Conceptos Fundamentales de la Radiación

• Materia: Todo aquello que posee masa.

• Radiación: Es la interacción entre la energía y la masa.

• Radiactividad: Es la emisión espontánea de energía desde núcleos inestables que tienden a alcanzar estados estables. Esta energía se libera en forma de partículas (alfa, beta) o radiación electromagnética (gamma). La curva de estabilidad muestra qué configuraciones nucleares son estables. Un núcleo fuera de esa curva se desintegra hasta alcanzar una configuración estable, liberando energía.

• Procesos Radiactivos: Transición de un estado energético inicial de un núcleo a otro de menor energía, por lo que son espontáneos y liberan energía.

• Mecanismos de Desintegración: Proceso físico por el cual se produce la desintegración espontánea de un núcleo, acompañada de la emisión de radiación en forma de partículas o rayos γ. Se genera un núcleo hijo a partir de un núcleo padre.

Desintegraciones Radiactivas

Los principales tipos de desintegraciones radiactivas son:

• Alfa (α)

  Emisión de un núcleo de helio (2 protones, 2 neutrones). Disminuye el número atómico en 2 y el número másico en 4. Es muy ionizante pero poco penetrante (energía ≈ 5 MeV). Típica en radionucleidos pesados como el ²⁴¹Am o ²³⁵U. Puede acompañarse de emisión gamma si el núcleo hijo queda en un estado excitado.

• Beta Negativa (β⁻)

  Se produce por un exceso de neutrones, donde un neutrón se convierte en protón, emitiendo un electrón y un antineutrino. Ej.: ⁴⁰K → ⁴⁰Ca. La energía liberada oscila entre 0,1 y 3 MeV.

• Beta Positiva (β⁺)

  Se produce por un exceso de protones, donde un protón se convierte en neutrón, emitiendo un positrón y un neutrino. Ej.: ²²Na → ²²Ne.

• Captura Electrónica

  Un electrón de la capa K es absorbido por el núcleo, convirtiendo un protón en neutrón y emitiendo un neutrino. Este proceso provoca vacantes electrónicas que originan rayos X característicos o electrones Auger. Ej.: ⁵⁵Fe → ⁵⁵Mn.

• Fisión Espontánea

  Típica en núcleos muy masivos como el ²⁵²Cf. El núcleo se divide en dos más ligeros, liberando varios neutrones (aproximadamente 3,8 por evento).

Relajación Nuclear

Procesos por los cuales un núcleo excitado libera energía sin cambiar su identidad elemental:

• Rayos Gamma (γ)

  Se emiten cuando un núcleo en estado excitado transita a otro de menor energía. No hay cambio en el número atómico (Z) ni en el número másico (A). Generan espectros discretos, específicos de cada radionucleido.

• Transición Isomérica

  Ocurre cuando el núcleo queda en un estado metaestable (isómero), como en el caso de ⁹⁹Mo → ⁹⁹ᵐTc → ⁹⁹Tc, siendo el ⁹⁹ᵐTc muy utilizado en medicina nuclear.

• Conversión Interna

  El núcleo transfiere su energía a un electrón del átomo, el cual es emitido. La vacante resultante genera rayos X característicos.

• Creación de Pares

  Si la energía gamma supera 1,022 MeV, puede generar un par electrón-positrón (proceso poco probable).

Esquemas de Desintegración

Representan visualmente los procesos de decaimiento de un radionucleido. El eje vertical indica la energía; el horizontal, el número atómico. Se representan el núcleo padre e hijo, los mecanismos de desintegración, la probabilidad de cada transición y los niveles energéticos del núcleo hijo.

Espectros de Desintegración

Muestran cómo se distribuye la energía de las partículas emitidas. El espectro depende del tipo de radiación:

• Alfa: Energía constante y bien definida, resultando en un espectro discreto.

• Beta: Energía compartida con el neutrino, lo que genera un espectro continuo.

• Gamma: Niveles bien definidos según la transición nuclear, produciendo un espectro discreto.

La energía liberada en cada decaimiento se reparte entre las partículas emitidas y el núcleo hijo, siendo la mayor parte absorbida por las primeras debido a la gran diferencia de masas.

Interacción de la Radiación con la Materia

Interacción de Partículas Cargadas con la Materia

Al atravesar un medio, las partículas cargadas pierden energía por colisiones con los átomos del material, principalmente mediante la colisión coulombiana. Esta pérdida se produce de forma continua hasta que la partícula se detiene.

• Excitación

  La partícula transfiere energía a un electrón, llevándolo a un nivel energético superior. Al desexcitarse, los átomos emiten rayos X característicos.

• Ionización

  Si la energía es suficiente para superar la energía de enlace, se desprende un electrón (ionización primaria), dejando iones positivos y electrones libres. Estos electrones pueden producir nuevas ionizaciones (ionización secundaria). La energía media para producir un par ion-electrón es característica del medio (W ≈ 30 eV para gases, 3 eV para sólidos).

• Bremsstrahlung

  También conocida como radiación de frenado, ocurre cuando una partícula cargada sufre aceleración o desviación debido a campos eléctricos, emitiendo radiación electromagnética. Este efecto es más relevante en materiales con número atómico elevado.

Interacción de Fotones con la Materia

Los fotones (rayos X y γ) interactúan mediante procesos de choque directo. Los principales mecanismos son:

• Efecto Fotoeléctrico

  El fotón desaparece al ser absorbido por un electrón, el cual es expulsado del átomo. Predomina a bajas energías y depende fuertemente del número atómico (Z) del material.

• Dispersión Compton

  El fotón colisiona con un electrón libre, pierde parte de su energía y se desvía. Este proceso es más común a energías intermedias. La energía transferida depende del ángulo de dispersión. Su probabilidad disminuye con el aumento de la energía del fotón.

• Creación de Pares

  Ocurre si la energía del fotón excede 1,022 MeV. El fotón se transforma en un par electrón-positrón en presencia de un núcleo. La probabilidad de este proceso aumenta con el número atómico (Z) y es común a altas energías (hasta 10 MeV).

Interacción de Neutrones con la Materia

Los neutrones, al no tener carga eléctrica, no ionizan directamente ni emiten radiación de frenado (Bremsstrahlung). Su interacción se produce con los núcleos atómicos, generando reacciones nucleares de absorción o dispersión.

En la absorción, un neutrón puede transformar el núcleo en un radionucleido que emite partículas alfa, beta o fotones. La captura neutrónica puede liberar rayos gamma o inducir reacciones nucleares como la fisión.

En la dispersión, los neutrones transfieren energía a núcleos ligeros (como el hidrógeno en el agua), generando protones de retroceso que sí ionizan.

Los neutrones son peligrosos por su capacidad de penetrar tejidos biológicos y generar partículas secundarias altamente ionizantes. La sección eficaz de interacción depende de la energía del neutrón y del tipo de núcleo objetivo.

Resumen de Atenuación de la Radiación

• Los fotones γ requieren materiales con alto número atómico (Z) y alta densidad para ser atenuados eficazmente.

• Las partículas β generan radiación de frenado (Bremsstrahlung), por lo que se utilizan materiales con bajo número atómico (Z) y alta densidad (como plástico o aluminio) para su blindaje.

• Las partículas α se detienen fácilmente debido a su baja penetración.

• Los neutrones rápidos deben frenarse con materiales ricos en hidrógeno (como agua o parafina), seguidos por absorbentes como el boro o el cadmio.

Blindaje contra Neutrones

Blindar neutrones es complejo, ya que no pierden energía en una sola interacción. Se requieren múltiples capas:

• Capa moderadora (ej. parafina) para frenar neutrones rápidos.

• Capa absorbente (ej. boro, cadmio) para capturar neutrones térmicos.

• Capa de plomo para atenuar la radiación secundaria (γ).

En una central nuclear, los blindajes típicos incluyen: Vaina del combustible (Zircaloy). Barrera interna (agua). Contención externa (hormigón, acero, boro, tetraborato sódico).

Unidades de Dosimetría de la Radiación

• Energía Impartida

  La energía transferida por la radiación ionizante a la materia.

• Exposición

  Solo válida para partículas γ. Se define como el valor absoluto de la carga total producida por ionización en una unidad de masa de aire.

• Kerma (K)

  Es la suma de las energías cinéticas iniciales de todas las partículas ionizantes cargadas, liberadas por partículas ionizantes sin carga, en una masa dm.

• Dosis Absorbida (D)

  Valor medio de la energía impartida por unidad de masa.

• Dosis Equivalente (H)

  La dosis equivalente es la dosis absorbida promediada para un tejido u órgano (no en un punto específico), y ponderada respecto a la cualidad de la radiación (factor de ponderación de la radiación, W_R, que considera el tipo de partícula y su energía). Es una magnitud utilizada en seguridad radiológica, de manera que su empleo no es adecuado para medir grandes dosis absorbidas suministradas en un periodo de tiempo relativamente corto.

• Efectividad Biológica Relativa (EBR)

  Relación entre los efectos biológicos provocados por una dosis absorbida de una radiación específica y los efectos de la misma dosis producida por los rayos X, tomados como referencia.

• Dosis Equivalente Colectiva

  Es la dosis equivalente a la que ha sido sometido un cierto grupo de personas. Se mide en sievert por persona (Sv·persona).

• Dosis Efectiva (E)

  Es la suma de las dosis equivalentes ponderadas, es decir, corregida proporcionalmente en función de todos los tejidos y órganos del cuerpo afectados, utilizando los denominados factores de ponderación de los tejidos (W_T).

• Dosis Comprometida

  Es la dosis efectiva que recibirá una persona durante los próximos 50 años (70 años en el caso de los niños) como consecuencia de la cantidad de material radiactivo que ha incorporado a su organismo.

• Dosis Colectiva Comprometida

  Dosis comprometida que recibirá un cierto grupo de personas durante los próximos 50 años. Se mide en sievert por persona (Sv·persona).

Efectos Biológicos de la Radiación

Efectos Deterministas

Se caracterizan por tener una relación de causalidad directa entre la dosis y el efecto. Únicamente se manifiestan cuando la dosis alcanza o supera un determinado valor (llamado nivel umbral). Su gravedad depende de la dosis recibida. Incluyen fases como la prodrómica, latente, de enfermedad manifiesta, y pueden llevar a la recuperación o la muerte.

Efectos Probabilistas

Son aquellos cuya probabilidad de incidencia guarda relación con la dosis, es decir, se caracterizan por una relación dosis-efecto de naturaleza probabilística. Carecen de dosis umbral y la gravedad de sus efectos no depende de la dosis recibida. Incluyen una fase latente y la posible aparición de cáncer, sin que la aparición anterior de cáncer sea nula.