Radiación ionizante

Radiación Ionizante Cuando comúnmente se habla de radiación uno se refiere a la radiación ionizante. La radiación ionizante se produce desde el interior de los átomos y está formada por partículas y ondas de alta energía. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

El Átomo Ejemplo – Néon-20 El Núcleo contiene neutrones y protones A typical model of the atom is called the Bohr Model, in honor of Niels Bohr who proposed the structure in 1913. The Bohr atom consists of a central nucleus composed of neutrons and protons, which is surrounded by electrons which “orbit” around the nucleus. Protons carry a positive charge of one and have a mass of about 1 atomic mass unit or amu (1 amu =1.7e10-27 kg, a very, very small number). Neutrons are electrically “neutral” and also have a mass of about 1 amu. In contrast electron carry a negative charge and have mass of only 0.00055 amu. The number of protons in a nucleus determines the element of the atom. For example, the number of protons in uranium is 92 and the number in neon is 10. The proton number is often referred to as Z. Atoms in nature are electrically neutral so the number of electrons orbiting the nucleus equals the number of protons in the nucleus. Neutrons make up the remaining mass of the nucleus and provide a means to “glue” the protons in place. Without neutrons, the nucleus would split apart because the positive protons would repel each other. Elements can have nucleii with different numbers of neutrons in them. For example hydrogen, which normally only has one proton in the nucleus, can have a neutron added to its nucleus to from deuterium, ir have two neutrons added to create tritium, which is radioactive. Atoms of the same element which vary in neutron number are called isotopes. Some elements have many stable isotopes (tin has 10) while others have only one or two. We express isotopes with the nomenclature Neon-20 or 2010N, with twenty representing the total number of neutrons and protons in the atom, often referred to as A, and 10 representing the number of protons (Z). Electrones Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Ionización è Daños biológicos Al golpear al material que irradia, se produce un proceso llamado ionización, que es la producción de iones del material irradiado. Los iones son partículas cargadas eléctricamente. Esta radiación ionizante afecta las moléculas químicas que forman los elementos vivos generando cambios biológicos importantes. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Tipos de Radiación Ionizante Papel Plástico Plomo Concreto Alfa Beta Rayos X y Gama Neutrones Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Partículas Alfa Son partículas emitidas espontáneamente desde los núcleos de elementos pesados como el Uranio. Debido a su relativamente gran tamaño, al interactuar con la materia pierden energía rápidamente, por lo que su poder de penetración es bajísimo, y pueden ser detenidos por una hoja de papel, o por la primera capa de piel. Sin embargo si estas partículas son absorbidas DENTRO del organismo humano, por respiración o tragándolas, pueden afectar las células del organismo, en forma incluso más dañina que otras radiaciones. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Radiación de Partículas Alfa Núcleo Hija Torio - 231 Núcleo Madre Uranio - 235 Partícula Alfa (Núcleo de Helio) Alpha decay is a radioactive process in which a particle with two neutrons and two protons is ejected from the nucleus of a radioactive atom. The particle is identical to the nucleus of a helium atom. Alpha decay only occurs in very heavy elements such as uranium, thorium and radium. The nucleii of these atoms are very “neutron rich” (i.e. have a lot more neutrons in their nucleus than they do protons) which makes emission of the alpha particle possible. After an atom ejects an alpha particle, a new parent atom is formed which has two less neutrons and two less protons. Thus, when uranium-238 (which has a Z of 92) decays by alpha emission, thorium-234 is created (which has a Z of 90). Because alpha particles contain two protons, they have a positive charge of two. Further, alpha particles are very heavy and very energetic compared to other common types of radiation. These characteristics allow alpha particles to interact readily with materials they encounter, including air, causing many ionizations in a very short distance. Typical alpha particles will travel no more than a few centimeters in air and are stopped by a sheet of paper. Show decay on chart of nuclides, Show smoke detector as application of alpha decay. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Partículas Beta Son partículas del tamaño de electrones generadas desde el núcleo del átomo. Por su gran energía y bajo tamaño pueden penetrar hasta 2 centímetros de piel humana. Pueden ser detenidas por una hoja de aluminio de un espesor de pocos milímetros. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Radiación de Partículas Beta Antineutrino Núcleo Hija Calcio-40 Núcleo Madre Potasio-40 Partícula Beta Beta decay is a radioactive process in which an electron is emitted from the nucleus of a radioactive atom, along with an unusual particle called an antineutrino. The neutrino is an almost massless particle that carries away some of the energy from the decay process. Because this electron is from the nucleus of the atom, it is called a beta particle to distinguish it from the electrons which orbit the atom. Like alpha decay, beta decay occurs in isotopes which are “neutron rich” (i.e. have alot more neutrons in their nucleus than they do protons). Atoms which undergo beta decay are located below the line of stable elements on the chart of the nuclides, and are typically produced in nuclear reactors. When a nucleus ejects a beta particle, one of the neutrons in the nucleus is transformed into a proton. Since the number of protons in the nucleus has changed, a new daughter atom is formed which has one less neutron but one more proton than the parent. For example, when rhenium-187 decays (which has a Z of 75) by beta decay, osmium-187 is created (which has a Z of 76). Beta particles have a single negative charge and weigh only a small fraction of a neutron or proton. As a result, beta particles interact less readily with material than alpha particles. Depending on the beta particles energy (which depends on the radioactive atom), beta particles will travel upto several meters in air, and are stopped by thin layers of metal or plastic. Show compact fluorescent light bulb as application of beta decay. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Rayos-X y Rayos Gama Estos rayos son ondas como la luz que viajan sin transmitir materia. Ambos tipos de rayos son idénticos, pero los Rayos X son producidos por movimientos de los electrones, y los Rayos Gama son producidos en el núcleo del átomo. Ambos rayos tienen un gran poder de penetración pudiendo pasar a través del cuerpo humano. Estos rayos pueden ser detenidos por barreras de concreto, de plomo o grandes piscinas de agua. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Radiación Rayos Gama Partícula Beta Núcleo Madre Cobalto-60 Núcleo Hija Níquel-60 Rayos Gama After a decay reaction, the nucleus is often in an “excited” state. This means that the decay has resulted in producing a nucleus which still has excess energy to get rid of. Rather than emitting another beta or alpha particle, this energy is lost by emitting a pulse of electromagnetic radiation called a gamma ray. The gamma ray is identical in nature to light or microwaves, but of very high energy. Like all forms of electromagnetic radiation, the gamma ray has no mass and no charge. Gamma rays interact with material by colliding with the electrons in the shells of atoms. They lose their energy slowly in material, being able to travel significant distances before stopping. Depending on their initial energy, gamma rays can travel from 1 to hundreds of meters in air and can easily go right through people. It is important to note that most alpha and beta emitters also emit gamma rays as part of their decay process. However, their is no such thing as a “pure” gamma emitter. Important gamma emitters including technetium-99m which is used in nuclear medicine, and cesium-137 which is used for calibration of nuclear instruments. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Producción de Rayos - X (Bremsstrahlung) Electrón Rayos-X Núcleo de Átomo Tungsteno Almost a century ago in 1895, Roentgen discovered the first example of ionizing radiation, x-rays. The key to Roentgens discovery was a device called a Crooke’s tube, which was a glass envelope under high vacuum, with a wire element at one end forming the cathode, and a heavy copper target at the other end forming the anode. When a high voltage was applied to the electrodes, electrons formed at the cathode would be pulled towards the anode and strike the copper with very high energy. Roentgen discovered that very penetrating radiations were produced from the anode, which he called x-rays. X-ray production whenever electrons of high energy strike a heavy metal target, like tungsten or copper. When electrons hit this material, some of the electrons will approach the nucleus of the metal atoms where they are deflected because of there opposite charges (electrons are negative and the nucleus is positive, so the electrons are attracted to the nucleus). This deflection causes the energy of the electron to decrease, and this decrease in energy then results in forming an x-ray. Medical x-ray machines in hospitals use the same principle as the Crooke’s Tube to produce x-rays. The most common x-ray machines use tungsten as there cathode, and have very precise electronics so the amount and energy of the x-ray produced is optimum for making images of bones and tissues in the body. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Neutrones Son partículas muy penetrantes. Estas partículas son producidas por la fisión o partición, de átomos dentro de un reactor nuclear. Pueden ser detenidos usando blindajes de agua y concreto. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Radiaciones cósmicas Es una gran variedad de partículas altamente energéticas que bombardean constantemente la Tierra desde el espacio exterior. Esta radiación es más intensa en la alta atmósfera y en las latitudes más cercanas a los polos, ya que la atmósfera nos protege de ellas. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Fuentes de radiación Los seres humanos hemos estado expuestos a la radiación proveniente de fuentes naturales desde la creación. Estas fuentes incluyen el suelo en el que vivimos, el aire que respiramos, los alimentos que tomamos, además de radiación que nos llega desde el espacio exterior. También tenemos elementos radiactivos naturales que forman parte de nuestro propio cuerpo. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Radiaciones recibidas Radioactividad Artificial < 18% Radioactividad Natural 82% Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Medición de las radiaciones ionizantes Como los sentidos del ser humano NO pueden “sentir” la radiación, existe una serie de instrumentos que pueden medir su potencia. La radiación ionizante se mide en dosis de radiación que el cuerpo humano recibe. Estas dosis de radiación se miden actualmente en milisievert (mSv) o antiguamente en rem, con una equivalencia de 1 rem= 10 mSv. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Protección a la Radiación La exposición a la radiación debe mantenerse a un mínimo para efectuar una labor. Existen límites de dosis máximas al año, que pueden recibir las personas en determinadas condiciones: Trabajador expuesto (radiólogo, minero de uranio) Público Los efectos son acumulativos, ya que no existe forma alguna de “quitar” el efecto de la radiación recibida. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu 11

Límites actuales en Chile De acuerdo a D/S 03 del 3.Ene.1985, Chile ha reglamentado los límites de dosis anuales de radiación que pueden recibir: Trabajadores expuestos: 50 mSv/año En el caso de mujeres en edad de procrear: No sobrepasar 12,5 mSv/trimestre En caso de mujeres embarazadas: No sobrepasar 5 mSv/período de gestación Público general : 5 mSv/año Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Exposición a radiaciones Los siguientes son ejemplos de exposiciones: Radiación natural a nivel de suelo: Cósmica 0,28 mSv/año Terrestre 0,50 mSv/año Interna 0,22 mSv/año Radiación por actividades humanas: Radiografía médica al pecho: 0,08 mSv c/u Radiografía dental: 0,10 mSv c/u Vuelo Santiago - Punta Arenas: 0,0158 mSv total Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Límites de radiación actuales en el mundo En 1990, la Comisión Internacional para la Protección Radiológica publicó el ICRP 60 que recomienda modificar los límites a los siguientes: Trabajadores expuestos : 20 mSv/año (promediado en 5 años) En caso de mujeres embarazadas: No sobrepasar 2 mSv/período de gestación, con máximo de 0,5 mSv /mes. Público general : 1 mSv/año Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Riesgos laborales en Chile Equipos de Rayos X: Industriales Médicos Dentales Equipos de Gamagrafía industrial Densitómetros Equipos medidores de nivel, en base a elementos radiactivos Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Riesgos laborales en Chile Rayos cósmicos En Australia se efectuó un estudio de las dosis de radiación cósmica recibidas por tripulaciones aéreas en vuelos comerciales utilizando aviones 737 y 767, y los resultados indican que las dosis recibidas al año por los tripulantes fueron: Pilotos 1.8 mSv/año Tripulantes de cabina 1.5 mSv/año Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu

Radiación ionizante Comentario final La vida en la Tierra se ha desarrollado siempre con la radiación natural de fondo. La utilización de la radiación como un elemento de ayuda para las actividades humanas, tanto en exámenes médicos o en actividades industriales debe hacerse considerando que su uso debe cumplir con las regulaciones en cuanto a los límites establecidos de dosis máximas permisibles. Dentro de esos límites la radiación nos entregará sus beneficios como lo ha hecho hasta el momento. Fernando Mujica Fernádez fmujica@alum.mit.edu