RADIACIONES IONIZANTES Y PROTECCIÓN RADIOLÓGICA

Eduardo Gallego Díaz
Dr. Ingeniero Industrial. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid. Departamento de Ingeniería Nuclear - Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.

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INTRODUCCIÓN

La radiación ionizante, por su propia naturaleza, produce daños en los seres vivos. Desde el descubrimiento de los rayos X por Roentgen en 1895 y de la radiactividad por Becquerel, en 1896, los conocimientos sobre sus efectos han ido avanzando a la par que los estudios sobre las propias radiaciones y sobre la esencia de la materia misma, no siempre sin episodios desgraciados.

El propio Becquerel sufrió daños en la piel causados por la radiación de un frasco de radio que guardó en su bolsillo. Marie Curie , merecedora en dos ocasiones del Premio Nobel por sus investigaciones sobre las propiedades de las sustancias radiactivas, falleció víctima de leucemia, sin duda a causa de su exposición a la radiación. Más de trescientos de los primeros trabajadores en este campo murieron a causa de las dosis recibidas, con casos significativos como el de los pintores que dibujaban con sales de radio los números en las esferas luminosas de los relojes y mirillas de cañones, afinando el pincel con la boca, que en su mayoría desarrollaron cáncer de mandíbula.

El empleo de la bomba atómica en Hiroshima y Nagasaki produjo la irradiación de las poblaciones supervivientes a la explosión, con secuelas que aún continúan siendo estudiadas y son fuente de valiosa información acerca de los efectos biológicos producidos por la radiación a largo plazo. La utilización de las radiaciones en medicina, con fines terapéuticos o de diagnóstico, constituye sin duda uno de los aspectos más destacados del beneficio que éstas suponen para la Humanidad, pero en su desarrollo también se causaron exposiciones a los pacientes, que en la actualidad serían injustificables, provocando en ciertos casos el desarrollo de daños atribuibles a la radiación recibida.



Toda esa experiencia negativa sin duda ha ido creando en el subconsciente colectivo una idea deformada sobre la radiación y la radiactividad, que se perciben como intrínsecamente peligrosas, con independencia del tipo de radiación, de la cantidad recibida o del motivo por el que se reciba. Además, a nivel popular, suele desconocerse que radiación y radiactividad forman parte de la Naturaleza y de nuestro propio cuerpo, siendo vistas en general como un nefasto invento del Hombre.

Sin embargo, la radiactividad es uno de los grandes descubrimientos del hombre contemporáneo, y a la par que se fueron conociendo sus efectos, también se fueron encontrando aplicaciones de gran utilidad, en las que las sustancias radiactivas o los aparatos emisores de radiaciones ionizantes resultan insustituibles: además de la medicina, la agricultura, la industria, las ciencias de la tierra, la biología y otras muchas ramas dependen hoy en día en muchos aspectos de su utilización.

Esta lección presenta la naturaleza de la radiación ionizante y los efectos que causa sobre la materia y en particular los tejidos vivos, los procedimientos para su detección y medida, así como las diferentes fuentes de radiación, naturales y artificiales, a las que los seres humanos estamos expuestos. A consecuencia de todo ello es necesario protegerse adecuadamente, para evitar sufrir daños, pero sin limitar innecesariamente la utilización beneficiosa que se puede hacer de la radiación y las sustancias radiactivas en numerosos ámbitos. Ese es el objetivo de la Protección Radiológica, cuyos principios y métodos serán también revisados a lo largo de la lección.



LA RADIACIÓN IONIZANTE.

La emisión de radiaciones ionizantes es una característica común a muchos átomos en cuyo núcleo el número de neutrones resulta escaso o excesivo, lo que les hace inestables. Esos átomos son llamados "radiactivos". En ellos, las ligaduras nucleares se transforman en busca de configuraciones más estables, a la vez que se libera energía, asociada a la radiación emitida. Esta puede ser de cuatro tipos fundamentales: partículas alfa (α), que consisten en dos protones y dos neutrones, con capacidad limitada de penetración en la materia, pero mucha intensidad energética; partículas beta (β), que son electrones o positrones procedentes de la transformación en el núcleo, algo más penetrantes aunque menos intensas; radiación gamma (γ), que es radiación electromagnética del extremo más energético del espectro, por tanto muy penetrante; y neutrones, que al no poseer carga eléctrica también son muy penetrantes.

La velocidad con que dichas transformaciones tienen lugar en una sustancia radiactiva se denomina actividad, y se medirá como el número de átomos que se desintegran por unidad de tiempo, teniendo como unidad natural (1 desintegración / segundo) al Becquerel, así llamado en honor al descubridor de la radiactividad. Una unidad anteriormente utilizada, pero que no pertenece al Sistema Internacional, es el Curie, correspondiente a la actividad existente en un gramo de 226Ra (3,7·1010 desintegraciones / segundo). El Becquerel (abreviadamente Bq) es una unidad muy pequeña y de poco uso práctico (sería como medir longitudes o distancias en micras), baste decir que nuestro propio organismo contiene aproximadamente 4.000 Becquerel de 40K, por lo que siempre se emplean sus múltiplos. Por el contrario 1 Curie (Ci) es una actividad considerable, e incluso peligrosa según las sustancias, por lo que se emplean a menudo sus submúltiplos. Para sustancias radiactivas cuya concentración sea inferior a 100 Bq/g o sustancias naturales sólidas de menos de 500 Bq/g, la
reglamentación vigente no exige ningún tipo de declaración o autorización (ref. 6), al considerarse prácticamente inocuas.




2.1. Interacción de la radiación con la materia.
A su paso por la materia, la radiación sufre distintos tipos de interacción, según su naturaleza. Si bien el tratamiento detallado de las interacciones entre las radiaciones y los medios materiales es un tema de extremada complejidad, para partículas cargadas (α y β) puede afirmarse que la interacción básica responde a la Ley de Coulomb entre cargas eléctricas, la cual da lugar a dos fenómenos elementales: la excitación atómica (o molecular) y la ionización. En el primero, los electrones corticales son impulsados a un nivel superior, volviendo posteriormente al estado inicial tras emitir fotones luminosos. En el segundo, los electrones son expulsados del átomo o molécula, según se ilustra en la figura 3.
Las partículas pesadas (α y protones fundamentalmente) experimentan un frenado dependiente de su carga y su velocidad. La cesión de energía y la ionización producida en el medio no son constantes a lo largo de su trayectoria, resultando mayores cuanto más lenta vaya la partícula. A la vez, el alcance en cualquier medio material será muy limitado, de unos centímetros en el aire, o sólo unas micras en el tejido, no pudiendo atravesar la piel. Sin embargo, esta combinación de una alta densidad de producción de iones y corto alcance confiere a los radionucleidos emisores α una gran peligrosidad intrínseca en el caso de ser ingeridos o inhalados, ya que el daño celular resultante será muy intenso. Para los electrones, el alcance aumenta a unos metros en aire, y al espesor de la piel en el cuerpo humano, no pudiendo sobrepasar el tejido subcutáneo.

 

Figura 3.- Esquema de un proceso de ionización.
En el caso de los fotones, su energía puede ser absorbida por el medio mediante tres procesos fundamentales: el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la producción de pares electrón-positrón, cuyas probabilidades de ocurrencia dependen de la energía inicial de los fotones. Todos ellos originan la aparición de partículas cargadas, con lo cual se desarrollarán posteriormente las interacciones comentadas anteriormente. El efecto fotoeléctrico supone la absorción de toda la energía del fotón por el átomo. Esa energía es transferida a un electrón cortical, que resulta expulsado del átomo. El efecto Compton puede interpretarse como una colisión elástica del fotón incidente con un electrón, en la que una parte de la energía del fotón será transferida al electrón como energía cinética, saliendo el fotón en distinta dirección a la inicial, con menor energía y frecuencia (mayor longitud de onda). Este efecto es más probable para energías intermedias de los fotones (entre 0'5 y 10 MeV aproximadamente), disminuyendo el rango de energías al aumentar el número atómico del absorbente. Por último, el proceso de formación de pares electrón-positrón consiste en la materialización de parte de la energía de un fotón en un par de partículas (electrón-positrón) que se reparten la energía sobrante; es un proceso que solamente puede producirse dentro del campo eléctrico del núcleo atómico y para energías superiores a 1,022 MeV. El alcance de la radiación γ en aire puede llegar a los centenares de metros, pudiendo traspasar el cuerpo humano, y hasta varios centímetros de plomo.
Con respecto a los neutrones, al carecer de carga eléctrica, solamente pueden interaccionar con los núcleos de los átomos mediante las diferentes reacciones posibles (de dispersión elástica, de dispersión inelástica, de captura radiactiva, de transmutación o de fisión). Puesto que los núcleos ocupan una fracción ínfima del volumen total de la materia, los neutrones podrán desplazarse distancias relativamente grandes antes de interaccionar, resultando ser muy penetrantes (véase la Fig. 4 que compara la capacidad de penetración de los distintos tipos de radiación).

 

Figura 4.- Capacidad de penetración de los distintos tipos de radiación en la materia.
La atenuación que sufre la radiación a su paso por la materia dependerá fundamentalmente de dos factores:
• el factor geométrico, que hace que con la distancia entre la fuente y el objeto la radiación sea cada vez más débil, generalmente en proporción inversa al cuadrado de la distancia;
• el factor material, que dependerá del tipo y energía de la radiación y de la composición del material, lo que afecta a la probabilidad de interacción. Generalmente este último factor de atenuación suele tomar forma exponencial negativa con la distancia recorrida.
De acuerdo con lo anterior, para el manejo seguro de fuentes emisoras de radiación ionizante, habrá que jugar con la distancia a las que éstas se sitúen y con los materiales que proporcionen un blindaje adecuado, al facilitar la interacción y la cesión de la energía de la radiación en los mismos. De tal manera que distancia, blindaje y tiempo constituyen los tres puntos clave del manejo seguro de fuentes radiactivas (Fig. 5).