- Fundamentos de
radiactividad - Conceptos básicos de
radioprotección - Ionización y
penetrabilidad de las radiaciones en la
materia - Efectos nocivos de la
transferencia de energía - Dosimetría y efecto
biológico - Manejo de
Radioisótopos - Procedimientos para el uso de
radionuclidos en el laboratorio - Apéndice A: Algunos
emisores beta más conocidos - Apéndice B:
Glosario
INTRODUCCION:
El conocimiento
del fenómeno de radiactividad surge inicialmente de los
descubrimientos realizados por el físico francés
Henri Becquerel (1852-1908). Becquerel, estudiando el
fenómeno de fosforescencia en compuestos de Uranio,
encontró que esta sustancia y otras afines demostraban una
misma "actividad" espontánea, y que esta emisión
producía una ionización en el aire de su
alrededor, puesto de manifiesto por la velocidad de
descarga de un electroscopio cargado, o por el grado de
ennegrecimiento de una placa fotográfica. Becquerel
encontró que la intensidad de la emisión de un
compuesto de Uranio, era directamente proporcional a la
fracción de peso del Uranio que había en el
compuesto.
Muchas de estas observaciones, sin embargo, cayeron en
el olvido, probablemente por el interés
que despertó en esos años, el descubrimiento de los
rayos-X reportada por Roentgen. Fue entonces, a comienzo de 1898
cuando los esposos Curie comenzaron el estudio sistemático
de un gran número de minerales y
elementos y pronto hallaron que el elemento Torio (Th) y sus
compuestos manifestaban la "actividad radiante" o "radiactividad"
como posteriormente llamaron los Curie al fenómeno.
Descubrir que el Torio era radiactivo tenía una gran
importancia, pues hasta entonces se había pensado que el
fenómeno era una propiedad
exclusiva de un sólo elemento, el
Uranio.
Básicamente las observaciones de los Curie
llevaban a las mismas conclusiones a las que años antes
había llegado Becquerel, pero los Curie fueron más
adelante, estableciendo que la radiactividad es un proceso
atómico que no es afectado por el estado
físico ni por la combinación química de los
átomos radiactivos con otros elementos. Esta observación indica que los procesos que
llevan a una emisión radiactiva tienen lugar en el
núcleo atómico y no en la esfera de electrones que
lo rodean. La labor de los Curie como la de la mayor parte de los
científicos fue dura, constante y desprovista de apoyo
financiero. Sin embargo, en Julio de 1898 hicieron a la Academia
de Ciencias
Francesa, la siguiente declaración: "Realizando un
conjunto de distintas operaciones,
obtuvimos productos que
eran cada vez más activos (por
unidad de masa). Finalmente obtuvimos una sustancia cuya
actividad es de unas 400 veces mayor que la del Uranio…"
Creemos por tanto que la sustancia que hemos extraído de
la pechblenda contenía un metal que hasta entonces
no se había observado y cuyas propiedades qlazgo de
Becquerel. Es importante hacer notar la actividad
específica de la radiación
como una característica propia y diferenciadora de cada
elemento radiactivo.
Luego del anuncio de los Curie a la Academia de Ciencias
de Francia,
continuaron sus estudios en la búsqueda de nuevos
elementos radiactivos para determinar de un modo más
convincente sus propiedades específicas, especialmente sus
pesos atómicos. A partir de esto se ha decubierto que
todos los elementos que tienen Z>80 son radiactivos en cierto
grado. En 1903, el premio Nobel de Física se
concedió conjuntamente a Becquerel y a los Curie por sus
trabajos en el descubrimiento de la radiactividad. Como
único reconocimiento María Curie fue galardonada
también con el Nobel de Química en 1911, por el
descubrimiento de los elementos Polonio y Radio.
Decaimiento
Radiactivo
El decaimiento radiactivo es un proceso
complejo en cual el núcleo de un átomo
emite a lo menos una partícula y puede o no transformarse
en otro elemento químico. Como ya lo mencionamos el
decaimiento radiactivo tiene su origen en el núcleo
atómico y está íntimamente relacionado con
la estabilidad nuclear.
En el caso de que la partícula emitida sea una
radiación gamma (g ), la radiación
g es un
fotón de alta energía, el átomo sigue siendo
el mismo. Si la radiación emitida es un neutrón, el
proceso se denomina emisión neutrónica, las
características químicas del átomo se
conservan pero la masa atómica disminuye en una unidad,
aquellos átomos que difieren en su masa pero no en su
carga nuclear se denominan isótopos, existen
isótopos estables e isótopos radioactivos. Si el
núcleo emite una radiación alfa (a ), la
partícula a es un núcleo de helio, el
átomo generador disminuirá su carga en dos unidades
y su masa en cuatro; transformándose en otro elemento. En
cambio si el
núcleo generador emite una partícula ß, la
partícula ß es un electrón, el
átomo original se transforma en un elemento que tiene la
misma masa, pero un número atómico mayor. En
algunas ocasiones el núcleo incorpora electrones de las
capas más cercanas de su envoltura, fenómeno
conocido como captura electrónica, en este caso se
emite un rayo X, una radiación X es un fotón
de alta energía el cual tiene su origen en la esfera de
electrones que rodea el núcleo, en este caso la
radiación X tiene una energía que corresponde a la
energía potencial del electrón capturado respecto
de su núcleo; la captura electrónica es muy poco
frecuente.
Los elementos radioactivos pueden emitir una o
más de estas formas de radiaciones. Adicionalmente,
algunos núcleos que resultan después de cada uno de
estos decaimientos, pueden decaer aún más emitiendo
generalmente una radiación g u otra partícula. Estas
radiaciones tienen en común que al interactuar con la
materia le
transfieren energía generando partículas
iónicas, hecho por el cual también se les denomina
radiaciones ionizantes.
Asociado a la estabilidad nuclear encontramos el
fenómeno denominado fisión nuclear. La
fisión nuclear es la ruptura completa de un núcleo,
que genera dos núcleos más livianos con
liberación de radiaciones y energía. Este proceso
ocurre en forma espontánea en los elementos
transuránidos, átomos de número
másico mayores a 250, demasiado grandes para ser estables.
Los núcleos con números másicos comprendidos
entre 220 y 250 no experimentan fisión espontánea,
pero esta puede llegar a inducirse bombardeando con neutrones
lentos, neutrones rápidos y protones o
partículas a
acelerados. Por ejemplo cuando un neutrón,
rápido o lento, golpea un núcleo de Uranio-235, el
resultado es un núcleo compuesto de Uranio-236. La
energía agregada por el neutrón vence la precaria
estabilidad del núcleo y casi instantáneamente se
aleja. La ruptura de un núcleo compuesto de Uranio-236,
habitualmente, da lugar a que dos quintas partes,
aproximadamente, se desplacen en una dirección y las otras tres quintas partes,
más o menos, en la dirección opuesta.
Además de los elementos radioactivos que
encontramos en la naturaleza
(radioactividad natural), casi cualquier elemento estable
se puede convertir en uno radioactivo (transmutación de
elementos o radioactividad artificial). La
transmutación se logra al bombardear al elemento no
radioactivo con partículas que tienen alta energía
o como ocurre en los reactores atómicos bombardeando con
neutrones; como es de suponer la finalidad del bombardeo es
desestabilizar el núcleo. Esta técnica permite
obtener trazadores radioactivos de una amplia variedad de
elementos. Los trazadores tienen gran utilidad en
aplicaciones industriales, médicas y de investigaciones
básicas y aplicadas.
Otra fuente de radiaciones ionizantes y energía
la encontramos en el proceso denominado fusión
nuclear. La fusión
nuclear consiste en la unión de núcleos ligeros
para formar otros más pesado, en este reordenamiento de
partículas nucleares se generan radiaciones ionizantes y
energía. Este proceso requiere energías de
activación mucho mayores que en el proceso de
fisión. En este caso la energía de
activación es la energía cinética necesaria
para vencer las interacciones repulsivas entre los núcleos
o partículas que colisionan; una vez formado el nuevo
núcleo se libera una cantidad de energía mucho
mayor que la energía cinética que tenían los
núcleos antes de la fusión.
El sol es un reactor de fusión y las reacciones
que se producen son principalmente aquellas en que están
implicados los isótopos de hidrógeno, que es el elemento mayoritario
en su composición. La reacción global, es la suma
de una serie de reacciones que tiene lugar en la superficie solar
a unas temperaturas del orden de 20 millones de grados celcius,
tiene la forma de
41H1 —>
2He4 + 20ß1 + E
(26,7 MeV)
Parte de la radiación cósmica que recibe
la tierra
proviene de estas reacciones, la que es atenuada en su paso por
la atmósfera terrestre, actuando a modo de
filtro. De la energía liberada, una fracción la
percibimos en forma de luz, otra
fracción es convertida en energía química
por los organismos fotosintéticos, otra se degrada
generando calor y una
cuarta fracción se refleja. Energía química
y calor son elementos fundamentales para sostener la vida tal
como la conocemos en este planeta.
Energía de Enlace en el
Núcleo.
Para comprender el fenómeno de radiactividad se
hace necesario que recordemos las razones por las cuales se
produce la inestabilidad energética nuclear, que da origen
a la emisión de radiaciones
y energía. La masa de los núcleos
atómicos esta dada fundamentalmente por protones y
neutrones, ambas partículas tienen aproximadamente la
misma masa de 1 uma (unidad de masaatómica); esto explica
por que todos los núcleos tienen masa que son casi
múltiplos enteros de 1 uma. Sin embargo, al aumentar la
precisión de las medidas espectrográficas de masa,
se puso de manifiesto el carácter aproximado de esta ley de los
números enteros. De hecho las masas de todos los
núcleos son algo mas pequeñas que la suma de las
masas de los protones y neutrones libres que lo constituyen. Esta
diferencia de masa para un núcleo determinado se llama su
defecto de masa, y significa la masa que se "pierde"
cuando las partículas constituyentes se reúnen para
formar el núcleo. Por otro lado para que se obtenga un
núcleo estable por la reunión de partículas
nucleares individuales, el proceso debe ir acompañado de
liberación de energía. Esta energía se llama
energía de enlace del núcleo, pues es la
energía potencial nuclear que debe cederse para que las
partículas nucleares permanezcan ligadas. Esta baja en la
energía potencial estabiliza la interacción de las distintas
partículas que conforman el núcleo. Por otra parte,
si se comunica al núcleo la correspondiente energía
de enlace, las partículas podrán disociarse de
nuevo.
En términos cuantitativos se puede establecer una
relación entre defecto de masa y energía de enlace
nuclear, a través de la relación
masa-energía descrita por Einstein; de acuerdo con la
ecuación:
E = mc2
(electron-Volt)
Donde E es la energía; m es la masa y c la
velocidad de la luz. La ecuación indica que la masa puede
transformarse en energía. Para la formación de
núcleos a partir de los componentes libres
(partículas nucleares) esta relación señala
que la disminución de masa observada (defecto de masa) se
transformó en energía liberada al reunirse las
partículas nucleares (energía de enlace). De tal
manera que, para un núcleo cualquiera
ZXA en sus Z protones y (A-Z) neutrones
podremos escribir la siguiente relación:
Energía de enlace (joules) = Defecto de masa
(Kg) x c2
(m2/seg2)
La magnitud de esta energía
nuclear, hizo necesario que en términos
prácticos, se exprese en función de
una nueva unidad llamada electronvolt (eV)
Fuerzas Nucleares y Decaimiento
Radiactivo
Lo que hemos dicho acerca del defecto de masa y
energía de enlace, no responde a interrogantes tales como:
¿Porqué las partículas nucleares se agrupan
del modo que lo hacen?; ¿Cómo es que se encuentran
confinadas en el núcleo cuyo diámetro promedio
varía entre 10-13 y 10-12 cm y no se
escapan por efecto de la repulsión eléctrica entre
los protones cargados positivamente?.
Para responder a estas preguntas, debemos suponer la
existencia de fuerzas atractivas, que no son de carácter
eléctrico ni gravitatorio y que son peculiares de las
partículas nucleares. Aunque estas fuerzas
nucleares no están claramente definidas tienen a lo
menos las siguientes características. Por un lado, son
fuerzas de "corto alcance", esto es, decrecen rápidamente
a cero, cuando la distancia entre ellas excede los
10-12 cm (es decir tienen un radio de acción
efectivo del orden del diámetro nuclear). Además,
la fuerza nuclear
entre un protón y un neutrón es aproximadamente la
misma que entre dos neutrones o dos protones, sin embargo, en el
caso de los protones, además de las fuerzas nucleares
existe un componente de fuerzas eléctricas de
repulsión dando una resultante que varía con la
distancia entre protón-protón.
La introducción de un nuevo término
hará que nuestra discusión sea más concisa.
Tanto los protones como los neutrones del núcleo, se
denominan simplemente nucleones. Ahora bien, cuanto mayor
es el número de nucleones de un núcleo, mayor
será su energía de enlace. Pero no debemos esperar
que el defecto de masa o la energía de enlace,
varíe linealmente con el número de
nucleones.
Figura 1: En esta figura se muestra la
energía de enlace media por nucleón en
función del número másico de los
elementos.
Observemos en la figura 1, que la energía de
enlace por nucleón, de lo núcleos que tienen entre
50 y 90 nucleones es mayor que para el resto de la curva. Por lo
tanto, los núcleos de aquellos elementos que se encuentran
en la parte más elevada de la curva, son los más
difíciles de descomponer o perturbar; son los más
estables, en cierto
modo por que han liberado una mayor cantidad de
energía por nucleón.
La curva de la fig. 1 también nos da información acerca de los procesos de
fisión y fusión nucleares. Así
los núcleos de la parte de la derecha y de la izquierda de
la curva, por tener energías de enlace por nucleón
más pequeñas, pueden transformarse en
núcleos más estables de la parte central con
liberación de energía. Se sigue entonces que los
núcleos más masivos liberan energía cuando
sufren la fisión, y los más ligeros, en la
fusión nuclear.
Dijimos que un núcleo inestable tiende a
estabilizarse liberando energía en distintas formas; por
emisión de partículas, captura de
partículas, emisión de radiación
electromagnética, y otros procesos. Este fenómeno
de estabilización nuclear recibe el nombre de
decaimiento radiactivo, el cual es un proceso
independiente de la temperatura,
presión, estado
químico del elemento y de la presencia de otras especies
químicas. Entre los procesos más importantes de
decaimiento radiactivo distinguiremos con más detalle
sólo cuatro tipos:
Decaimiento por Emisión de Partículas
Alfa (2He4)
La partícula a corresponde al núcleo del átomo
de Helio (consistente en dos protones y dos neutrones), cargada
positivamente y de dimensiones atómicas. Su naturaleza
química fue estudiada inicialmente en 1903 por E.
Rutherford quien detectó este tipo de radiación por
la desviación que experimentaban estas partículas
en presencia de un fuerte campo
electromagnético.
Las partículas a son emitidas generalmente por núcleos
pesados (Z mayor de 80) como una forma de estabilizarse,
evidentemente, esto implica que el núcleo se desprende de
una cantidad importante de materia ya que Z= número
atómico disminuye en 2 y A = número másico
disminuye en 4. Emisión representada por la siguiente
ecuación.
88Ra226
—–>86Rn222 +
2He4 + Energía
Las partículas a son emitidas con energías discretas (3
a 10 MeV) y viajan a cortas distancias, del orden de 27 cm en el
aire y 30-40 m m
en el
agua.
Decaimiento por Emisión de Partículas
Beta (ß)
Las partículas ß son electrones expulsados
del núcleo a una velocidad cercana a la de la luz.
Principalmente se distinguen dos tipos de emisión de
partículas ß:
a) Emisión de partículas ß
negativas (ß-):
Las partículas ß negativas llamadas
negatrones se originan por la conversión de un
neutrón en protón con la expulsión
simultánea de un electrón desde el núcleo,
del estudio del espectro de energía de las
partículas ß, que va desde un nivel mínimo
(0.1 a 0.3 MeV) a un máximo (1 a 2 MeV). Hay clara
evidencia de que asociado a la emisión de la
partícula ß negativa, se emite otra partícula
que no tiene carga ni masa en reposo, pero que posee un
número cuántico de igual magnitud que el
electrón, éste se ha llamado antineutrino
(r ).
Emisión representada por la siguiente
ecuación.
Neutrón ——> Protón +
Negatrón + Antineutrino
Como producto de la
emisión ß, el núcleo aumenta su número
atómico (Z) y el número másico permanece
constante. Como se detalla en la siguiente
ecuación.
6C14 ——–>
7N14 + ß- +
r
b)Emisión de partículas ß
positivas (ß+)
Este tipo de emisión ocurre cuando en el
núcleo existe un "excedente" de protones, de manera que en
un proceso de estabilización del núcleo un
protón se convierte en un neutrón por la
emisión de una partícula ß cargada
positivamente llamada positrón. De igual forma que
la anterior existe una emisión simultánea de otra
partícula del núcleo que recibe el nombre de
neutrino (q
). Descrita por la ecuación siguiente:
Protón ——-> Neutrón +
ß+ + q
En consecuencia el número atómico (Z)
disminuye y el número másico (A) permanece
constante. Que a modo de ejemplo se detalla con la
ecuación para la emisión de
Na22.
11Na22 ——>
10Ne22 + ß+ +
q
En general las partículas ß viajan en el
aire a distancias mayores que las partículas alfa, del
orden de metros, y obviamente tienen un poder de
penetración mayor que las partículas
a .
Decaimiento por Emisión de Rayos Gamma
(g
).
El físico francés P. Villard
observó en 1900, que la emisión del Radio
contenía una componente de gran poder penetrante, a la que
dio el nombre de rayos g . Esta radiación no se desviaba al
pasar por campos intensos magnéticos o eléctricos,
lo cual indicaba que se trataba de radiación de
partículas no cargadas y además tenían
asociado un campo electromagnético. La diferencia esencial
entre la radiación g y los rayos X radica
fundamentalmente en su punto de origen. La
radiación g
se origina por un reordenamiento electrónico que
ocurre a nivel del núcleo, es de vida media muy breve
(10-12 seg) y son radiaciones de longitud de onda
más corta comparado con los rayos X. A su vez, los rayos X
son radiaciones electromagnéticas de vida media más
larga,
originadas en los orbitales externos del átomo,
producto de saltos energéticos de electrones excitados.
Dado su carácter neutro desde un punto de vista
eléctrico, y de no poseer masa asociada, la
radiación g
que comúnmente acompaña a la
estabilización nuclear de elementos pesados, no producen
variaciones tanto en Z como en A. Sin embargo, la
radiación g
es mucho más penetrante que las radiaciones ß
y a , alcanzando
distancias de varios metros en el aire.
Decaimiento por Emisión
Neutrónica
El neutrón es una partícula sin carga, de
masa 1 uma y es parte constitutiva del núcleo. La
emisión neutrónica corresponde a la
expulsión de un neutrón a alta velocidad desde el
núcleo durante el proceso de fisión nuclear. El
neutrón puede ser absorbido por otro núcleo y
también es capaz de romper un núcleo produciendo
una fisión adicional (proceso conocido como
reacción en cadena).
Durante el proceso de fisión algunos neutrones
emergen del núcleo en forma simultánea con la
ruptura, los denominados "neutrones instantáneos"; otros
denominados "neutrones retardados" son expulsados unos segundos
más tarde. Producto de colisiones con otros núcleos
los neutrones se enlentecen y son llamados "neutrones
térmicos o lentos". La ausencia de carga eléctrica
neta del neutrón le permite interaccionar con
núcleos sin la dificultad de barreras de energía
eléctricas.
Los distintos elementos radiactivos no solamente
muestran gran diferencia en sus respectivas velocidades de
desintegración, sino que cada átomo de un elemento
dado se desintegra después de un intervalo de tiempo que es
distinto para los átomos del mismo elemento. Sin embargo,
para los átomos radiactivos de una clase
determinada, la fracción del número total de
átomos que se desintegrará por unidad de tiempo, es
una magnitud característica, fija e inmutable, y que es
independiente del estado fisicoquímico de la especie
radiactiva. Este comportamiento
tiene un carácter especial, ya que es posible definir una
serie de relaciones matemáticas que nos permiten cuantificar
ciertos parámetros que nos ayudarán a comprender el
proceso del decaimiento radiactivo.
Si tenemos una especie radiactiva que decae en el
tiempo, podemos encontrar una tasa o rapidez de
decaimiento
para un número inicial de núcleos
radiactivos:
Ec.1. dN/dt = -l N
Donde:
N= número de núcleos radiactivos en un
tiempo "t"
t = tiempo
l = constante de
desintegración
dN/dt = actividad
Esta expresión, nos dice que la rapidez de
decaimiento radiactivo, es proporcional al número
de
núcleos presentes en un tiempo determinado.
Haciendo un reordenamiento de variables e
integrando:
Ec.2 ò dN/N = ò – l dt
La solución de la integral nos da:
Ec.3 ln N – ln No = -l (t – to) Si para to = No (número
inicial de núcleos radiactivos) es distinto de
cero.
Ec.4 ln N = -l t + ln No o ln N/No = -l t
Si graficamos la Ec.4 colocando en la ordenada ln N y en
la abcisa el tiempo, encontraremos que la gráfica es una
recta con pendiente negativa cuyo significado físico
equivale al valor de la
constante de desintegración (1/seg), este es un
valor característico de cada especie
radiactiva.
Otro parámetro importante en la
cuantificación del comportamiento de una especie
radiactiva es conocer su vida media, que se define como el
tiempo necesario para que la actividad de un número de
núcleos radiactivos disminuya a la mitad. Si en la Ec.4
reemplazamos t = t* y N = No/2 tenemos:
Ec.5 ln No/2 = -l t* + ln No
ln No/2 – ln No = -l t*
ln 1/2 = -l
t* de donde: t* = ln2/l = 0.693/l
Este período de semidesintegración o vida
media es una magnitud, independiente de la cantidad inicial de
núcleos radiactivos presentes. Si tomamos la forma
antilogarítmica de la Ec.4 tenemos:
N(t) = No *
e-l
t
Esta ecuación exponencial da cuenta del
número de núcleos radiactivos presentes en
función del tiempo, de una especie radiactiva cualquiera.
De igual forma a muchos fenómenos físicos, que
ocurren en la naturaleza, la ley de desintegración
radiactiva tal como se expresa en la ecuación exponencial
anterior, es una ley estadística y es aplicable a un gran
número de átomos radiactivos, no implicando
hipótesis especiales de por qué los
átomos se desintegran. Es decir que si pudiésemos
individualizar un átomo, esta ecuación no nos
permite predecir cuando ese átomo en particular
emitirá su radiación, puesto que desconocemos los
mecanismos subyacentes del fenómeno, sólo podremos
estimar la probabilidad de
desintegración para ese átomo, ya que la
ecuación describe la fenomenología (o comportamiento) de un gran
número de átomos y sólo nos dice que al cabo
de una vida media habrán irradiado en forma
espontánea el 50 % de los átomos inicialmente
presentes pero no cuales de ellos. Luego al cabo de otra vida
media habrá decaído el 50 % de los átomos
que quedaban y así sucesivamente, por cada vida media que
transcurra habrá emitido el 50% de los átomos
radioactivos inicialmente presentes. La validez
estadística de este comportamiento hace de el una
herramienta muy útil para determinar riesgos,
corregir cálculos o estimar fechas de muestras
arqueológicas entre otras aplicaciones.
UNIDADES Y
MEDICION DE LA RADIACTIVIDAD
Unidades de energía:
En Física la unidad genérica de
energía es el joule, tal como se ha definido en el
Capítulo de Mecánica, las energías
atómica y nuclear generalmente se expresan en
términos de
electronvolt (eV). El eV está definido
como la energía cinética adquirida por un
electrón que es acelerado a través de una
diferencia de potencial de un volt. Las unidades de
energía comúnmente utilizadas en los procesos de
desintegración radiactiva son múltiplos de eV.
Así, energías de miles de electronvolts se
denominan kiloelectronvolt (keV) y millones de electronvolt, se
denominan megaelectronvolt (MeV).
1 MeV = 1.602 * 10-13 joules (J)
Unidades de Actividad:
La medición de la actividad de una muestra
radiactiva se refiere al número de núcleos
radiactivos
que decae en la unidad de tiempo. Desde 1950 el Sistema
Internacional ha adoptado la unidad de Curie (Ci) como
medida patrón de medición de actividad de una
muestra radiactiva. El curie esta definido como el número
de desintegraciones por segundo de 1 gr. de
Ra226.
1 Ci = 3.7 *1010 dps o 2.22 * 1012
dpm
En 1985 la unidad internacional de medida de actividad
ha sido reemplazada por el Becquerel (Bq) que es
equivalente a 1 dps, de tal forma que ambas unidades que
actualmente están vigente se relacionan de la siguiente
manera:
1 Ci = 3.7 * 1010 dps = 3.7 * 1010
Bq
Muchas veces en el trabajo de
Laboratorio
con radioisótopos generalmente se mezclan isótopos
estables e isótopos radioactivos, lo que hace necesario
expresar la medición de radiactividad por gramo de un
compuesto, elemento o masa de un núcleo radiactivo, este
nuevo concepto se
denomina actividad específica, por ejemplo: Ci/ugr,
mCi/mmol, etc.
Unidades de Exposición:
La emisión de una fuente radiactiva provoca
diversos efectos en el ambiente que
la rodea. La unidad internacional de exposición es el
Roentgen (R), y se refiere específicamente a la
cantidad
de carga producida en el aire por emisión de
rayos-X o radiación g . Numericamente el Roentgen esta definido
como:
1R = 2.58 x 10-4 C/kg
La exposición de un Roentgen corresponde a la
producción de cerca de 2 x 109
pares iónicos por centímetro cúbico de aire
seco a presión y temperatura normal. Habitualmente se
maneja el concepto de tasa de exposición de una fuente
radiactiva, que corresponde simplemente a unidades de
exposición en función del tiempo, a decir,
roentgen/hora, miliroentgen/min. etc. Cabe hacer notar que el
concepto de la unidad Roentgen de exposición es aplicable
solo a radiaciones de rayos-X y g en el aire.
Medición de la Radiactividad
El tipo de radiación determina el tipo de
instrumento a utilizar, ningún instrumento puede
monitorear y discriminar entre todos los tipos de radiaciones y
los variados niveles de energía.
Cuando se escoge un instrumento es importante saber como
trabaja para evaluar sus capacidades y limitaciones.
El propósito de estos apuntes está
dirigido a una discusión de los principios
básicos de detección de la radiactividad y escapan
a la idea de dar una información técnica detallada
del instrumental. En forma muy general existen dos tipos de
metodología para detectar y cuantificar la
radiactividad:
a) Aquellos basados en la ionización de
gases.
b) Aquellos basados en la excitación de
líquidos o sólidos.
Cuando una partícula de alta energía
cargada pasa a través de un gas, su campo
eléctrico saca a los electrones de su orbital de
aquellos átomos del gas suficientemente próximos a
la ruta de la partícula, causando ionización. La
habilidad para producir ionización decrese en el
orden: a >
ß > g
en una relación de 10.000 : 100 : 1 En la
práctica por ionización sólo se pueden
detectar partículas a y ß. De los métodos de
ionización para la detección de radioactividad, el
contador Geiger-Mueller (GM) es un instrumento frecuentemente
usado en muchos laboratorios para el monitoreo de
radiación ambiental. El GM detecta básicamente,
radiación ionizante alfa y beta. El instrumento consiste
de un cilíndro cerrado lleno de un gas (mezcla de Ar e
isobutano) y en la parte central del tubo se ubica un electrodo
(ánodo) que está a 1000 volts positivo respecto a
la envoltura del cilíndro (cátodo). Cuando una
radiación incidente penetra en la cámara donde esta
el gas se produce un efecto de ionización con la
consecuente formación de pares iónicos, los
electrones producidos se mueven hacia el ánodo debido al
campo eléctrico generado. El campo acelera a estos
electrones, los cuales por su gran velocidad son capaces de
ionizar más moléculas del gas. De aquí
resulta un efecto multiplicador de electrones en la vecindad del
ánodo, lo que origina una corriente de electrones la cual
puede ser convenientemente registrada. El GM tiene un
período de tiempo en que es refractario a la
generación de flujo de corriente (200-300
m seg.), este
período se
llama "tiempo muerto", debe tenerse presente el tiempo
muerto cuando se trate de detectar radiaciones de gran
intensidad.
La metodología de excitación, un poco
más sofisticada, se refiere a la espectrometría de
centelleo líquido o sólido. De entre estas el
Contador de centelleo líquido (CCL), es el instrumento
más utilizado. La base del método es
la transducción de la colisión de una
radiación incidente en una señal luminosa. Esta
señal luminosa puede ser detectada y transformada en un
pulso de corriente mediante un sistema electrónico de
registro. El
procedimiento
consiste en que la muestra radiactiva es disuelta o suspendida en
un sistema centellador compuesto por un solvente orgánico
(Tolueno), un fluoróforo primario (PPO) y un
fluoróforo secundario (POPOP). Como resultado de la
interacción entre la radiación y el solvente
orgánico existe una discreta cantidad de energía
transferida, la cual puede ser transferida a otras
moléculas del solvente o ser emitida como luz; este
último fenómeno es conocido como fosforescencia. La
emisión de la señal luminosa del solvente tiene una
longitud de onda muy corta, además de ser muy
rápida en el tiempo, la cual no puede ser detectada.
Entonces esencialmente la función que realizan los
fluoróforos, tanto primario como secundario, es amplificar
esta señal luminosa en términos de hacerla de una
longitud de onda mucho más larga la cual pueda ser
detectada por un tubo fotomultiplicador de alta
resolución. Este tubo responde a pulsos de luz y la
traduce en una señal eléctrica que puede ser
registrada y analizada.
Las ventajas del contador de centelleo líquido
respecto del contador GM, son su alta resolución,
capacidad de detección de una amplia gama de radiaciones,
así como también, el poder discriminador entre
radiaciones de alta y baja energía. Ninguna de estas
técnicas mide directamente el número
de radiaciones emitidas por alguna especie radiactiva, si no que
cuantifica y amplifica el resultado de las colisiones de
partículas emitidas por un núcleo radiactivo con
algún componente del sistema de ensayo, por lo
cual es necesario corregir la información obtenida por lo
que se ha denominado la eficiencia de un
contador.
%Eficiencia = cpm/dpm x 100
CONCEPTOS BASICOS
EN RADIOPROTECCION
INTERACCION DE LA RADIACION CON LA
MATERIA
Excepto cuando la desintegración radiactiva
sucede en el vacío la radiación emitida,
radialmente en todas direcciones, atraviesa la sustancia que la
envuelve. Se han descrito dos formas principales de
interacción: excitación e ionización
Excitación: Implica la transferencia de parte de la
energía de la radiación a electrones orbitales de
un átomo dejándolo en estado excitado. La vuelta
del electrón excitado a su orbital de origen puede dar
lugar a la emisión de rayos X. La colisión de una
partícula con un núcleo atómico puede
desestabilizar el núcleo y dar lugar a radiaciones
ionizantes y/o fisiones. ionización: Es la
transferencia de energía que trae como consecuencia la
remoción de un electrón orbital, dejando al
átomo en un estado ionizado (par iónico). Este
mecanismo, involucra cambios en la estructura
química de la materia que esta siendo irradiada.
Mencionaremos en forma sucinta la interacción de las
radiaciones clásicas con la materia:
Radiación alfa: Son partículas
cargadas positivamente, con energía del orden de 3-10 MeV.
El grado de interacción con la materia debido a su alta
densidad de
carga y masa es relativamente mayor que el de otras
partículas. Este tipo de radiación es altamente
ionizante. Debido a su alto campo electromagnético
asociado para ionizar las moléculas del medio no requieren
de una colisión, en el sentido de choque de
partículas, basta que pasen en las proximidades para
desalojar electrones de los átomos cercanos a su
trayectoria.
Su poder de penetración es relativamente bajo,
recorren distancias cortas a través de la materia, a modo
de ejemplo: las partículas a de 7.7 Mev del Bismuto recorren un
máximo de 7 cm en el aire, estos 7 cm son el espesor o
espacio requerido para que la partícula pierda el exceso
de energía cinética respecto de las
moléculas del medio.
La intensidad con que la partícula
a cede su
energía, hace que esta partícula produzca un gran
daño en
su camino y puedan ser neutralizadas con relativa facilidad. Una
partícula a
no se detiene después de una colisión con un
átomo, las mediciones demuestran que en promedio se
pierden 35 eV por cada átomo que se ioniza en el aire. De
aquí que una partícula a de 7,7 MeV creara en su camino alrededor
de 200.000 iones antes de llegar al reposo, este efecto de
ionización secundaria es el efecto relevante respecto de
la ionización que produciría en el ambiente la sola
presencia de la partícula a (ionización primaria). Es evidente que
detener partículas a es fácil; la mayor parte de las
radiaciones a
son detenidas por el grosor de una hoja de
papel.
Radiación Beta: Es la emisión de
negatrones o positrones a alta velocidad desde el núcleo ,
en algunos casos con velocidades cercanas a la de la luz, por lo
tanto el tiempo de interacción con otros cargas es menor.
El efecto de ionización de las partículas ß
es mucho menor que las partículas a de igual energía. La
menor intensidad con que ceden su energía las
partículas ß respecto de las
partículas a
se debe a la diferencia en las densidades de carga y masa
entre ambas partículas. Los emisores ß en promedio
tienen un alcance de 4 m/Mev en el aire. Pero las
partículas ß de alta energía tienen un
alcance adicional de 2 a 3 m en el aire por cada MeV sobre 0,5
Mev. Las partículas ß de energías mayores a
0,07 Mev son capaces de penetrar la capa nominal de células
protectoras de la piel humana (7
mg/cm2 o una distancia de 0,07 mm).
Las partículas ß de alta energía en
su recorrido exhiben un alto poder de excitación. La
desaceleración de partículas ß que pasan en
las inmediaciones del campo electromagnético nuclear va
acompañada de la producción de radiación
electromagnética (rayos X); este fenómeno es
conocido como efecto bremsstrahlung. En el efecto
bremsstrahlung, la producción de rayos X ocurre
principalmente cuando la partícula ß de alta
energía atraviesa sustancias formadas por átomos de
alto peso molecular, cuando atraviesa sustancias de bajo peso
molecular la partícula ß también se
desacelera pero no ocurre la emisión de radiaciones
X.
Radiación Gamma y rayos-X: La
energía de los fotones de las radiaciones
g son del orden
de
los Mev y la de los rayos X en promedio un orden menores
(0,1 Mev). Fundamentalmente son
radiaciones electromagnéticas, que no poseen
carga ni poseen masa en reposo, por lo tanto el efecto ionizante
asociado a ellas proviene principalmente de reacciones de
ionización secundarias. El mecanismo de interacción
con la materia se puede explicar en términos de colisiones
en el
sentido clásico (intercambio de momentum y
energía). Existen tres mecanismos por los cuales la
radiación g
pierde energía, que es dependiente del medio por el
cual esta se propaga:
a) Efecto fotoeléctrico
b) Efecto Compton
c) Producción de pares iónicos
Por su naturaleza el poder de penetración de este
tipo de radiación es obviamente de mayor alcance comparado
con las radiaciones a
y ß, por tal motivo, otra serie de precauciones
adicionales tendrán que tenerse en cuenta para neutralizar
su efecto biológico. Básicamente aumentando la
densidad y espesor del recipiente que los contiene.
Emisión de Neutrones: Un neutrón,
espontáneamente emitido por núcleos pesados, es
libre de viajar una gran distancia y principalmente frenado por
colisión directa con los núcleos de la materia; un
neutrón puede penetrar mas de un metro en el
hormigón. Producto de la colisión con los
núcleos el neutrón se desacelera (neutrón
térmico). El neutrón interacciona desestabilizando
el núcleo blanco y como consecuencia de esto generando
nuevas radiaciones. Puesto que en ciertos núcleos la
presencia de neutrones lentos genera fisiones, cabe hacer notar
en este caso que la desestabilización del núcleo no
proviene de la energía cinética extra que aporte el
neutrón al núcleo, si no que de la
perturbación de la estructura nuclear por la presencia de
un neutrón adicional.
IONIZACION Y
PENETRABILIDAD DE LAS RADIACIONES EN LA MATERIA
En la sección anterior hemos discutido
parámetros como carga, masa y energía en
relación con el grado de ionización y
penetrabilidad de las distintas radiaciones en la materia, en
base a los modos principales de interacción entre ambas.
Hemos dicho que las partículas ionizantes penetran en la
materia mientras tengan un exceso de energía
cinética respecto de las moléculas del medio que
atraviesan y esta claro que las radiaciones disipan el exceso de
energía ionizando y excitando las moléculas
próximas a su trayectoria. Las consecuencias sobre la
sustancia blanco dependen de su estructura, del tipo de
radiación y del mecanismo principal de
interacción.
Podemos decir que el grado de interacción, de las
radiaciones con la materia, dependen de la velocidad con que la
radiación cede su energía en su paso por la
materia. La velocidad de intercambio de energía en el
desplazamiento lineal de las radiaciones se ha denominado
TRANSFERENCIA LINEAL DE ENERGIA (LET)
(Lineal Energy Transfer). Este nuevo concepto, LET, por
estar referido a un parámetro básico y general (la
energía) de la interacción
radiación-materia, hace abstracción de los
mecanismos moleculares del traspaso de energía.
Plantear la interacción en términos de
Transferencia Lineal de Energía permite, con cierta
confidencia, comparar el efecto de distintas radiaciones sobre
una misma sustancia o una radiación sobre distintas
sustancias. Las radiaciones con una LET alta, presentan bajas
penetrabilidad y una intensa ionización y/o
excitación; aquellas radiaciones de LET bajo tienen una
penetrabilidad mayor e intensidad de ionización baja. En
una comparación relativa las radiaciones
a y ß tienen LET
altos en cambio las radiaciones g y los neutrones presentan LET bajos. La
transferencia lineal de energía depende por una parte de
la densidad de carga, densidad de masa y momentum de la
radiación y por otro de la densidad de masa, densidad
electrónica y peso molecular de los átomos de la
materia. Las consecuencias de la radiación no solo
dependen del LET sino que también de parámetros
como la energía máxima e intensidad de la
radiación, desde el punto de vista de esta sección
podemos concluir que:
- a) El grado de ionización de una
sustancia por una determinada radiación depende de
la - energía de la radiación, de su
intensidad y de la transferencia lineal de
energía.
b) La penetrabilidad de las radiaciones son
inversamente proporcionales al LET y directamente
proporcionales a la energía de la
radiación.En otras palabras, los efectos de la
radiación dependen fundamentalmente
de la cantidad de energía que liberen en una
cantidad de materia: a mas energía liberada mas
alteración de
la materia.(para los humanos la alteración
podrá ser beneficiosa por ejemplo esterilización
de instrumental
médico o dañina como la
alteración de tejidos
corporales propios).
EFECTOS NOCIVOS DE LA
TRANSFERENCIA DE ENERGIA
La acción de la irradiación se traduce en
un aumento de radicales libres. Los radicales libres son
generados por la ionización y ruptura de enlaces
moleculares de la materia irradiada. A este daño directo
de la radiación debe adicionarse la modificación de
estructuras
debido a las reacciones de oxido-reducciones de los radicales
libres con las moléculas de su entorno.
La exposición de la materia inanimada a la
radiación lleva a la degradación y formación
de nuevos compuestos, ya que no considera procesos activos de
eliminación y reposición de estructuras
dañadas. En los seres vivos normalmente se produce una
cierta cantidad de radicales libres, asociados a procesos de
oxido-reducción generados por su propio metabolismo,
de modo que en condiciones fisiológicas están
compensados: la producción de radicales libres, la
eliminación o bloqueo de estos y la reparación del
daño que ellos pudieren causar.
Para neutralizar radicales libres los organismos vivos
utilizan un proceso enzimático que considera primero la
acción de la superóxido dismutasa, enzima
que cataliza la conversión del anión
superóxido O2 a peróxido de
hidrógeno y agua; seguido
de la acción de la catalasa, enzima que acelera el
paso del peróxido de hidrógeno a agua y oxígeno
molecular.
Un segundo mecanismo lo constituyen sustancias que
aceptan fácilmente electrones y pueden ejecutar una
función de apoyo eliminando radicales libres. Estas
sustancias son ácido ascórbico, glutation y
vitamina E. Una vez producida la modificación de
estructuras por la radiación o radicales libres, existen
dos mecanismos celulares para la eliminación de
moléculas dañadas, no específicos del
daño producido por radicales libres pero importantes de
tener en cuenta. Durante la vida celular la gran mayoría
de los componentes celulares son reemplazados en forma
periódica, estos ciclos normales de eliminación y
reposición de moléculas en la célula
viva, se denomina recambio de los componentes celulares y
tiene un tiempo característico para cada componente. El
otro lo constituye un sistema de vigilancia de la correcta
estructura de proteínas,
la detección de anomalías en estas induce su
degradación en forma acelerada. Para moléculas de
gran estabilidad como el DNA, que no recambian, existen procesos
de reparación altamente eficientes, pero no perfectos. Los
mecanismos mencionados en el párrafo
anterior, entre otros, hacen posible la vida a dosis bajas de
radiaciones, sin efectos nocivos de estas. A modo de ejemplo
supongamos el caso hipotético en que un aumento de
radicales libres en la célula
pueda sobrepasar la acción de los mecanismos antioxidantes.
Esta situación aumenta la probabilidad de daño
celular.
Tejidos con baja actividad antioxidante, como el ojo,
son mas sensibles al daño por radiaciones ionizantes y
propensos a la formación de cataratas. El daño
puede ser inmediato en el caso de altas dosis o diferido por
alteración de estructuras importantes que no puedan ser
reemplazadas o reparadas. Supongamos la alteración de una
proteína por radiación o radicales libres
producidos a su paso. Los mecanismos celulares de vigilancia
detectaran la proteína alterada y esta será
eliminada. La disminución de la concentración de
esta proteína particular, activara la maquinaria de
traducción y/o transcripción con el
fin de restablecer la función alterada (mantener la
homeostasis
celular). Supongamos ahora que la radiación o el radical
libre interacciona de forma que la modificación de la
proteína es tan sutil que el sistema de vigilancia celular
no discrimina entre la estructura normal y la alterada, la
proteína ahora, cumple su función pero genera
metabolitos o señales
en forma no fisiológica, esta situación imaginaria,
puede llevar a un estado de desequilibrio metabólico
transitorio dependiendo de la estabilidad (velocidad de recambio)
e importancia de la proteína en particular y de la
activación de mecanismos de compensación celulares
específicos para esa anomalía.
Supongamos ahora que una molécula puede
encontrarse en dos situaciones: i) altamente enrollada por
un conjunto de proteínas que la plisan y envuelven o
ii) desenrrollada y sin la envoltura de proteínas
que la rodee. La probabilidad de daño por radiación
o radicales libres es la misma en ambas situaciones? Obviamente
No, La probabilidad de daño es menor en el primer caso,
puesto que la molécula enrollada tiene una menor
superficie de exposición a la radiación y a los
radicales libres, además el acceso a la molécula
esta restringido por la cubierta de proteínas que la
enrollan. Este ejemplo es una clara alusión a las dos
formas extremas en que podemos encontrar el DNA. El DNA de
células en estado proliferativo se encuentra gran parte
del tiempo desenrrollado en cambio el DNA en células en
estado no proliferativo, se encuentra la mayor parte del tiempo
enrollado. De allí, a pesar de la existencia de sistemas muy
eficientes de reparación, las probabilidades de
daño genético sean mayores en tejidos de alta
actividad proliferativa: Médula ósea, epitelios,
gónadas. Podemos concluir que no todas las estructuras
celulares están expuestas al mismo daño. El
riesgo de
daño biológico para una misma estructura varia de
acuerdo al tejido, el estado fisiológico y obviamente de
la energía, intensidad, duración y LET de la
radiación.
A diferencia de la materia inanimada, dentro de ciertos
rangos, la presencia de mecanismos de bloqueo y
eliminación de radicales libres junto a la capacidad de
regeneración y recambio de estructuras celulares eliminan
o minimizan los riesgos de daño producidos por radiaciones
a bajas dosis.
DOSIMETRIA Y
EFECTO BIOLOGICO:
Dosis Absorbida:
Como hemos menciona0do anteriormente, un núcleo
radiactivo puede emitir uno o mas tipos distintos de
radiación, dependiendo del modo de decaimiento que se
trate. Desde un punto de vista físico, la dosis radiactiva
se define como la cantidad de energía por unidad de masa,
depositada en cualquier medio por cualquier tipo de
radiación ionizante. La unidad original de dosis absorbida
es el rad, que corresponde a:
1 rad = 100 ergs/gr = 0.01 J /Kg
En 1985 esta unidad fue reemplazada por el Gray
(Gy), que es equivalente a una dosis de 100 rads depositada
sobre una masa de 1 gramo del material que absorbe.
1 Gray = 100 rad = 1 J/Kg
Naturalmente, estas dosis radiactivas dependen de al
menos los siguientes factores a considerar:
a) Intensidad de radiación
b) Energía de cada radiación
c) Tiempo de exposición
d) Tipo de tejido expuesto
e) LET
Dosis Equivalente:
Desde el punto de vista biológico, el concepto de
dosis absorbida no es suficiente para explicar el efecto
biológico específico que producen las diversas
radiaciones en el organismo, la cual no es necesariamente la
misma para los distintos tipos de radiación. Para obviar
estas diferencias se ha establecido el concepto de dosis
equivalente que es una medida de dosimetría
biológica. La unidad internacional es el rem (rad
equivalente man). Operacionalmente esta unidad de dosis
equivalente que cuantifica el daño biológico
producido por radiaciones se define como:
1 rem = dosis absorbida (rads) x eficacia
biológica relativa (EBR)
Como se mencionara, una misma cantidad de energía
puede producir distintos efectos a nivel biológico. Para
uniformar criterios a este respecto es que internacionalmente se
ha tomado un nivel de radiación patrón ( rayos X de
250 keV de energía), y sobre este nivel de referencia para
el efecto biológico, se define la Eficacia
Biológica Relativa (EBR), como la razón entre
el efecto biológico debido a una radiación
experimental respecto del efecto biológico de referencia,
para un órgano o tejido en particular.
La nueva unidad de dosis equivalente aceptada
internacionalmente es el Sievert (Sv):
1 Sievert (Sv) = 100 rem = 1 J/Kg
Inevitablemente, una de las mayores fuentes de
radiación ionizante a la que está expuesta la
población mundial es la radiación
natural ambiental, uno de cuyos componentes, es la
radiación ultravioleta (0,064 rem/año) proveniente
de la luz solar, además de la presente en elementos
naturales (transuranidos; potasio 40) de la corteza terrestre
(0,040 rem/año) y de la atmósfera terrestre, en
conjunto el nivel basal alcanza a alrededor de 0.1 a 0.2 rem por
año. Este nivel varía dependiendo de la altitud,
localización geográfica y calidad de vida
de la población. Esta radiación natural es
inevitable, los radiobiólogos consideran que hemos
aprendido a vivir con ella. Esto significa que sea cual sea su
daño, nos permite vivir sin observar efectos nocivos. Como
consecuencia, la radiación natural se toma como punto de
partida para el establecimiento de las normas referidas
a la radiación artificial. Sin embargo, es generalmente
aceptado por la comunidad
científica internacional, que la exposición a la
radiación ionizante produce efectos dañinos al ser
humano. Estos efectos son generalmente clasificados en tres
categorías:
1. Efectos Somáticos: Son los que ocurren
en el organismo expuesto a la radiación ionizante que
dependiendo de una serie de factores tales como tiempo de
exposición, nivel de energía y otros, se
pueden distinguir en:
- efectos precoces: es decir, hay signos
evidentes después de una exposición aguda (100
rem mas después de algunas horas). - efectos tardíos: son aquellos efectos
observables después de muchos años transcurrida
la exposición, tales como el
cáncer.
2. Efectos Genéticos: Anormalidades que
pueden ocurrir en futuros niños
de individuos expuestos y en subsecuentes
generaciones.
3. Efectos Teratogénicos Efectos
observables en niños expuestos a radiación durante
su vida
fetal y/o desarrollo
embrionario.
Sin duda los efectos biológicos de la
radiación están relacionados estrechamente con la
dosis expresada en rem:
0 – 25 rem: No se observan efectos inmediatos, parecen
no tener consecuencias importantes.
25 – 100 rem: Se observan algunas alteraciones
especialmente en la sangre, hay
evidente compromiso de otras funciones del
organismo, pero son recuperables.
100 – 300 rem: Ya hay alteraciones mas evidentes,
vómitos,
caída del pelo, hemorragias, cuya recuperación es
parcial.
200 – 600 rem: Las probabilidades de morir aumentan,
por afecciones a la médula ósea,
síndrome
gastrointestinal y lesiones al Sistema
nervioso.
Los efectos pueden depender también de otros
factores, como la presencia de radiosensibilazadores
(O2) o radioprotectores discutidos anteriormente. La
gran eficacia destructora de pequeñas energías de
radiación proviene de su acción directa o indirecta
sobre partes importantes de la célula (ácidos
nucleicos, enzimas,
mitocondrias, membranas internas.), dada la fuerte
localización de los paquetes de energía. Si dicha
energía se suministrara en forma deslocalizada, en forma
de calor, por ejemplo, los efectos serían
imperceptibles.
Las recomendaciones fundamentales de la
Comisión Internacional para la Protección
Radiológica (ICRP), establecen las dosis
máximas permisibles para aquellos que estén
expuestos profesionalmente a la radiación y dosis limite
para el publico en general. Ya que los trabajadores bajo
radiación son conscientes del peligro posible y esperan
ser vigilados adecuadamente, se permite una mayor
exposición; para asignar un margen las dosis limite para
el publico en general, se establecen en diez veces menos que las
dosis máximas permisibles para la exposición
profesional. La ICRP identifica los órganos genitales, los
ojos y la médula ósea de los huesos como las
partes mas sensibles del cuerpo humano. Para estos órganos
la dosis máxima permisible se sitúa en 5
rem/año y el limite de dosis para el publico, en 0,5
rem/año. Las dosis máximas permisibles para la
piel, los huesos y el tiroides son de 30 rem, y los limites de
dosis 3 rem por año. Manos y antebrazo 75 y 7,5, y otros
órganos 15 y 1,5 rem por año. Para el cuerpo global
la dosis máxima permisible es de 5 rem por año para
los trabajadores y el limite de dosis para el publico, 0,5 rem
por año. Mujeres profesionales en edad fértil
tienen un limite de 3 rem por año. empleados menores de 18
años no deben exponerse por sobre los 0,5 rem por
año.
Mujeres empleadas embarazadas no deben exponerse a la
radiación en los primeros tres meses de embarazo,
posteriormente las dosis permitidas son de 0,5 rem al año,
con dosis no superiores a los 0,01 rem por semana. Se entiende
que un trabajador no puede recibir toda la dosis permitida en una
pequeña fracción del año.
La radiación no es detectada por nuestros
sentidos y sus efectos son acumulativos y generalmente diferidos
en el tiempo. Para el profesional es de suma importancia
minimizar y controlar su exposición. Es también
responsabilidad del profesional minimizar el
riesgo de los usuarios de radiaciones y radioisotopos y de la
población en general. Se requiere un manejo adecuado de
radioisotopos, sus desechos y una visión clara del impacto
que tendrán estos en el medio ambiente
y el grupo critico
de población en riesgo. Actualmente las aplicaciones
médicas de la radiación suponen, con mucho, la
parte mas importante de la exposición del público a
la radiación artificial. Los rayos X médicos y
dentales y
las diversas formas de radioterapia son instancias en
las que un beneficio bien definido para el individuo
expuesto se contrapone a la posibilidad, estadística y
variable, aunque pequeña, de daño por la
radiación. El uso de radioisotopos y radiaciones
ionizantes (rayos X) en el laboratorio de investigación y en la clínica,
requiere de precauciones especiales contra los riesgos de la
radiación.
PROCEDIMIENTOS
PARA EL USO DE RADIOISOTOPOS EN EL
LABORATORIO
El usuario debe tener un protocolo claro
del manejo del o los isotopos en su laboratorio, comunicar y
señalar la existencia de riesgo potencial y especificar
las características de la radiación. Además
debe tener mecanismos eficaces de detección ambiental y de
exposición personal a la
radioactividad. No solo debe conocer las características
del radioisotopo sino que además debe tener un
conocimiento acabado de las características
químicas del compuesto en que esta participando el
radionuclido, de modo de prever transformación por
reacciones, por ejemplo. La incorporación a biomasa de
compuestos
orgánicos al ser utilizados como substrato por
microorganismos; oxidoreducciones con desprendimiento de gases
radioactivos, intercambio isotópico con el medio en el que
esta disuelto (la mayoría de los compuestos tritiados
intercambia el tritio por el protón del agua) o fugas por
volatilización (uso de compuestos orgánicos
volátiles o inorgánicos que desprendan gases como
el Iodo).
Transporte, Recepción y Almacenamiento.
La trayectoria que debe seguir el radionuclido desde el
momento que es recibido por correo especial, en un envase
adecuado a su naturaleza física (solido, liquido, gas)
debe cumplir a lo menos con las siguientes normas: El recipiente
que lo contiene debe estar sellado, la etiqueta debe llevar el
símbolo característico de riesgo radioactivo, donde
se especificaran claramente el radioisótopo, la cantidad
en dpm, la fecha y el nombre del compuesto del que forma parte.
Este recipiente estará al interior de un contenedor que:
detenga la radiación del radionuclido en particular,
permita un fácil acceso al recipiente que contiene el
radioisotopo sin dejar de proteger (un tiesto de adecuada
profundidad y boca ancha); relleno con una sustancia que absorba
los golpes durante el transporte.
Rodeando este recipiente un segundo contenedor
herméticamente sellado, esta vez desechable, relleno de
material que absorba posibles fugas de la sustancia radioactiva;
cada uno de los envases claramente rotulados con las
características del compuesto.
Al momento de la llegada al laboratorio la persona
previamente designada y tomadas las precauciones de rigor para la
recepción del radioisotopo, se hará cargo de este.
Es decir utilizando la ropa adecuada (delantal, guantes, visor
protector de ojos y rostro; si la situación lo amerita:
una coraza de plomo, tenazas para manipular a distancia, una
campana con extracción de aire y trampa para gases,
mascarilla para gases. Recibirá la encomienda, la
trasladará a un área previamente definida,
demarcada y señalizada con la siguiente leyenda
"PRECAUCION MATERIAL RADIOACTIVO"; mas abajo una
línea con el nombre de la persona a cargo y su teléfono para ubicarlo en caso de
emergencia.
Esta área, de circulación restringida,
alejada del tráfico frecuente de personas, limpia, con
piso y cubiertas sin filtraciones, fáciles de remover y
lavar (en caso de derrames), con mesones cubiertos con material
absorbente desechable (el que se cambiara con frecuencia). La
encomienda se instalara rodeada de barreras protectoras,
adecuadas a cada tipo de radiación. En presencia de
instrumentos radiodetectores ambientales y personales (geiger
Muller, placas radiosensibles personales en el cuerpo y/o en las
extremidades), verificara que la remesa radioactiva este intacta
y cumpla con las especificaciones. En este momento puede
alicuotear o guardar la muestra en el mismo envase en las
condiciones particulares a cada compuesto y cuidando de
señalizar adecuadamente la presencia de este en el
área donde será almacenado.
El óptimo es que las sustancias altamente
radioactivas sean almacenadas en bodegas especiales, aisladas y
blindadas adecuadamente; para el uso diario se pueden guardar
pequeñas cantidades en refrigeradores, congeladores,
mesones, para las que deben tomarse precauciones análogas,
es decir tener el mismo logo "precaución material
radioactivo" etc.). Terminado esto el usuario debe monitorear en
busca de radioactividad en el área, su ropa de laboratorio
y su ropa personal y en los desechos. Separar los desechos
radiactivos de los no radioactivos o con cuentas cercanas
a la radioactividad basal (background). Los desechos no
radioactivos se botan de acuerdo con su naturaleza
(tóxica, infecciosa, punzante o inocuas), la idea es que
los desechos no radiactivos no aumenten los volúmenes de
desechos radioactivos solidos o líquidos. Los desechos
radioactivos irán a parar a contenedores especialmente
asignados, rotulados, aislados, blindados y herméticamente
sellados. Donde permanecerán hasta que sean retirados por
el organismo encargado de tratarlos o hasta que la radioactividad
haya decaído a niveles tan bajos que puedan ser liberados
al medio ambiente.
El ideal es tener un envase para cada tipo de
radionuclido tanto para desechos solidos como líquidos.
Los radionuclidos de vida media corta no necesitan ser enviados a
tratamiento especial, bastará con confinarlos en un
deposito aislado por aproximadamente siete vidas medias, (en
siete vidas medias la radioactividad decae a un 1% de la
original). Los desechos de alta radioactividad y vida media larga
se envían a tratamiento. El tratamiento consiste en
reducir el volumen de los
radionuclidos para hacerlos manejables, incorporarlos a una
matriz que los
retenga de modo de retardar su entrada a la biosfera,
confinar la radioactividad en una coraza de acero inoxidable
de modo que no entre en contacto con el medio ambiente y
depositarlos en regiones remotas y geológicamente estables
(desiertos, fondo de los océanos, incluso se ha pensado en
enviarlos al espacio interestelar) o que se diluya a niveles
soportables para la vida (este último es el fundamento de
la liberación controlada de radioactividad). Una segunda
forma considera la activación neutrónica como
mecanismo para llevarlos a compuestos mas estables,
operación económicamente no rentable.
Hábitos de Manipulación en el
Laboratorio Radiobiológico
En general la persona que trabaja con radioactividad se
esmera en la protección personal. Cuando trabaja en el
mesón, prepara con anticipación cada uno de sus
movimientos, no deja nada al azar y verifica que todo funcione de
acuerdo a lo que el o ella espera. Ha aprendido que la
improvisación en el manejo de radionuclidos se paga caro.
Sobre la cubierta, muy limpia del mesón, instala una
coraza protectora que evite irradiarse (a veces este meticuloso
profesional para tener mas espacio y comodidad, se instala en
medio de la pieza y no rodea completamente la fuente de
radiación con barreras protectoras, al olvidar que la
radiación emite en todas direcciones expone, con su
inconsciencia, a sus colegas y colaboradores). Luego coloca una
hoja de material absorbente (papel con la parte inferior
plastificada) sobre el mesón. Instala todo su
instrumental, usa doble guante desechable de latex ( para en caso
de contaminarse siempre quedar con un par y en el caso de ciertas
radiaciones (como las a ) disminuir la ionización sobre la piel
de las manos).
Una de las etapas de mayor exposición ocurre
cuando se transfiere una alícuota de la solución
madre al tubo de trabajo, desde
el momento de abrir el contenedor las manos quedan expuestas a
una alta radiación y en el momento de sacar la
alícuota uno mira para verificar lo que esta sacando. El
uso de propipetas o pipetas automáticas (JAMAS PIPETEAR
CON LA BOCA), lentes o máscara y una placa protectora
transparente junto a precisión y rapidez en esta
operación son aconsejables para minimizar el impacto de la
radiación sobre las manos y los ojos.
Hemos mencionado que cada tipo de radiación debe
detenerse con el material apropiado, estas cubiertas protectoras
deben ser diseñadas en función del tipo de
radiación y de la energía característica.
Emisores a o
ß de baja energía, no requieren de grandes barreras,
generalmente son detenidas por la solución que las
contienen, la cubierta del envase y es suficiente como medida
precautoria una lamina de lucita. Las radiaciones
a o ß de menos de
0,2 MeV no son detectadas por sensores de placa
ni ambientales. Radiaciones ß de mediana energía
requieren una placa gruesa de lucita o una lamina delgada de
metal. Son detectadas con gran eficiencia tanto por placas
fotosensibles como por contador Geiger Muller. Radiaciones
ß de alta energía requieren ser detenidas por una
placa gruesa de material compuesto por átomos de bajo peso
molecular (como lucita; plásticos)
seguida de una lamina de plomo. El fundamento es que debe
evitarse el efecto bremsstralhung. Radiaciones a y neutrones deben ser detenidos
con una gruesa capa de plomo o acero.
Es posible disminuir a valores
razonables el grado de exposición de fuentes radioactivas
externas. Las radiaciones con LET bajos o con baja energía
son las mas fáciles de detener y por ello presentan una
menor riesgo de exposición y con la coraza apropiada las
radiaciones de bajo LET o alta energía también son
controlables. Lo anterior indica que, un buen manejo de la
radioactividad requiere del uso apropiado del material de
blindaje en cada caso. La situación es distinta cuando la
fuente radioactiva esta al interior del organismo sea por
accidente o en forma deliberada como es el caso de
radiofármacos.
Al interior del organismo el compuesto radioactivo no
necesariamente se distribuye en forma homogénea,
podrá tener ciertas preferencias de acuerdo a su
naturaleza, el ejemplo ahora clásico es la
acumulación de yodo en la tiroides. El grado de
exposición no tendrá relación con los
parámetros aplicables al cuerpo en general e incluso a la
dosis máxima para el órgano total, pues aun cabe la
posibilidad de sublocalizaciones en un órgano y
sensibilidad particular de algunas de sus tipos celulares. El
tiempo de exposición dependerá de la vida media del
compuesto y la capacidad de recambio de este por el organismo, la
exposición menor ocurriría cuando se suministre un
radionuclido de vida media larga en un compuesto de alto recambio
en el organismo.
Como la materia con la que interactúa el
radionuclido ahora es la célula viva el daño
será directamente proporcional al LET, a mayor LET
tendremos una ionización mas intensa y consecuentemente un
mayor daño biológico. Nuevamente el
riesgo/beneficio, para la especie humana, dependerá del
uso que de ella se haga. Partículas microscópicas
de polvo de Plutonio (emisor de radiaciones a de corto alcance) alojadas en el
pulmón no tienen relación con la dosis
máxima para el pulmón entero y provocaría un
daño no deseado ni previsto. La situación es
distinta cuando a un paciente con bocio se le administran dosis
controladas de Yodo radioactivo, de modo que la
concentración en el tiroides genere un daño tal que
reduzca el tumor.
Precauciones en el Laboratorio
Radiológico.
El operador de un equipo de rayos X es responsable por
los usos que se le den a éste. Debe verificar que se
cumplan las normas de bioseguridad cuando un nuevo equipo se
instale, la calidad de las cubiertas protectoras, que el
potencial o energía aplicada a la salida del aparato sean
las correctas. Velar por que en todo momento se usa el equipo
protector (cubierta de plomo) y las placas de detección
personal cuando el equipo esta en uso; sensores deben estar
ubicados en regiones del cuerpo no protegidas por la coraza
protectora (como el cuello), o en regiones del cuerpo más
expuestas como las manos y antebrazos, si se trabaja en estrecha
proximidad con la radiación (una situación no
recomendable para el trabajo de rutina).
Al igual que las otras radiaciones ionizantes, el
operador debe exponerse lo mínimo posible. Jamás
debe exponerse en forma directa al haz de electrones. No debe
permanecer a menos de un metro de distancia del tubo o del
objetivo
irradiado cuando el equipo esta en operación a menos que
esté adecuadamente protegido. Haga uso de las barreras
protectoras, delantales plomados, guantes y anteojos.
Toda persona no esencial para el trabajo debe hacer
abandono de la sala antes de operar el equipo, y los esenciales
deben estar protegidos en forma adecuada (enfermeras, auxiliares,
acompañantes del enfermo necesarios para la mejor
exposición); debe existir, por lo tanto, a lo menos un
juego
protector extra en la sala. Ninguna persona puede ser empleada
en forma regular para sostener a los pacientes durante la
exposición. Debe existir un reloj que indique el
tiempo acumulado de exposición y que accione un
interruptor que apague en forma automática el equipo
cuando la exposición total llegue a un límite
previamente determinado.
La difracción y reflexión en los equipos
de rayos-X pueden ser particularmente peligrosos debido a la alta
intensidad del haz primario (Un exceso de 500.000 rads/min en la
salida del tubo). Si usted se ubica a una distancia de 66 cm de
un equipo de diagnóstico por radiaciones X, operado a
100 KV y 100 mA, la exposición es de aproximadamente 138
rads/min. La velocidad de irradiación en la tabla de
fluoroscopía, con un tubo trabajando a 80 KV y una
corriente de 1 mA no debe exceder 2,1 rads/min. Recuerde que
la luz reflejada puede ser tan penetrante como el haz de fotones
primario. Examine personalmente la corriente y el potencial
aplicado al tubo de radiaciones con intensificador
frecuentemente; puesto que en el uso de control
automático las radiografías salen excelentes, esto
por que el aparato tiende a aumentar la luminosidad de la
radiografía a costa de una mayor energía o
intensidad de radiación. Recuerde que el umbral de dosis
para producir eritema de la piel es 300 a 400 rads y la dosis
mínima para producir cataratas es 200 rads y una dosis de
750 rads presenta una alta incidencia en la formación de
cataratas.
Mantenga la unidad desconectada o bloqueada cuando no
este en uso, de modo de prever exposiciones accidentales. Las
áreas de trabajo deben marcarse con un letrero que diga
"Precaución Rayos-X". En zonas de tratamiento de pacientes
no debe sobredimensionar o abusar del uso de estas marcas. La
detección de fugas en los equipos de radiación
deben realizarse al menos una vez al año y cada vez que se
cambien piezas o se sospeche de ellas. El uso de las radiaciones
ionizantes, en el laboratorio clínico e
investigación radiobiológica, supera con creces el
riesgo que ellos implican para la humanidad. La tendencia actual
es eliminar en lo posible el uso de radionuclidos en el
laboratorio clínico, puesto que el costo
principalmente lo asume el personal que debe manipularlos, no la
humanidad toda.
Paulatinamente se ha ido reemplazando la
marcación con radionuclidos empleadas en ciertas
determinaciones analíticas de RIA, por marcadores
enzimáticas o fluorescentes (peroxidasas; fluoresceina).
En otras aplicaciones, como las radiografías con rayos X,
no se vislumbra un cambio en el corto plazo. Hasta ahora el
cúmulo de experiencia indica que una adecuada
manipulación de estas radiaciones minimizan el
riesgo.
Las personas que laboran con fuentes ionizantes deben
adquirir buenos hábitos de trabajo, minimizar al
máximo la exposición, cada cierto tiempo
discontinuar el trabajo con radiaciones y no relajar las normas
de seguridad.
TABLA 1 ALGUNOS EMISORES BETA MAS
CONOCIDOS
PARAMETROS | H3 | C14 | Ca45 | P32 | Sr90 |
Vida media | 12.28 a. | 5739 a. | 162.7 d. | 14.29 d. | 28.6 a. |
Energía Máxima (MeV) | 0.019 | 0.154 | 0.257 | 1.71 | 2.28 |
Rango en el aire (cm) | 0.6 | 23 | 46 | 610 | 853 |
Rango en el agua (cm) | 0.00006 | 0.029 | 0.06 | 0.8 | 1.10 |
Fracción* a través de la | — | 0.11 | 0.37 | 0.95 | 0.97 |
Dosis# (mrad/h) | — | 2.6 | 5.9 | 4.3 | 3.9 |
*Fracción que provoca
la muerte de
una capa de piel de una densidad de 7
mg/cm2.
#Velocidad de dosis de 1nCi/cm2
depositada sobre la superficie de la piel
ABSORCION: es el fenómeno por el cual la
radiactividad transfiere algo o toda su energía a
cualquier material a través del cual pasa.
ACTIVIDAD: es el número de desintegraciones
nucleares de un material dado por unidad de tiempo.
ALFA PARTICULA: es una fuerte partícula ionizante
emitida desde un núcleo pesado durante el decaimiento
radiactivo que tiene una masa y carga igual al núcleo del
He.
BETA PARTICULA : es una partícula cargada que es
emitida desde el núcleo de un átomo en proceso de
estabilización, es técnicamente un
electrón.
BREMSSTRAHLUNG: es la radiación
electromagnética asociado con el poder de frenado de una
partícula cargada que pasa a través de la materia.
Este efecto es habitualmente encontrado en emisores ß de
alta energía.
CUENTAS: es la indicación externa de un
registrador para enumerar los eventos
ionizantes en un período determinado, este termino es
erróneamente usado para indicar una desintegración,
un pulso de voltaje.
CURIE: es una unidad de medición de la actividad
de una muestra radiactiva, y corresponde a un número
finito de desintegraciones por unidad de tiempo.
DOSIS: es un término general que denota la
cantidad de radiación o energía absorbida por una
cantidad específica de materia.
DOSIS ABSORBIDA: es la energía cedida a la
materia por energía ionizante por unidad de masa. La
unidad de dosis absorbida es el rad (100 ergs/gramo).
DOSIS EQUIVALENTE: es una unidad de dosimetría
para medir el daño biológico, la unidad en que se
expresa la dosis equivalente es el rem; el cual es
numéricamente igual al producto de la dosis absorbida por
el factor de calidad, y otros factores.
DECAIMIENTO RADIACTIVO: es el fenómeno por el
cual un núcleo inestable emite radiaciones y
emisión espontánea de partículas.
EFICIENCIA: es la medición de la probabilidad de
que las desintegraciones sean registradas por un detector
asociado a un instrumento que cuantifica la radiactividad.
Depende de otros factores tales como energía de la
radiación, ventana del monitor,
etc.
ELECTRON VOLT: es una unidad de energía, que
equivale a la energía ganada por un electrón cuando
es sometido a una diferencia de potencial de 1 volt.
EFECTO FOTOELECTRICO: es la pérdida de
energía de la radiación G cuando interacciona con la materia, y se
observa la emisión de una partícula cargada desde
el núcleo de un átomo, generalmente
electrones
EFECTO COMPTON: es un fenómeno muy parecido al
efecto fotoeléctrico, solo que el fotón proveniente
de una radiación G interactúa con electrones orbitales
externos del átomo transfiriendo parte de su
energía
GAMMA RAYOS : es radiación
electromagnética de longitud de onda muy corta y de alto
poder penetrante, generalmente asociada al proceso de decaimiento
radiactivo de núcleos pesados.
GEIGER-MUELLER : es un detector de radiación
ionizante utilizado fundamentalmente para medir radiaciones
originadas por emisores a .
IONIZACION: es el proceso por el cual un átomo
neutro adquiere tanto una carga positiva o negativa por un agente
externo.
ISOTOPOS: núcleos que tienen un mismo
número de protones en su núcleo, y por lo tanto, su
número atómico, pero difieren en el número
de neutrones, y por lo tanto en el número másico.
Poseen idénticas propiedades químicas que el
elemento natural.
VIDA MEDIA: es el tiempo requerido para que una especie
radiactiva disminuye en un 50% la actividad inicial. Es un valor
típico para cada especie radiactiva.
Elements of Physics. A.W. Smith and J.N. Cooper.
Editorial McGraw-Hill Company New York. (1964)
Principles and Techniques of Practical Biochemistry. K.
Wilson and K.H. Goulding. Edward Arnold (Publishers) London,
England (1987)
PROF. JOSE LUIS LIBERONA L.
Programa Disciplinario de Fisiología y Biofísica
ICBM, Facultad de Medicina U. De
Chile