Radiación ionizante

Señales de advertencia según ISO 7010 contra sustancias radiactivas o radiaciones ionizantes (también en contenedores blindados)

Señales de advertencia según ISO 21482 directamente sobre sustancias radiactivas peligrosas

La radiación ionizante (también radiación ionizante ) es un término para cualquier partícula o radiación electromagnética que es capaz de eliminar electrones de átomos o moléculas (principalmente a través de procesos de colisión) para que permanezcan iones cargados positivamente o residuos moleculares ( ionización ).

Algunas radiaciones ionizantes emanan de sustancias radiactivas . El término abreviado radiación radiactiva a veces se usa coloquialmente para ellos . Esta radiación también se llama radiación nuclear .

La designación como radiación ionizante se remonta a Joseph John Thomson , quien anunció el 27 de febrero de 1896 que los rayos X dividen las moléculas del aire en partículas cargadas eléctricamente y describió esto como "el aire está ionizado".

Tipos de radiaciones ionizantes

La radiación ionizante es cualquier radiación cuya energía cinética (en el caso de las partículas) o cuántica (en el caso de las ondas) es suficiente para liberar electrones de un átomo o molécula, también a través de reacciones intermedias. Para generar la energía de ionización requerida para esto , la energía cuántica o de partículas generalmente tiene que ser más de aproximadamente 5 electronvoltios (eV).

• En el espectro electromagnético, esto corresponde a longitudes de onda inferiores a aproximadamente 250 nm; por lo tanto sólo tienen los rayos cósmicos ( radiación cósmica ), radiación gamma , radiación de rayos X y de onda corta la radiación ultravioleta suficiente energía cuántica a electrones de los proyectiles atómicos para resolver y así Los enlaces covalentes se separan. Por el contrario, las ondas de radio , las ondas de radar, las microondas , la radiación infrarroja o la luz visible no son radiaciones ionizantes, porque no pueden cambiar o descomponer de forma permanente las moléculas (aparte de las sustancias especiales sensibles a la luz). Las moléculas que serían descompuestas por fotones de baja energía no podrían existir en condiciones normales .
• Los protones , electrones u otras partículas cargadas libres se cuentan como radiación ionizante de una energía cinética de aproximadamente 5 eV. En consecuencia, la radiación alfa (núcleos de helio cargados positivamente) y la radiación beta (electrones cargados negativamente o positrones cargados positivamente) son siempre radiación ionizante.
• Debido a que son eléctricamente neutrales, los neutrones libres en sí mismos no tienen una interacción notable con los electrones. Sin embargo, se ionizan indirectamente a través de reacciones nucleares o procesos de dispersión en núcleos atómicos. La transferencia de impulso más eficaz de los neutrones rápidos tiene lugar en los núcleos de los átomos de hidrógeno, que tienen casi la misma masa ( colisión elástica ). Por eso, por un lado, el agua es un buen moderador ; por otro lado, los neutrones rápidos son particularmente peligrosos para los tejidos vivos porque siempre contienen agua (por ejemplo, en el citosol ). Cada molécula de agua (H ₂ O) contiene dos átomos de hidrógeno (H).

Interacción con la materia

La materia protege la radiación ionizante mediante la absorción .

El mecanismo del mismo nombre, la ionización, es la liberación de electrones de las capas atómicas. La radiación ionizante se divide aproximadamente en radiación ionizante suelta y densa : la radiación de partículas masivas (protones e iones) es densamente ionizante porque las partículas liberan energía casi continuamente al medio penetrado en su camino y lo ionizan en el proceso. Los fotones (es decir , rayos X o rayos gamma ) se ionizan finamente. Si hay suficiente energía transferida al electrón liberado, se habla de un electrón delta , que a su vez puede ionizarse a sí mismo. Los electrones de alta energía se generan en la materia más allá de bremsstrahlung , que actúa también como ionizante. La radiación de electrones también se cuenta como radiación poco ionizante. Las trayectorias de las partículas de radiación cargadas ionizantes se pueden observar en una cámara de niebla como rastros de niebla .

Cuanto más densamente se ioniza un tipo de partícula, más pronunciado es el aumento característico de la capacidad de transferencia / frenado de energía lineal , es decir, I. la producción de energía por distancia, hacia el final del camino ( pico de Bragg ).

	partículas cargadas (por ejemplo, radiación alfa y radiación beta ): ionizantes directamente
	partículas no cargadas (por ejemplo, radiación gamma y radiación de neutrones ): ionizantes indirectamente
Interacción de la radiación ionizante con la materia: En el caso del neutrón incidente, se muestran algunos procesos intermedios típicos en material que contiene hidrógeno. Los cuantos gamma están representados por líneas onduladas, las partículas cargadas y los neutrones por líneas rectas o líneas rectas. Los círculos pequeños representan procesos de ionización.

Los fotones (gamma quanta) no se ionizan continuamente en su camino como partículas alfa o beta. La interacción de un cuanto gamma con la materia se produce a través de uno de los siguientes tres procesos:

1. Efecto de foto : con el efecto de foto, el fotón expulsa un electrón de la capa de un átomo.
2. Efecto Compton : con cada dispersión Compton, el fotón emite energía a un electrón golpeado y vuela en una dirección diferente con energía reducida.
3. Formación de pares : en la formación de pares, el fotón desaparece; su energía conduce a la formación de un par partícula-antipartícula.

Procesos de interacción de la radiación gamma en función de la energía y el número atómico

A bajas energías y grandes números atómicos predomina el efecto fotoeléctrico, a altas energías y grandes números atómicos la formación de pares, entre 0,1 y 20 MeV para elementos ligeros la dispersión de Compton (ver diagrama). Si la energía del fotón es lo suficientemente alta, también se pueden liberar protones o neutrones rápidos a través del fotoefecto nuclear y se pueden formar radionucleidos .

La radiación ionizante rompe los compuestos químicos y se crean radicales altamente reactivos . Aquí es donde radica su efecto biológicamente dañino. La radiólisis del agua es de particular importancia para la biología de las radiaciones . Las especies reactivas de oxígeno generadas de esta manera son responsables del llamado efecto de oxígeno . Reaccionan con moléculas como las enzimas o el ADN , lo que las inactiva o daña y puede ser necesario repararlas . A diferencia de la radiación ionizante fina, la radiación ionizante densa crea un daño complejo en el ADN que es mucho más difícil de reparar, con múltiples daños individuales en las inmediaciones, lo que conduce a una mayor eficacia biológica relativa , que se tiene en cuenta en la protección radiológica a través de una mayor factores de ponderación de la radiación .

Exposición de la población a las radiaciones

Fuentes naturales de radiación

La exposición a las radiaciones ionizantes de fuentes naturales lleva a los residentes de Alemania, dependiendo de la situación de vida (hogar, etc.) a una dosis equivalente de 1 a 10 mSv por año. Se trata principalmente de rayos cósmicos y radiación de sustancias radiactivas que se producen naturalmente en la corteza terrestre, los materiales de construcción y la atmósfera, p. Ej. B. los isótopos radiactivos de los elementos vitales carbono y potasio . El propio cuerpo humano también contiene una pequeña cantidad de estas sustancias radiactivas, que el metabolismo mantiene constante.

• Radiactividad de origen natural:
  • Radón (puede acumularse especialmente en las habitaciones del sótano)
  • Potasio -40 y otros radionucleidos en piedras y materiales de construcción
  • partículas radiactivas incrustadas en los alimentos
  • contenido de carbono 14 natural en los alimentos y el aire
• Radiación cósmica : principalmente partículas de carga rápida, la radiación secundaria a través de la interacción con la atmósfera llega a la superficie de la tierra; responsable z. B. por exposición a la radiación durante el tráfico aéreo. La carga aumenta con la altura sobre el nivel del mar.
• Radiación del sol : ultravioleta (el UV-B se absorbe casi por completo, pero aún conduce a quemaduras solares , entre otras cosas ; el UV-C se absorbe completamente en la atmósfera y, al romper el oxígeno molecular, conduce a la capa de ozono), la radiación de partículas ( viento solar ) conduce a las auroras.

Civilizando las fuentes de radiación

La dosis anual de fuentes de radiación civilizadoras es, en promedio, del mismo orden de magnitud que la natural. Ella es de

• aplicaciones de radiación médica, como rayos X o radioterapia ,
• material radiactivo liberado en pruebas anteriores de armas nucleares o accidentes nucleares como Chernobyl ,
• Reactores nucleares y aceleradores de partículas .

Los rayos X también surgen inevitablemente como un "subproducto" en dispositivos en los que los electrones se aceleran con alto voltaje, como pantallas de tubos , microscopios electrónicos , transmisores de radar o sistemas de soldadura por haz de electrones . Existe una opinión al respecto del Consejo Asesor Médico sobre “Enfermedades Profesionales” del Ministerio Federal de Trabajo y Asuntos Sociales de Alemania.

efecto

Tamaños y unidades de medida

Dosis absorbida

La dosis absorbida es la de un objeto irradiado, p. Ej. B. tejido corporal, cantidad de energía absorbida por unidad de masa durante un período de estrés. Depende de la intensidad de la irradiación y la capacidad de absorción de la sustancia irradiada para el tipo y energía de radiación dados.

• Unidad SI : Gray Gy; 1 gris = 1 J / kg (radiación no ponderada de una fuente)

Dosis de iones

La dosis de iones es una medida de la fuerza de la ionización, expresada por la carga liberada por masa de la sustancia irradiada.

• Unidad SI : C / kg ( culombio por kilogramo )

Dosis equivalente

La dosis equivalente es una medida de la fuerza del efecto biológico de una determinada dosis de radiación; su validez se limita al uso en protección radiológica . Por tanto, dosis equivalentes del mismo tamaño son comparables en términos de su efecto sobre los seres humanos, independientemente del tipo y la energía de la radiación.

La dosis equivalente se obtiene multiplicando la dosis absorbida en gris por el factor de ponderación de la radiación (anteriormente llamado factor de calidad), que describe de forma simplificada la eficacia biológica relativa de la radiación en cuestión. Depende del tipo y energía de la radiación. Por ejemplo, el factor de ponderación de la radiación para la radiación beta y gamma es 1; la dosis equivalente en Sv es numéricamente igual a la dosis absorbida en Gy. Para otros tipos de radiación, se aplican factores de hasta 20 (consulte la tabla en el factor de ponderación de la radiación).

• Unidad SI : Sievert Sv; 1 Sv = 1 J / kg

Ver también: orden de magnitud (dosis equivalente)

Efecto biológico

Los radicales generados por radiación ionizante suelen causar un daño mayor a través de reacciones químicas posteriores que la destrucción de la primera molécula por radiación sola. Este efecto es deseable , por ejemplo, en la lucha contra el cáncer , porque favorece la muerte de las células afectadas, en este caso idealmente células tumorales. El Radonbalneologie fija del gas noble en el efecto terapéutico de radón en ciertas enfermedades.

Las opiniones difieren sobre el alcance de la nocividad:

• La enfermedad por radiación se produce por una exposición a corto plazo de alrededor de 0,2 a 1,0  Sv . 4  Sv como irradiación a corto plazo son fatales en el 50% de los casos, 7 Sv son definitivamente fatales. Se manifiesta en un sistema inmunológico debilitado y quema . Sin duda, a partir de una alta dosis de radiación (superior a unos 2  Sv ) se destruyen tantas moléculas con funciones biológicas a la vez que las células afectadas ya no son viables. También se crean demasiadas sustancias tóxicas a partir de la descomposición de moléculas que matan a la célula. A nivel molecular, entre otras cosas, está involucrado el efecto dañino de los radicales provocados por la radiólisis . Como consecuencia a largo plazo, también son frecuentes los cambios en el material genético , que con cierta probabilidad pueden conducir al cáncer , pero sobre todo a mutaciones que pueden provocar malformaciones en la descendencia o embriones / fetos en desarrollo así como esterilidad total (infertilidad ) (ver también riesgo de radiación ).
• A dosis de vida promedio de alrededor de 0.1  Sv , que corresponde aproximadamente a la dosis que una persona ingiere en el transcurso de 76 años debido a la radiación natural constante de (en Alemania) hasta 1.3 mSv / a, no hay observaciones sorprendentes porque aparentemente todos los seres vivos se han adaptado a él en el curso de la evolución.
• Los efectos de dosis muy bajas alrededor de 0.02  Sv son controvertidos:
  1. Algunos expertos sugieren que la nocividad de la radiación ionizante disminuye linealmente al disminuir la dosis. Dado que el riesgo de morir de cáncer solo aumenta en 1 ‰ a 0.02  Sv según el modelo lineal, se necesitarían millones de personas de prueba para obtener evidencia estadística confiable. Tal prueba no es posible.
  2. Significativamente menos científicos están registrando indicios de que una menor exposición a la radiación también puede causar un daño mayor; por ejemplo, porque el sistema inmunológico "se duerme" debido a la falta de actividad y aumenta la susceptibilidad a las enfermedades. Es controvertido si una reducción en la exposición a la radiación natural puede promover la enfermedad (ver Hormesis ).

La radiación alfa tiene sobre los tejidos vivos por su poder ionizante un efecto dañino particularmente alto, pero tiene que airearse en un rango de solo unos pocos centímetros y puede estar completamente blindado con una simple hoja de papel (el mismo propósito cumple con las escamas de piel muerta superiores) , por lo que los emisores alfa que se encuentran fuera del cuerpo humano son en gran medida inofensivos. Los emisores alfa son peligrosos cuando entran en contacto directo con tejidos vivos. Una forma de hacerlo es inhalar aerosoles que se absorben a través de las membranas mucosas de las vías respiratorias; El polvo radiactivo se almacena en los pulmones y puede causar cáncer allí. Debido a sus propiedades químicas, el gas noble radón no se almacena en el cuerpo, pero está en peligro por la desintegración radiactiva en los pulmones durante la inhalación . Si un emisor alfa muy potente (vida media de unos pocos días o menos) ha sido ingerido a través de los alimentos o inyectado en el torrente sanguíneo, incluso unos pocos microgramos pueden ser fatales para los seres humanos.

Además, la radiación ultravioleta puede actuar como ionizante porque los componentes de longitud de onda más corta, debido a que la capa de ozono solo alcanza una pequeña proporción del sol en la superficie de la tierra, aumentan el riesgo de cáncer de piel.

Otros efectos

La radiación ionizante puede provocar errores en los circuitos microelectrónicos (chips) (errores de bits en la RAM, etc.). Estos errores ocurren con mayor frecuencia cuanto más bajas son las cargas de los componentes respectivos. Por tanto, son los más perturbadores en estructuras muy pequeñas. La estabilidad frente a tales errores es un criterio de diseño importante. Deben tomarse las medidas de protección adecuadas, especialmente para su uso en el espacio.

Aplicaciones biológicas y químicas de las radiaciones ionizantes

En biología se utiliza principalmente el efecto mutante y esterilizante. En el fitomejoramiento, por ejemplo, se generan “mutaciones inducidas por radiación” ( mutagénesis ), que pueden producir especies modificadas . Un campo de aplicación es la " tecnología de insectos estériles ", o SIT para abreviar. Las plagas de insectos machos se esterilizan mediante radiación gamma y luego se liberan en el área objetivo. La ausencia de descendencia conduce a una disminución de la población. La ventaja aquí es que no se utilizan productos químicos nocivos y otros insectos no se ven afectados.

La radiación ionizante también es adecuada para la esterilización de dispositivos, implantes, alimentos y agua potable. Esto mata los microorganismos. Sin embargo, se aplican requisitos estrictos a la esterilización de alimentos por radiación. El crecimiento de una plántula puede mejorarse mediante una radiación débil, mientras que la radiación excesiva tiene un efecto inhibidor del crecimiento.

En la producción de polímeros , la irradiación permite la reticulación sin generar calor. Los componentes grandes también se pueden conectar en red con radiación que penetra mucho. Entre otras cosas, se utilizan radiación beta (materiales aislantes reticulados por radiación) y radiación ultravioleta (endurecimiento de capas de laca de resina sintética). Cuando se agregan activadores, algunas reacciones poliméricas también pueden iniciarse mediante irradiación con luz visible.

La radiación ionizante puede provocar cambios de color en piedras preciosas, vidrios y plásticos pigmentados. En cristales como el corindón , esto se hace creando centros de color .

La fotolitografía (u a en la .. Microelectrónica - y fabricación de placas de circuito impreso ) utiliza reacciones de reticulación (resistencia positiva) o reacciones de descomposición (resistencia negativa) que son causadas por radiación ultravioleta, rayos X, iones o beta.

La radiación ultravioleta se puede utilizar para libre de cloro de blanqueo de celulosa . Los componentes colorantes (suciedad) de los tejidos se descomponen químicamente y se convierten en sustancias volátiles o lavables.

Protección de radiación

Los seres humanos no pueden percibir la radiación ionizante directamente, ya sea de fuentes radiactivas o de otro tipo. Por tanto, se requiere especial cuidado para una protección radiológica eficaz al manipular materiales radiactivos. Proteger, mantener una gran distancia y restringir el tiempo en el campo de radiación ( regla 3-A ), si es necesario, es útil el uso de dispositivos de medición y advertencia ( dosímetros ).

literatura

• Hanno Krieger: Conceptos básicos de física de la radiación y protección radiológica . 4a edición, Springer 2012, ISBN 978-3-8348-1815-7 .

enlaces web

• El "Glosario de protección radiológica" del Centro de Investigación de Jülich explicaba muchos términos en torno (etc. unidades, términos de dosis, radiación alfa, beta, gamma, protección radiológica) a la radiación ionizante.

Evidencia individual

1. ^ Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. Una vida al servicio de la ciencia. Una documentación con apreciación científica de Walther Gerlach . Imprenta de la empresa de Franconia, Würzburg 1970, p. 55.
2. ^ Manual de Física de Oncología Radioterápica OIEA, División de Salud Humana, Dosimetría y Física Médica de las Radiaciones. Capítulo 19, p. 487. Consultado el 2 de marzo de 2015.
3. ↑ Riesgos para la salud por exposición a niveles bajos de radiación ionizante Comité para evaluar los riesgos para la salud por exposición a niveles bajos de radiación ionizante, Junta de Efectos de Radiación, División de Investigación sobre Estudios de la Tierra y la Vida, Consejo Nacional de Investigación de las Academias Nacionales. ISBN 0-309-09156-X (rústica), ISBN 0-309-53040-7 (pdf). P. 19. Consultado el 2 de marzo de 2015.
4. ↑ Eric J. Hall, Amato J. García: Radiobiología para el radiólogo, séptima edición, Lippincott Williams & Wilkins 2012, ISBN 978-1-4511-5418-4 .
5. ↑ Opinión científica sobre enfermedades causadas por radiaciones ionizantes
6. ↑ Ray F. Evert, Susan E. Eichhorn: Meristemas de la anatomía vegetal de Esaus, células y tejidos de las plantas: su estructura, función y desarrollo . Walter de Gruyter, 2009, ISBN 978-3-11-020592-3 , pág. 108 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
7. ↑ Claus Grupen, Tilo Stroh, Ulrich Werthenbach: Curso básico sobre protección radiológica, conocimientos prácticos para el manejo de sustancias radiactivas . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-540-75849-5 , pág. 191 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
8. ↑ Heinz M. Hiersig : Ingeniería de producción de Lexicon, ingeniería de procesos . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-57851-9 , pág. 85 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
9. ↑ Werner Stolz: Conceptos básicos de radiactividad - Medición - Aplicaciones . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-01497-3 , págs. 166 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
10. ↑ Hans J. Mair: Plásticos en desarrollo de tecnología de cables, pruebas, experiencia, tendencias; con 34 mesas . Expert Verlag, 1999, ISBN 978-3-8169-1511-9 , pág. 279 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
11. ↑ Bodo Müller, Johann Georg Leutmann, Ulrich Poth: Formulación de pintura y receta de pintura, el libro de texto para entrenamiento y práctica . Vincentz Network GmbH & Co KG, 1978, ISBN 978-3-87870-170-5 , pág. 239 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
12. ↑ Florian Neukirchen: Gemstones Testigos brillantes de la exploración de la tierra . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8274-2922-3 , págs. 9 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
13. ↑ Andreas Risse: Procesos de fabricación en mecatrónica, ingeniería de precisión y tecnología de dispositivos de precisión . Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-8348-8312-4 , pág. 524 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google).