: R; internacional: R): la dosis de radiación de fotones que forma iones con una carga de 1 unidad. Carga CGSE ((1/3)⋅10 −9 culombio ) en 1 cm³ de aire. El sistema SI utiliza la unidad culombio por kilogramo (designación rusa: C/kg; internacional: C/kg): 1 C/kg = 3876 R; 1 r = 2,57976⋅10 −4 C/kg [15] .
La actividad de una fuente radiactiva de radiación ionizante se define como el número medio de desintegraciones nucleares por unidad de tiempo. La unidad SI correspondiente es el becquerel (designación rusa: Bq; internacional: Bq) denota el número de desintegraciones por segundo. También se utiliza la unidad no sistémica de curie (designación rusa: Ki; internacional: Ci). 1 Ki \u003d 3.7⋅10 10 Bq . La definición original de esta unidad correspondía a la actividad de 1 g de radio-226 .
La radiación ionizante corpuscular también se caracteriza por la energía cinética de las partículas. Para medir este parámetro, la unidad no sistémica más común es el electrón voltio (designación rusa: eV, internacional: eV). Por regla general, una fuente radiactiva genera partículas con un cierto espectro de energía. Los sensores de radiación también tienen una sensibilidad no uniforme a la energía de las partículas.
De acuerdo con el mecanismo de interacción con la materia, se distinguen corrientes directas de partículas cargadas e indirectamente radiación ionizante (corrientes de partículas elementales neutras: fotones y neutrones). Según el mecanismo de formación: radiación ionizante primaria (nacida en la fuente) y secundaria (formada como resultado de la interacción de otro tipo de radiación con la materia).
La energía de las partículas de radiación ionizante varía desde varios cientos de electronvoltios (rayos X, radiación beta de algunos radionúclidos) hasta 10 15 -10 20 electronvoltios y más (protones de radiación cósmica para los que no se ha encontrado un límite superior de energía).
La longitud del camino y el poder de penetración varían mucho, desde micrómetros en un medio condensado (radiación alfa de radionúclidos, fragmentos de fisión) hasta muchos kilómetros ( muones de rayos cósmicos de alta energía ).
La exposición prolongada a la radiación corpuscular o a la radiación de fotones de energía ultra alta puede cambiar significativamente las propiedades de los materiales estructurales. La disciplina de ingeniería de la ciencia de materiales de radiación se ocupa del estudio de estos cambios . La rama de la física que estudia el comportamiento de los sólidos bajo irradiación se llama física de radiación del estado sólido . [16] Los tipos más significativos de daño por radiación son:
La contabilidad del daño por radiación a las estructuras de ingeniería es más relevante para los reactores nucleares y la electrónica de semiconductores diseñados para operar en condiciones de radiación.
Las modernas tecnologías de semiconductores son sensibles a la radiación ionizante [17] [18] [19] [20] . Sin embargo, son ampliamente utilizados en tecnología militar y espacial, y en la industria nuclear. En este caso, se utilizan una serie de soluciones tecnológicas, de circuitos y de software que reducen las consecuencias de la exposición a la radiación.
Los principales tipos de daños por radiación que conducen a fallas únicas o irreversibles de los dispositivos semiconductores:
Las radiaciones ionizantes pueden provocar transformaciones químicas de la materia. Tales transformaciones son estudiadas por la química de radiación . Bajo la acción de la radiación ionizante, tales transformaciones pueden ocurrir, por ejemplo [21] :
Los diferentes tipos de radiación ionizante tienen diferentes efectos destructivos y diferentes formas de influir en los tejidos biológicos. En consecuencia, la misma dosis absorbida corresponde a diferente eficiencia biológica de la radiación. Por lo tanto, para describir los efectos de la radiación sobre los organismos vivos, se introduce el concepto de eficacia biológica relativa de la radiación . Para partículas cargadas, la eficiencia biológica está directamente relacionada con la transferencia de energía lineal de un tipo dado de partículas (pérdida de energía promedio por una partícula por unidad de longitud de trayectoria de una partícula en el tejido).
Para tener en cuenta el efecto biológico de la dosis absorbida, se introdujo una dosis equivalente de radiación ionizante, numéricamente igual al producto de la dosis absorbida y el factor de ponderación de la radiación . Para rayos X, radiación gamma y beta, el coeficiente se toma como 1. Para radiación alfa y fragmentos nucleares, el coeficiente es 20. Neutrones - 5 ... 20, dependiendo de la energía. En el sistema SI, la dosis efectiva y equivalente se miden en sieverts (designación rusa: Sv ; internacional: Sv ).
Anteriormente, la unidad de dosis equivalente rem se usaba ampliamente (del equivalente biológico de los rayos X para la radiación gamma; designación rusa: rem ; internacional: rem ). Inicialmente, la unidad se definió como una dosis de radiación ionizante que produce el mismo efecto biológico que la dosis de rayos X o radiación gamma, igual a 1 R. Tras la adopción del sistema SI, el rem comenzó a entenderse como una unidad igual a 0,01 J/kg . 1 rem = 0,01 Sv = 100 ergios /g [23] .
Además de la eficiencia biológica, es necesario tener en cuenta el poder de penetración de la radiación. Por ejemplo, los núcleos pesados de átomos y partículas alfa tienen un recorrido extremadamente corto en cualquier sustancia densa, por lo que las fuentes alfa radiactivas no son peligrosas cuando se exponen a la radiación externa, sino solo cuando ingresan al cuerpo. Por el contrario, la radiación gamma tiene un poder de penetración significativo.
Algunos isótopos radiactivos son capaces de integrarse en el proceso metabólico de un organismo vivo, reemplazando a los elementos estables. Esto conduce a la retención y acumulación de material radiactivo directamente en los tejidos vivos, lo que aumenta significativamente el riesgo de contacto. Por ejemplo, son ampliamente conocidos el yodo-131 , los isótopos de estroncio , plutonio , etc .. Para caracterizar este fenómeno, se utiliza el concepto de la vida media de un isótopo del cuerpo.
La acción directa de la radiación ionizante es un impacto directo de partículas ionizantes en las estructuras moleculares biológicas de las células y en los medios líquidos (acuosos) del cuerpo.
Acción indirecta o indirecta : la acción de los radicales libres resultantes de la ionización creada por la radiación en los medios líquidos del cuerpo y las células. Los radicales libres dañan la integridad de las cadenas de macromoléculas ( proteínas y ácidos nucleicos ), lo que puede conducir tanto a la muerte celular masiva como a la carcinogénesis y mutagénesis . Las más susceptibles a la radiación ionizante son las células en división activa (epiteliales, madre y embrionarias).
Tras la acción de las radiaciones sobre el organismo, dependiendo de la dosis, pueden producirse efectos radiobiológicos deterministas y estocásticos . Por ejemplo, el umbral para el inicio de los síntomas de la enfermedad por radiación aguda en humanos es de 1 a 2 Sv para todo el cuerpo.
A diferencia de los deterministas, los efectos estocásticos no tienen un umbral de dosis claro de manifestación. Con un aumento en la dosis de radiación, solo aumenta la frecuencia de manifestación de estos efectos. Pueden aparecer muchos años después de la irradiación ( neoplasias malignas ) y en generaciones posteriores ( mutaciones ) [25] .
La principal fuente de información sobre los efectos estocásticos de la exposición a la radiación ionizante son los datos de las observaciones de la salud de las personas que sobrevivieron a los bombardeos atómicos oa los accidentes por radiación . Los especialistas observaron a 87.500 sobrevivientes de los bombardeos atómicos. Su dosis de exposición promedio fue de 240 milisieverts . Al mismo tiempo, el crecimiento de las enfermedades oncológicas en los años posteriores ascendió al 9%. A dosis inferiores a 100 milisieverts , nadie en el mundo ha establecido diferencias entre la incidencia esperada y la observada en la realidad. [26]
El racionamiento se lleva a cabo de acuerdo con las normas y reglamentos sanitarios SanPin 2.6.1.2523-09 " Estándares de seguridad radiológica (NRB-99/2009) ". Se establecen límites de dosis de la dosis efectiva para las siguientes categorías de personas:
Los principales límites de dosis y niveles de exposición permisibles para el personal del grupo B son iguales a la cuarta parte de los valores para el personal del grupo A.
La dosis efectiva para el personal no debe exceder los 1000 mSv para el período de actividad laboral ( 50 años ) , y los 70 mSv para la población en general para toda la vida . El aumento planificado de la exposición solo está permitido para hombres mayores de 30 años con su consentimiento voluntario por escrito después de haber sido informados sobre las posibles dosis de exposición y los riesgos para la salud.
La radiación ionizante se utiliza en diversas industrias:
La señal convencional internacional de riesgo de radiación (“trébol”, “abanico”) tiene la forma de tres sectores de 60° de ancho, espaciados 120° entre sí, con un pequeño círculo en el centro. Está realizado en negro sobre fondo amarillo.
En la tabla de caracteres Unicode , hay un símbolo de peligro de radiación - ☢ (U+0x2622).
En 2007, se adoptó una nueva señal de peligro de radiación, en la que el "trébol" se complementó con los signos "mortal" (" calavera y tibias cruzadas ") y "¡vete!" (silueta de un hombre corriendo y una flecha apuntando). El nuevo signo pretende ser más comprensible para aquellos que no están familiarizados con el significado del tradicional "trébol".
Algunos científicos están tratando de desarrollar un sistema de advertencias a largo plazo sobre los desechos nucleares que la gente entendería miles de años después [33] .
El fondo de radiación ionizante (o radiación de fondo) es la radiación total de fuentes naturales y artificiales [34] [35] .
En Rusia, el servicio federal Roshydromet y la corporación estatal Rosatom [36] llevan a cabo el control de la radiación del medio ambiente . A nivel internacional, el Comité Científico sobre los Efectos de la Radiación Atómica (SCEAR) de las Naciones Unidas se dedica a recopilar información y evaluar el impacto de la radiación radiactiva en los seres humanos y el medio ambiente .
Los componentes principales del fondo de radiación natural (natural) son los rayos cósmicos y la radiación de los radionucleidos de origen terrestre, ubicuos en la corteza terrestre [37] .
Según los datos de UNSCEAR, la tasa de dosis efectiva promedio mundial de los rayos cósmicos (incluida la radiación de neutrones secundarios) en la superficie de la tierra fuera de los refugios es de 0,036 µSv/h [38] . Con un aumento de la altitud sobre el nivel del mar, este valor cambia significativamente y en la zona de vuelo de la aviación civil ( 9–12 km ) puede ser de 5–8 μSv/h . En base a esto, la dosis efectiva por la acción de los rayos cósmicos durante un vuelo transatlántico desde Europa a América del Norte alcanza los 30-45 μSv [39] . Además, la tasa de dosis de la radiación considerada depende de la latitud geomagnética y del estado del ciclo de actividad solar de 11 años . La contribución de cada uno de los dos factores a la tasa de dosis de radiación es de alrededor del 10 % [40] .
El segundo componente importante del fondo de radiación natural es la radiación γ de los radionucleidos de origen terrestre como 40 K y los productos de desintegración del uranio-238 y el torio-232 ( 226 Th , 228 Ac , 214 Pb , 214 Bi ) [41] [ 42] . La tasa de dosis efectiva promedio por exposición externa a estos radionúclidos, según la región, está en el rango de 0,030 a 0,068 µSv/h [43] . Como excepciones, hay regiones en el mundo con un fondo de radiación natural aumentado debido a la presencia de arena de monacita con un alto contenido de torio (las ciudades de Guarapari en Brasil, Yangjiang en China, los estados de Kerala y Madrás en India, el Delta del Nilo en Egipto), suelos volcánicos (el estado de Minas-Gerais en Brasil, la isla de Niue en el Océano Pacífico) o la presencia de radio-226 en agua dulce ( Ciudad Ramsar en Irán) [44] .
Según los datos de Roshydromet [45] , en la Federación Rusa, la tasa de dosis de exposición de la radiación γ (ERD) [Nota 1] se encuentra principalmente dentro de los límites de las fluctuaciones en la radiación de fondo natural ( 9–16 μR/h ) .
El exceso de valores de DER se registró en los territorios contaminados tras el accidente de Chernobyl en las regiones de Bryansk, Kaluga, Kursk, Oriol y Tula en el rango de 19-25 μR/h . En la zona de 100 km de empresas radioquímicas y plantas de energía nuclear , se observan aumentos a corto plazo en DER de hasta 20 μR/h , sin embargo, los valores promedio anuales están dentro de las fluctuaciones de fondo: 9–14 μR/h .
La dosis efectiva anual promedio que recibe una persona y debido a factores naturales es de 2400 μSv , esta cifra, además de la exposición externa de las fuentes discutidas anteriormente, incluye la exposición interna de los radionucleidos que ingresan al cuerpo humano con el aire, los alimentos y el agua (total 1500 µSv ) [52] . Recientemente, la exposición provocada por el hombre en los países desarrollados se ha acercado a la contribución de fuentes naturales. Al mismo tiempo, la dosis de la investigación médica y la terapia que utilizan fuentes de radiación ionizante es el 95% de la exposición total a la radiación antropogénica de los seres humanos [53] .
diccionarios y enciclopedias | ||||
---|---|---|---|---|
|