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Química 2ed

21.6 Efectos biológicos de la radiación

Química 2ed21.6 Efectos biológicos de la radiación
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Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir el impacto biológico de la radiación ionizante.
  • Definir las unidades para medir la exposición a la radiación.
  • Explicar el funcionamiento de las herramientas habituales para detectar la radiactividad.
  • Enumerar las fuentes comunes de exposición a la radiación en los EE. UU.

El aumento del uso de radioisótopos ha dado lugar a una mayor preocupación por los efectos de estos materiales en los organismos biológicos (como en el caso del cuerpo humano). Todos los nucleidos radiactivos emiten partículas de alta energía u ondas electromagnéticas. Cuando esta radiación entra en contacto con las células vivas, puede causar calentamiento, romper los enlaces químicos o ionizar las moléculas. Los daños biológicos más graves se producen cuando estas emisiones radiactivas fragmentan o ionizan las moléculas. Por ejemplo, las partículas alfa y beta, emitidas en las reacciones de decaimiento nuclear, poseen energías mucho más altas que las energías de los enlaces químicos ordinarios. Cuando estas partículas golpean y penetran en la materia, producen iones y fragmentos moleculares que son extremadamente reactivos. El daño que esto provoca en las biomoléculas de los organismos vivos puede causar graves disfunciones en los procesos celulares normales, lo que pone a prueba los mecanismos de reparación del organismo y puede causar enfermedades y hasta la muerte (Figura 21.30).

Figura 21.30 La radiación puede perjudicar el organismo biológico al dañar el ADN de las células. Si este daño no se repara adecuadamente, las células pueden dividirse de forma descontrolada y causar cáncer.

Radiación ionizante y no ionizante

Existe una gran diferencia en la magnitud de los efectos biológicos de la radiación no ionizante (por ejemplo, la luz y las microondas) y de la radiación ionizante, emisiones lo suficientemente energéticas como para desprender electrones de las moléculas (por ejemplo, las partículas α y β, los rayos γ, los rayos X y la radiación ultravioleta de alta energía) (Figura 21.31).

Figura 21.31 La radiación electromagnética de menor frecuencia y energía es no ionizante, y la de mayor frecuencia y energía es ionizante.

La energía que absorbe la radiación no ionizante acelera el movimiento de los átomos y las moléculas, lo que equivale a calentar la muestra. Aunque los organismos biológicos son sensibles al calor (como podemos saber por haber tocado una estufa caliente o haber pasado un día de playa al sol), es necesaria una gran cantidad de radiación no ionizante antes de que se alcancen niveles peligrosos. Sin embargo, la radiación ionizante puede causar daños mucho más graves al romper los enlaces o eliminar los electrones de las moléculas biológicas, ya que altera su estructura y función. El daño también puede producirse de forma indirecta, al ionizar primero el H2O (la molécula más abundante en los organismos vivos), que forma un ion de H2O+ que reacciona con el agua, para formar un ion hidronio y un radical hidroxilo.

Debido a que el radical hidroxilo tiene un electrón desapareado, es muy reactivo. (Este es el caso en cualquier sustancia con electrones desapareados, conocida como radical libre). Este radical hidroxilo puede reaccionar con todo tipo de moléculas biológicas (ADN, proteínas, enzimas, etc.), y causar daños a las moléculas y alterar los procesos fisiológicos. En la Figura 21.32 se muestran ejemplos de daños directos e indirectos.

Figura 21.32 Las radiaciones ionizantes pueden (a) dañar directamente una biomolécula al ionizarla o romper sus enlaces, o (b) crear un ion 2O+, que reacciona con el H2O para formar un radical hidroxilo, que a su vez reacciona con la biomolécula, lo que causa daños indirectamente.

Efectos biológicos de la exposición a la radiación

La radiación puede dañar todo el cuerpo (daño somático) o los óvulos y el esperma (daño genético). Sus efectos son más pronunciados en las células que se reproducen rápidamente, como el revestimiento del estómago, los folículos pilosos, la médula ósea y los embriones. Por ello, las pacientes sometidas a radioterapia suelen sentir náuseas o malestar estomacal, perder el cabello, tener dolores en los huesos, etc., y por ello hay que tener especial cuidado al someterse a la radioterapia durante el embarazo.

Los diferentes tipos de radiación tienen diferentes capacidades para atravesar el material (Figura 21.33). Una barrera muy fina, como una o dos hojas de papel, o la capa superior de las células de la piel, suele detener las partículas alfa. Por este motivo, las fuentes de partículas alfa no son peligrosas si se encuentran fuera del cuerpo, pero son bastante peligrosas si se ingieren o inhalan (vea el artículo de Química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón). Las partículas beta atraviesan una mano, o una fina capa de material como el papel o la madera, pero las detiene una fina capa de metal. La radiación gama es muy penetrante y puede atravesar una capa gruesa de la mayoría de los materiales. Algunas radiaciones gama de alta energía son capaces de atravesar algunos pies de hormigón. Algunos elementos densos y de alto número atómico (como el plomo) pueden atenuar eficazmente la radiación gama con material más fino y se utilizan para el blindaje. La capacidad de los distintos tipos de emisiones para provocar la ionización varía mucho, y algunas partículas casi no tienen tendencia a producir ionización. Las partículas alfa tienen aproximadamente el doble de poder ionizante que los neutrones rápidos, unas 10 veces más que las partículas β y unas 20 veces más que los rayos γ y los rayos X.

Figura 21.33 Se muestra la capacidad de los diferentes tipos de radiación para atravesar el material. De menor a mayor penetración, son alfa < beta < neutrón < gama.

La química en la vida cotidiana

Exposición al radón

Para muchas personas, una de las mayores fuentes de exposición a la radiación es el gas radón (Rn-222). El radón-222 es un emisor α con una vida media de 3,82 días. Es uno de los productos de la serie de decaimiento radiactivo del U-238 (Figura 21.9), que se encuentra en cantidades mínimas en el suelo y las rocas. El gas radón que se produce escapa lentamente del suelo y se filtra poco a poco en las casas y otras estructuras situadas por encima. Dado que es unas ocho veces más denso que el aire, el gas radón se acumula en los sótanos y los pisos inferiores, y se difunde lentamente por los edificios (Figura 21.34).

Figura 21.34 El radón-222 se filtra en las casas y otros edificios desde las rocas que contienen uranio-238, un emisor de radón. El radón entra a través de las grietas de los cimientos de hormigón y los suelos de los sótanos, los cimientos de piedra o de bloques de hormigón porosos y las aberturas de las tuberías de agua y gas.

El radón se encuentra en edificios de todo el país, en cantidades que dependen del lugar donde se viva. La concentración media de radón en el interior de las casas en los EE. UU. (1,25 pCi/L) es aproximadamente tres veces superior a los niveles encontrados en el aire exterior, y aproximadamente una de cada seis casas tiene niveles de radón lo suficientemente altos como para que se recomienden esfuerzos de remediación para reducir la concentración de radón. La exposición al radón aumenta el riesgo de contraer cáncer (especialmente de pulmón), y los niveles elevados de radón pueden ser tan perjudiciales para la salud como fumar un cartón de cigarrillos al día. El radón es la primera causa de cáncer de pulmón en los no fumadores y la segunda causa de cáncer de pulmón en general. Se cree que la exposición al radón causa más de 20.000 muertes al año en los EE. UU.

Medición de la exposición a la radiación

Para detectar y medir las radiaciones se utilizan diferentes dispositivos, como los contadores Geiger, los contadores de centelleo (centelladores) y los dosímetros de radiación (Figura 21.35). Probablemente el instrumento de radiación más conocido, el contador Geiger (también llamado contador Geiger-Müller) detecta y mide la radiación. La radiación provoca la ionización del gas en un tubo Geiger-Müller. La tasa de ionización es proporcional a la cantidad de radiación. El contador de centelleo contiene un centellador. Este consiste en un material que emite luz (luminiscencia) con el estímulo de la radiación ionizante y un sensor que convierte la luz en una señal eléctrica. Los dosímetros de radiación también miden la radiación ionizante y se utilizan para determinar la exposición personal a la radiación. Los tipos más utilizados son los dosímetros electrónicos, de lámina, termoluminiscentes y de fibra de cuarzo.

Figura 21.35 Para medir las radiaciones se utilizan dispositivos como: (a) los contadores Geiger, (b) los centelladores y (c) los dosímetros (créditos c: modificación del trabajo de "osaMu"/Wikimedia commons).

Se utiliza una variedad de unidades para medir diversos aspectos de la radiación (Figura 21.36). La unidad del sistema internacional (SI) para la tasa de decaimiento radiactivo es el becquerel (Bq), donde 1 Bq = 1 decaimiento por segundo. El curio (Ci) y el milicurio (mCi) son unidades mucho mayores y se utilizan con frecuencia en medicina (1 curio = 1 Ci = 3,7 ×× 1010 decaimientos por segundo). La unidad del SI para medir la dosis de radiación es el gray (Gy), donde 1 Gy = 1 J de energía absorbida por kilogramo de tejido. En las aplicaciones médicas, se utiliza más a menudo la dosis de radiación absorbida (rad) (1 rad = 0,01 Gy; 1 rad da lugar a la absorción de 0,01 J/kg de tejido). La unidad del SI que mide el daño tisular causado por la radiación es el sievert (Sv). Esto tiene en cuenta tanto la energía como los efectos biológicos del tipo de radiación implicado en la dosis de radiación. El equivalente en roentgen para el hombre (rem) es la unidad de daño por radiación que más se utiliza en medicina (100 rem = 1 Sv). Observe que las unidades de daño tisular (rem o Sv) incluyen la energía de la dosis de radiación (rad o Gy) junto con un factor biológico denominado RBE (de eficacia biológica relativa [relative biological effectiveness]) que es una medida aproximada del daño relativo que causa la radiación. Estos están relacionados por:

número de rems=RBE×número de radsnúmero de rems=RBE×número de rads

donde RBE es aproximadamente 10 para la radiación α, 2(+) para protones y neutrones, y 1 para la radiación β y la radiación γ.

Figura 21.36 Se utilizan diferentes unidades para medir la tasa de emisión de una fuente radiactiva, la energía que se absorbe de la fuente y la cantidad de daño que produce la radiación absorbida.

Unidades de medida de la radiación

La Tabla 21.4 reseña las unidades que se utilizan para medir la radiación.

Unidades utilizadas para medir la radiación
Propósito de la medición Unidad Cantidad medida Descripción
actividad de la fuente becquerel (Bq) decaimientos o emisiones radiactivas cantidad de muestra que sufre 1 decaimiento/segundo
curio (Ci) cantidad de muestra que se somete a 3,7 ×× 1010 decaimientos/segundo
dosis absorbida gray (Gy) energía absorbida por kg de tejido 1 Gy = 1 J/kg de tejido
dosis de radiación absorbida (rad) 1 rad = 0,01 J/kg de tejido
dosis biológicamente eficaz sievert (Sv) daño tisular Sv = RBE ×× Gy
equivalente roentgen para el hombre (rem) Rem = RBE ×× rad
Tabla 21.4

Ejemplo 21.8

Cantidad de radiación

El cobalto 60 (t1/2 = 5,26 años [years, y]) se utiliza en la terapia contra el cáncer, ya que los rayos γ que emite pueden concentrarse en las zonas pequeñas donde se encuentra el cáncer. Se dispone de una muestra de 5,00 g de Co-60 para el tratamiento del cáncer.

(a) ¿Cuál es su actividad en Bq?

(b) ¿Cuál es su actividad en Ci?

Solución

La actividad viene dada por:
Actividad=λN=(ln 2t1/2 )N=(ln 25,26 y)×5,00 g=0,659gyde Co-60 que decaeActividad=λN=(ln 2t1/2 )N=(ln 25,26 y)×5,00 g=0,659gyde Co-60 que decae

Y para convertir esto en decaimientos por segundo:

0,659gy×1 y365 d×1 d24 h×1 h3.600 s×1 mol59,9 g×6,02×1023átomos1 mol×1 decaimiento1 átomo =2,10×1014decaimientos0,659gy×1 y365 d×1 d24 h×1 h3.600 s×1 mol59,9 g×6,02×1023átomos1 mol×1 decaimiento1 átomo =2,10×1014decaimientos

(a) Dado que 1 Bq = 1 decaimientos,1 decaimientos, la actividad en becquerel (Bq) es:

2,10×1014decaimientos×(1 Bq1decaimientos)=2,10×1014Bq2,10×1014decaimientos×(1 Bq1decaimientos)=2,10×1014Bq

(b) Dado que 1 Ci = 3,7×1011decaimientos,3,7×1011decaimientos, la actividad en curios (Ci) es:

2,10×1014decaimientos×(1 Ci3,7×1011decaimientos)=5,7×102Ci2,10×1014decaimientos×(1 Ci3,7×1011decaimientos)=5,7×102Ci

Compruebe lo aprendido

El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno (t1/2 = 12,32 años) que tiene varios usos, como la iluminación autoalimentada, en la que los electrones emitidos en el decaimiento radiactivo del tritio hacen brillar el fósforo. Su núcleo contiene un protón y dos neutrones, y la masa atómica del tritio es de 3,016 u. ¿Cuál es la actividad de una muestra que contiene 1,00 mg de tritio (a) en Bq y (b) en Ci?

Respuesta:

(a) 3,56 ×× 1011 Bq; (b) 0,962 Ci

Efectos en el cuerpo humano de la exposición prolongada a la radiación

Los efectos de la radiación dependen del tipo, la energía y la ubicación de la fuente de radiación, así como de la duración de la exposición. Como se muestra en la Figura 21.37, la persona media está expuesta a la radiación de fondo, incluidos los rayos cósmicos del sol y el radón del uranio en el suelo (vea el artículo de Química en la vida cotidiana sobre la exposición al radón), la radiación de la exposición médica, incluidos la exploración por TAC, las pruebas de radioisótopos, los rayos X, etc., y pequeñas cantidades de radiación de otras actividades humanas, como los vuelos de aviones (que son bombardeados por un mayor número de rayos cósmicos en la atmósfera superior), la radiactividad de los productos de consumo y una variedad de radionúclidos que entran en nuestro cuerpo cuando respiramos (por ejemplo, el carbono-14) o a través de la cadena alimentaria (por ejemplo, el potasio-40, el estroncio-90 y el yodo-131).

Figura 21.37 La exposición total anual a la radiación para una persona en los EE. UU. es de unos 620 mrem. Las distintas fuentes y sus cantidades relativas se muestran en este gráfico de barras (fuente: Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU.).

Una dosis repentina y de corta duración de una gran cantidad de radiación puede causar una amplia gama de efectos sobre la salud, desde cambios en la química de la sangre hasta la muerte. La exposición a corto plazo a decenas de rems de radiación probablemente causará síntomas o enfermedades muy notables; se estima que una dosis de unos 500 rems tiene una probabilidad del 50 % de causar la muerte de la víctima en los 30 días siguientes a la exposición. La exposición a las emisiones radiactivas tiene un efecto acumulativo en el organismo a lo largo de la vida de una persona, lo que constituye otra razón por la que es importante evitar cualquier exposición innecesaria a la radiación. Los efectos sobre la salud de la exposición a corto plazo a la radiación se muestran en la Tabla 21.5.

Efectos de la radiación en la salud2
Exposición (rem) Efectos en la salud Tiempo de manifestación (sin tratamiento)
5–10 cambios en la química de la sangre
50 náuseas horas
55 fatiga
70 vómitos
75 caída del cabello 2 a 3 semanas
90 diarrea
100 hemorragia
400 posible muerte en un plazo de 2 meses
1.000 destrucción del revestimiento intestinal
hemorragia interna
muerte 1 a 2 semanas
2.000 lesiones en el sistema nervioso central
pérdida de la conciencia minutos
muerte de horas a días
Tabla 21.5

Es imposible evitar cierta exposición a las radiaciones ionizantes. Estamos expuestos constantemente a la radiación espontánea de diversas fuentes naturales, como la radiación cósmica, las rocas, los procedimientos médicos, los bienes de consumo e incluso nuestros propios átomos. Podemos minimizar nuestra exposición al bloquear o protegernos de la radiación, alejarnos de la fuente y limitar el tiempo de exposición.

Notas a pie de página

  • 2Fuente: Agencia de Protección Medioambiental de los EE. UU.
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