La radiación es un fenómeno que nos rodea constantemente, aunque no seamos conscientes de ello. Algunas formas de radiación son visibles, como la luz, y otras son invisibles, como las ondas de radio. Pero no todas las radiaciones son iguales: algunas tienen la capacidad de modificar la estructura de la materia y provocar cambios en los seres vivos. Estas son las llamadas radiaciones ionizantes.

Las radiaciones ionizantes son aquellas que tienen suficiente energía para arrancar electrones de los átomos y moléculas con los que interactúan, creando iones. Estos iones pueden alterar las propiedades químicas y físicas de la materia, así como los procesos biológicos de las células. Por eso, las radiaciones ionizantes tienen múltiples aplicaciones en campos como la medicina, la industria, la agricultura o la investigación científica. Pero también tienen riesgos asociados, como la generación de radicales libres, el daño al ADN o la inducción de cáncer.

En este post, vamos a explorar los conceptos básicos de las radiaciones ionizantes, sus fuentes, sus tipos y sus unidades de medida. También vamos a conocer algunas de sus aplicaciones más importantes y fascinantes, como la datación con el carbono-14, la producción y el uso de los rayos X. Te animo a que sigas leyendo este post.

¿Qué son las radiaciones ionizantes y cómo se producen?

Es aquella radiación que tiene suficiente energía como para arrancar electrones de los átomos o moléculas con las que interacciona, produciendo iones. La radiación ionizante puede causar efectos biológicos en los seres vivos, por lo que se debe controlar su exposición.

Fuentes naturales y artificiales de radiación ionizante

Como ya aclaramos en el articulo anterior, existen fuentes naturales y artificiales de radiación ionizante.

• Las fuentes naturales incluyen la radiactividad de los elementos presentes en la corteza terrestre, el espacio exterior o el propio cuerpo humano.
• Las fuentes artificiales son aquellas creadas por el ser humano, como las centrales nucleares, los reactores, los aceleradores de partículas o las aplicaciones médicas e industriales.

Tipos de radiaciones ionizantes: alfa, beta, gamma y neutrones

Si atendemos a la naturaleza y la energía de las partículas o fotones que la componen, se pueden distinguir cuatro tipos de radiación ionizante: alfa, beta, gamma y neutrones.

• La radiación alfa está formada por núcleos de helio.
• La beta por electrones o positrones.
• La gamma por fotones de alta energía
• La de neutrones por neutrones libres.

Cada tipo de radiación tiene un poder de penetración y una capacidad de ionización diferentes.

Unidades de medida de la radiación ionizante: becquerel, gray, sievert y curie

Si queremos cuantificar la radiación ionizante se utilizan distintas unidades de medida, según el aspecto que se quiera medir.

• El becquerel (Bq) mide la actividad de una fuente radiactiva, es decir, el número de desintegraciones por segundo que emite.
• El gray (Gy) mide la dosis absorbida por la materia, es decir, la energía que deposita la radiación por unidad de masa.
• El sievert (Sv) mide la dosis equivalente o efectiva, es decir, el efecto biológico que produce la radiación en un órgano o tejido.
• El curie (Ci) es una unidad antigua que equivale a 3,7 x 10¹⁰ Bq.

Explicación del fenómeno de la desintegración radiactiva y la vida media

La desintegración radiactiva es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable se transforma en otro más estable, emitiendo radiación ionizante. Este proceso es aleatorio e impredecible, pero se puede medir la velocidad a la que ocurre.

La vida media es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los átomos de una muestra radiactiva. Cada isótopo radiactivo tiene una vida media diferente, que es una característica propia e invariable. Por ejemplo, la vida media del carbono-14 es de unos 5730 años, cuanto más tiempo, más radioactivo.

El ciclo del carbono y la proporción entre el carbono-14 y el carbono-12 en los seres vivos

El carbono es un elemento esencial para la vida, ya que forma parte de las moléculas orgánicas. Se encuentra en la atmósfera, en los océanos, en los suelos y en los seres vivos, y se intercambia entre estos reservorios mediante el ciclo del carbono.

Por otro lado, esta molecula tiene varios isótopos, que son átomos con el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El más abundante es el carbono-12, que es estable, y el más importante para la datación es el carbono-14, que es radiactivo.

El carbono-14 se forma en la atmósfera por el bombardeo de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno y se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono, que es absorbido por las plantas mediante la fotosíntesis. Los animales incorporan el carbono-14 al alimentarse de las plantas o de otros animales. De esta forma, la proporción entre el carbono-14 y el carbono-12 en los seres vivos es aproximadamente la misma que en la atmósfera.

El método de datación por carbono-14: principios, ventajas y limitaciones

El método de datación por carbono-14 se basa en el hecho de que, cuando un ser vivo muere, deja de intercambiar carbono con el ambiente y, por tanto, la cantidad de carbono-14 en su organismo empieza a disminuir por la desintegración radiactiva. Midiendo la proporción entre el carbono-14 y el carbono-12 en una muestra orgánica, se puede estimar el tiempo transcurrido desde su muerte.

Principales ventajas del metodo de datación por carbono-14

Una de sus principales ventajas es su aplicabilidad a una gran variedad de materiales orgánicos (huesos, madera, tejidos, etc.), su precisión (con un margen de error de unos 50 años) y su relevancia histórica (al abarcar un rango de unos 50000 años).

Limitaciones del metodo de datación del carbono-14

Una de las principales limitaciones del uso del carbono-14 para la datación es su dependencia de la concentración de carbono-14 en la atmósfera, que no ha sido constante a lo largo del tiempo y puede verse alterada por factores como el clima, la actividad volcánica o las pruebas nucleares.

Además, el método de datación por carbono-14 no es válido para muestras muy antiguas o muy recientes, ya que la cantidad de carbono-14 es demasiado baja o demasiado alta para ser detectada.

Ejemplos de aplicaciones del carbono-14 en la arqueología, la paleontología y la historia

El carbono-14 ha sido utilizado para datar numerosos hallazgos arqueológicos y paleontológicos que han aportado información valiosa sobre el pasado de la humanidad y de la vida en la Tierra. Algunos ejemplos son:

• La momia de Ötzi, el hombre de hielo, que fue encontrada en los Alpes en 1991 y se dató en unos 5300 años de antigüedad, lo que la convierte en la momia humana natural más antigua de Europa.
• El Sudario de Turín, que es una tela que supuestamente envolvió el cuerpo de Jesucristo tras su crucifixión, y que se dató en el siglo XIV, lo que contradice la hipótesis de su autenticidad.
• Los fósiles de Lucy, que son los restos de una hembra de Australopithecus afarensis, una especie de homínido extinto, que se dataron en unos 3,2 millones de años de antigüedad, lo que la convierte en uno de los ancestros más antiguos del género humano.
• Los manuscritos del Mar Muerto, que son una colección de textos religiosos y seculares escritos en hebreo, arameo y griego, que se dataron entre el siglo III a.C. y el siglo I d.C., lo que los convierte en los testimonios más antiguos de la Biblia hebrea y de la historia de Israel.

Radiaciones ionizantes: ¿qué son los rayos X y cómo nos ayudan a ver el interior de nuestro cuerpo?

Seguro que alguna vez has visto una radiografía de tu brazo, tu pecho o tu boca, y te has preguntado cómo es posible que una máquina pueda captar lo que hay dentro de ti. La respuesta está en los rayos X, una forma de radiación que tiene la capacidad de atravesar los objetos opacos y crear imágenes de sus estructuras internas. Los rayos X se utilizan mucho en la medicina, especialmente en la radiología, para diagnosticar y tratar diversas enfermedades. Pero, ¿cómo se producen los rayos X y cómo funcionan?

Radiaciones ionizantes: El origen de los rayos X

Los rayos X fueron descubiertos por casualidad en 1895 por el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen, quien estaba experimentando con un tubo de rayos catódicos. Röntgen observó que una pantalla recubierta de platinocianuro de bario emitía una luz fluorescente al ser expuesta al tubo. Röntgen se dio cuenta de que se trataba de una nueva forma de radiación, que podía atravesar objetos opacos y dejar una imagen de sus estructuras internas en una placa fotográfica. Por ejemplo, tomó la primera radiografía de la mano de su esposa, donde se podían ver los huesos y el anillo que llevaba. Röntgen llamó a esta nueva radiación rayos X, porque desconocía su naturaleza. Röntgen recibió el primer premio Nobel de Física en 1901 por su descubrimiento.

La producción de los rayos X

Los rayos X se producen cuando los electrones acelerados chocan con una placa de metal. El dispositivo que genera los rayos X se llama tubo de rayos X, y consta de un cátodo, que es un filamento metálico que al calentarse emite electrones, y un ánodo, que es una placa metálica que recibe el impacto de los electrones.

El tubo está rodeado de una carcasa de vidrio donde se ha hecho el vacío, para evitar la interferencia de las moléculas de aire. El tubo tiene una ventana por donde salen los rayos X hacia el exterior. Cuando se aplica una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, los electrones son acelerados hacia el ánodo, donde chocan con los átomos del metal. Al frenarse, los electrones liberan su energía cinética en forma de rayos X. Los rayos X tienen una longitud de onda muy corta, lo que les permite tener una alta energía y un gran poder de penetración.

La interacción de los rayos X con la materia

Los rayos X tienen la propiedad de ionizar los átomos y moléculas con los que interactúan, produciendo efectos biológicos. También tienen la propiedad de variar su intensidad según la densidad de los materiales que atraviesan, lo que permite obtener imágenes de contraste.

El principal fenómeno que explica la interacción de los rayos X con la materia es el efecto fotoeléctrico, que consiste en que un fotón de rayos X puede arrancar un electrón de un átomo al que incide, si su energía es mayor que la energía de enlace del electrón.

El átomo queda ionizado y el fotón desaparece. El electrón expulsado se denomina fotoelectrón y puede ionizar otros átomos a su paso. El efecto fotoeléctrico es el principal responsable de la absorción de los rayos X por la materia, y también de la formación de la imagen radiográfica.

El efecto fotoeléctrico es más probable que ocurra cuando la energía del fotón es similar a la energía de enlace del electrón, y cuando el número atómico del material es alto. Por eso, los rayos X se atenúan más en los tejidos densos como el hueso que en los tejidos blandos como el músculo.

Las técnicas de imagen médica basadas en los rayos X

Los rayos X se utilizan para obtener imágenes de las estructuras internas del cuerpo humano, mediante diferentes técnicas de imagen médica. Estas técnicas se basan en la diferencia de atenuación de los rayos X entre los distintos tejidos, que se traduce en una diferencia de contraste en la imagen. Las principales técnicas de imagen médica basadas en los rayos X son:

¿Qué es la radiografía?

Es la técnica más antigua y simple de imagen médica basada en los rayos X. Consiste en colocar una parte del cuerpo entre una fuente de rayos X y una placa o un detector digital que capta la radiación que lo atraviesa. La imagen obtenida muestra las diferentes densidades de los tejidos en función de la atenuación de los rayos X, siendo más blancos los más densos y más negros los menos densos. La radiografía se utiliza para visualizar los huesos, los pulmones, el corazón, el abdomen y otros órganos.

¿Qué es Tomografía computarizada (TC)?

Es una técnica más avanzada y precisa que la radiografía. Consiste en obtener múltiples imágenes de rayos X desde diferentes ángulos alrededor de una parte del cuerpo, mediante un tubo de rayos X que gira alrededor de un eje. Estas imágenes se procesan por un ordenador que reconstruye una imagen tridimensional de la zona estudiada, que se puede visualizar en cortes transversales o en otras proyecciones. La TC permite obtener imágenes de mayor resolución y contraste que la radiografía, y se utiliza para examinar el cerebro, el tórax, el abdomen, la pelvis, el sistema musculoesquelético y los vasos sanguíneos.

¿Qué es la Fluoroscopia?

Es una técnica que permite obtener imágenes de rayos X en tiempo real, mediante un tubo de rayos X que emite una radiación continua y un detector que la transforma en una señal de vídeo. La fluoroscopia se utiliza para observar el movimiento de los órganos internos, como el corazón, el estómago o el intestino, y para guiar procedimientos invasivos, como la colocación de catéteres, stents o marcapasos.

Conclusión

En este post se ha presentado una introducción a las radiaciones ionizantes, sus fuentes, sus tipos y sus unidades de medida. Se ha explicado cómo estas radiaciones pueden modificar la estructura de la materia y provocar cambios en los seres vivos, tanto beneficiosos como perjudiciales. Hemos mostrado algunas de las aplicaciones más importantes y fascinantes de las radiaciones ionizantes en campos como la medicina, la industria, la agricultura o la investigación científica.

Se ha hecho hincapié en la necesidad de protegerse adecuadamente de los riesgos asociados a la exposición a estas radiaciones, las radiaciones ionizantes pueden traer muchos prejucios pero tambien muchos beneficios, en post siguientes veremoa los conceptos fundamentales de medicina nuclear y que beneficios puede traer para la salud.

Referencias

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CH103 – CHAPTER 3: Radioactivity and Nuclear Chemistry [Internet]. Chemistry. 2018 [cited 2023 Dec 19]. Available from: https://wou.edu/chemistry/courses/online-chemistry-textbooks/ch103-allied-health-chemistry/ch103-chapter-3-radioactivity/

Radiocarbon dating [Internet]. American Chemical Society. [cited 2023 Dec 19]. Available from: https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/radiocarbon-dating.html