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• Moises Antonio Cornetero Mendoza

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA

Biofísica

RADIACIÓN El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. La radiación mecánica corresponde a ondas que sólo se transmiten a través de la materia, como las ondas de sonido. La radiación electromagnética es independiente de la materia para su propagación, sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. La Radiación Electromagnética se divide en dos grandes tipos de acuerdo al tipo de cambios que provocan sobre los átomos en los que actúa: a. Radiación no Ionizante b. Radiación Ionizante

a) RADIACION NO IONIZANTE Son aquellas que no son capaces de producir iones al interactuar con los átomos de un material. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: Los campos electromagnéticos Las radiaciones ópticas Dentro de los campos electromagnéticos se pueden distinguir aquellos generados por las líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos estáticos. Otros ejemplos son las ondas de radiofrecuencia, utilizadas por las emisoras de radio, y las microondas utilizadas en electrodomésticos y en el área de las telecomunicaciones. Entre las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos láser y la radiación solar como ser los rayos infrarrojos, la luz visibley la radiación ultravioleta. Estas radiaciones pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos al actuar sobre el cuerpo humano. Nosotros nos centraremos en la radiación ultravioleta que los últimos años por causa de diversos factores ha estado alcanzado la tierra en valores que perjudican seriamente nuestra salud y supervivencia.

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Espectro Solar

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b) RADIACION IONIZANTE Son radiaciones con energía necesaria para arrancar electrones de los átomos.

La radiación ionizante consiste en partículas o fotones, que causan la separación de electrones de átomos y moléculas. Pero algunos tipos de radiación de energía relativamente baja, como la luz ultravioleta, sólo pueden originar ionización en determinadas circunstancias. Para distinguir estos tipos de radiación de la radiación que siempre causa ionización, se establece un límite energético inferior arbitrario para la radiación ionizante, que se suele situar en torno a 10 kiloelectronvoltios (keV). Son radiaciones ionizantes los rayos X, las radiaciones alfa, beta y gamma. Las radiaciones ionizantes pueden provocar reacciones y cambios químicos con el material con el cual interaccionan. Por ejemplo, son capaces de romper los enlaces químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en células reproductoras.

Tipos de radiación 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Radiación electromagnética Radiación ionizante Radiación térmica Radiación de Cerenkov Radiación corpuscular Radiación solar Radiación de supervoltaje Radiación nuclear Radiación de cuerpo negro Radiación no ionizante Radiación de antimateria Radiación cósmica

1. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. Dualidad onda-corpúsculo Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

E = h.v donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.

h = 6.6260x10−34 J .s = 4.1356x10−15 eV .s Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

c = λ.v

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).

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Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético. Clasificación de las ondas en telecomunicaciones Sigla

Rango

Denominación

Empleo

VLF

10 kHz a 30 kHz

Muy baja frecuencia

Radio gran alcance

LF

30 kHz a 300 kHz

Baja frecuencia

Radio, navegación

MF

300 kHz a 3 MHz

Frecuencia media

Radio de onda media

HF

3 MHz a 30 MHz

Alta frecuencia

Radio de onda corta

VHF

30 MHz a 300 MHz

Muy alta frecuencia

TV, radio

UHF

300 MHz a 3 GHz

Ultra alta frecuencia

TV, radar, telefonía móvil

SHF

3 GHz a 30 GHz

Super alta frecuecia

Radar

EHF

30 GHz a 300 GHz

Extra alta frecuencia

Radar

Penetración de la radiación electromagnética En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo). Tipos de peligros Riesgos eléctricos Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes en la radiación electromagnética pueden inducir una corriente eléctrica en cualquier conductor por el cual pase. Radiación severa puede provocar corrientes capaces de provocar un choque eléctrico a personas o animales. También puede sobrecargar y destruir equipos eléctricos .La inducción de corriente por campos magnéticos oscilantes es también la forma en la que las tormentas solares interfieren con el funcionamiento de los sistemas eléctricos o electrónicos , causando daño o la explosión de los sistemas de distribución y transformadores,1 o apagones (como en 1989 New York), e interfiriendo con las señales electromagnéticas (e.g. radio, TV, señal telefónica).

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Riesgos biológicos El efecto biológico mejor comprendido de los campos electromagnéticos es que causa calentamiento dieléctrico. Por ejemplo, tocar o permanecer encima de una antena mientras un transmisor de alto poder está en operación puede producir severas quemaduras. Esto es lo mismo que se produce en el interior de un horno microondas. Este efecto termogenerador varía con el poder de la emisión y con la frecuencia de la energía electromagnética. Fragmentación del ADN Un estudio de 2009 en la Universidad de Basilea en Suiza halló que la exposición intermitente (pero no continua) de células humanas a un campo electromagnético de 50 Hz con una densidad de flujo de 1 mT (o 10 G) inducida por un ligero pero significativo incremento de la fragmentación del ADN en el ensayo electroforesis en gel de célula individual. No obstante ese nivel de exposición ya está encima de los actuales límites de seguridad establecidos de exposición. Transmisión de poder eléctrico La preponderancia de evidencia sugiere que el bajo consumo de energía de baja frecuencia, la radiación electromagnética asociada con corriente no constituye un peligro para la salud a corto o largo plazo, y mientras algunos de los mecanismos biofísicos para la promoción del cáncer se han propuesto (por ejemplo, los campos eléctricos alrededor de las líneas de alimentación atraen aerosoles contaminantes. ninguno ha substanciado. Sin embargo, algunas investigaciones han implicado la exposición en una serie de efectos adversos para la salud. Estos incluyen, pero no se limitan a, leucemia infantil, leucemia adulta, enfermedades neurodegenerativas (como esclerosis lateral amiotrófica), Aborto espontáneo, y depresión clínica.

2. RADIACIÓN IONIZANTE Radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. Las radiaciones ionizantes pueden provenir de sustancias radiactivas, que emiten dichas radiaciones de forma espontánea, o de generadores artificiales, tales como los generadores de Rayos X y los aceleradores de partículas. Las procedentes de fuentes de radiaciones ionizantes que se encuentran en la corteza terraquea de forma natural, pueden clasificarse como compuesta por partículas alfa, beta, rayos gamma o rayos X. También se pueden producir fotones ionizantes cuando una partícula cargada que posee una energía cinética dada, es acelerada (ya sea de forma positiva o negativa), produciendo radiación de frenado, también llamada bremsstrahlung, o de radiación sincrotrón por ejemplo (hacer incidir electrones acelerados por una diferencia de potencial sobre un medio denso como tungsteno, plomo o hierro es el mecanismo habitual para producir rayos X). Otras radiaciones ionizantes naturales pueden ser los neutrones o los muones. Las radiaciones ionizantes interaccionan con la materia viva, produciendo diversos efectos. Del estudio de esta interacción y de sus efectos se encarga la radiobiología. Son utilizadas, desde su descubrimiento por Wilhelm Conrad Roentgen en 1895, en aplicaciones médicas e industriales, siendo la aplicación más conocida los aparatos de rayos X, o el uso de fuentes de radiación en el ámbito médico, tanto en diagnóstico (gammagrafía) como en el tratamiento (radioterapia en oncología, por ejemplo) mediante el uso de fuentes (p.ej. cobaltoterapia) o aceleradores de partículas.

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Clasificación de las radiaciones ionizantes

Representación sencilla del poder de penetración de los distintos tipos de radiación ionizante. Una partícula alfa no penetra una lámina de papel, una beta no penetra una lámina de metal y un fotón penetra incluso grandes espesores de metal u hormigón. a. Según sean fotones o partículas • •

Radiación electromagnética: está formada por fotones con energía suficiente como para ionizar la materia (es decir, superior a unas decenas de electronvoltios). Según su origen y su energía se clasifican en rayos X y rayos gamma. Radiación corpuscular: incluye a las partículas alfa (núcleos de Helio), beta (electrones y positrones de alta energía), protones, neutrones y otras partículas que sólo se producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de muy alta energía, como los piones o los muones.

b. Según la ionización producida •

•

Radiación directamente ionizante: suele comprender a las radiaciones corpusculares formadas por partículas cargadas que interaccionan de forma directa con los electrones y el núcleo de los átomos de moléculas blanco o diana como el oxígeno y el agua. Suelen poseer una transferencia lineal de energía alta. Radiación indirectamente ionizante: está formada por las partículas no cargadas como los fotones, los neutrinos o los neutrones, que al atravesar la materia interaccionan con ella produciendo partículas cargadas siendo éstas las que ionizan a otros átomos. Suelen poseer una baja transferencia lineal de energía.

c. Según la fuente de la radiación ionizante •

Las radiaciones naturales: proceden de radioisótopos que se encuentran presentes en el aire (como por ejemplo el 222Rn o el 14C), el cuerpo humano (p. ej. el 14C o el 235U), los alimentos (p. ej. el 24Na o el 238U)), la corteza terrestre (y por tanto las rocas y los materiales de construcción obtenidos de éstas, como el 40K), o del espacio (radiación cósmica). Son radiaciones no producidas por el hombre. Más del 80% de la exposición a radiaciones ionizantes en promedio a la que está expuesta la población proviene de las fuentes naturales.

•

Las radiaciones artificiales: están producidas mediante ciertos aparatos o métodos desarrollados por el ser humano, como por ejemplo los aparatos utilizados en radiología, algunos empleados en radioterapia, por materiales radiactivos que no existen en la naturaleza pero que el ser humano es capaz de sintetizar en reactores nucleares o aceleradores, o por materiales que existen en la naturaleza pero que se concentran químicamente para utilizar sus propiedades radiactivas. La naturaleza física de las radiaciones artificiales es idéntica a la de las naturales. Por ejemplo, los rayos X naturales y los rayos X artificiales son ambos rayos X (fotones u ondas electromagnéticas que proceden de la desexcitación de electrones

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atómicos). Ejemplos de fuentes artificiales de radiación son los aparatos de rayos X, de aplicación médica o industrial, los aceleradores de partículas de aplicaciones médicas, de investigación o industrial, o materiales obtenidos mediante técnicas nucleares, como ciclotrones o centrales nucleares.

Utilidad de las radiaciones ionizantes Las radiaciones ionizantes tienen aplicaciones muy importantes en ciencias, industrias, medicina. En la industria, las radiaciones ionizantes pueden ser útiles para la producción de energía, para la esterilización de alimentos, para conocer la composición interna de diversos materiales y para detectar errores de fabricación y ensamblaje. En el campo de la medicina, las radiaciones ionizantes también cuentan con numerosas aplicaciones beneficiosas para el ser humano. Con ellas se pueden realizar una gran variedad de estudios diagnósticos (Medicina Nuclear y Radiología) y tratamientos (Medicina Nuclear y Radioterapia).

3. RADIACIÓN TÉRMICA Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0ºK emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético. La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura. Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta). Ejemplos • La radiación infrarroja de un radiador doméstico común o de un calefactor eléctrico es un

ejemplo de radiación térmica. • La luz emitida por una lámpara incandescente. La radiación térmica se produce cuando

el calor del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética. • La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000ºK nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0,15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras y su máximo, dado por la ley de Wien, ocurre a 0,475 micras. Como 1 Å = 10-10 m = 10-4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Å hasta 40000 Å y el máximo ocurre a 4750 Å. La luz visible se extiende desde 4000 Å a 7400 Å. La radiación ultravioleta u ondas cortas irían desde los 1500 Å a los 4000 Å y la radiación infrarroja o radiación térmica u ondas largas desde las 0,74 micras a 4 micras.

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4. RADIACIÓN DE CHERENKOV

Radiación de Cherenkov en el núcleo de un reactor TRIGA. La radiación de Cherenkov es una radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas en un medio a velocidades superiores a las de la luz. La velocidad de la luz depende del medio, y alcanza su valor máximo en el vacío. El valor de la velocidad de la luz en el vacío no puede superarse pero sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior. La radiación recibe su nombre del físico Pavel Alekseyevich Cherenkov quien fue el primero en caracterizarla rigurosamente y explicar su producción. Cherenkov recibió el Premio Nobel de Física en 1958. La radiación Cherenkov es un tipo de onda de choque que produce el brillo azulado característico de los reactores nucleares. Éste es un fenómeno similar al de la generación de una onda de choque cuando se supera la velocidad del sonido. En ese caso los frentes de onda esféricos se superponen y forman uno solo con forma cónica. Debido a que la luz también es una onda, en este caso electromagnética, puede producir los mismos efectos si su velocidad es superada. Y esto, como ya se ha dicho, solo puede ocurrir cuando las partículas en un medio distinto del vacío, viajan a velocidades superiores a la de los fotones en dicho medio. La radiación Cherenkov sólo se produce si la partícula que atraviesa el medio está cargada eléctricamente, como por ejemplo, un protón. Para que se produzca radiación Cherenkov el medio debe ser un dieléctrico. Es decir; debe estar formado por átomos o moléculas capaces de verse afectados por un campo eléctrico. Por tanto, un protón viajando a través de un medio hecho de neutrones, por ejemplo, no emitiría radiación Cherenkov. Los rayos cósmicos, compuestos principalmente por partículas cargadas, al incidir (interaccionar) sobre los átomos y moléculas de la atmósfera terrestre (el medio), producen otras partículas, las cuales producen más partículas, y éstas producen más, creándose una verdadera cascada de partículas (muchas de ellas cargadas eléctricamente). Cada una de estas partículas polariza asimétricamente las moléculas de nitrógeno y oxígeno (componentes principales de la atmósfera terrestre) con las que se encuentra a su paso, las cuales, al despolarizarse espontáneamente, emiten radiación Cherenkov (detectada con telescopios Cherenkov). Es decir; son las moléculas de la atmósfera (el dieléctrico) las que emiten la radiación, no la partícula incidente. La polarización es asimétrica porque las moléculas que hay delante de la partícula no se han polarizado cuando las de detrás ya lo han hecho. Las de delante no se han polarizado porque la partícula viaja más rápido que su propio campo eléctrico. Cuando la polarización es simétrica (cuando la partícula viaja a menor velocidad que la de la luz en el medio) no se produce radiación Cherenkov. El efecto Cherenkov es de gran utilidad en los detectores de partículas donde la susodicha radiación es usada como trazador. Particularmente en los detectores de neutrinos en agua pesada como el Kamiokande. También en el tipo de telescopio conocido como telescopio Cherenkov como el telescopio MAGIC, que detecta la luz Cherenkov producida en la atmósfera terrestre generada por la llegada de rayos gamma de muy alta energía (procedentes del espacio).

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5. RADIACIÓN CORPUSCULAR La radiación de partículas es la radiación de energía por medio de partículas subatómicas moviéndose a gran velocidad. A la radiación de partículas se la denomina haz de partículas si las partículas se mueven en la misma dirección, similar a un haz de luz. Debido a la dualidad onda-partícula, todas las partículas que se mueven también tienen carácter ondulatorio. Las partículas de mayor energía muestran con más facilidad características de las partículas, mientras que las partículas de menor energía muestran con más facilidad características de onda. Tipos y producción de radiación de partículas

Las partículas pueden estar eléctricamente cargadas o descargadas: La radiación de partículas puede ser emitida por un núcleo atómico inestable (decaimiento radiactivo) en la forma de una partícula alfa con carga positiva (α), una partícula beta (β) con carga positiva o negativa cargado (lo último es lo más común), un fotón (llamados partículas gamma,), o un neutrón. Los neutrinos se producen en la desintegración beta, además de las partículas beta. Interactúan con la materia sólo muy débilmente. Fotones, neutrones y neutrinos son partículas sin carga. Los acontecimientos de desintegración de la emisión de protones y la decadencia de racimo también emiten (grupos de) nucleones, como las partículas cargadas, pero son relativamente raros. Otras formas de radiación de partículas, incluyendo los mesones y los muones, se producen naturalmente cuando los rayos cósmicos impactan la atmósfera. Los mesones se encuentran a gran altura, pero los muones se pueden medir incluso en el nivel del mar. Las partículas cargadas (electrones, mesones, protones, partículas alfa, iones atómicos pesados, etc) pueden ser producidas por los aceleradores de partículas. La irradiación de iones se usa ampliamente en la industria de semiconductores para introducir dopantes en materiales, un método conocido como la implantación de iones. Los aceleradores de partículas también pueden producir haces de neutrinos. Los haces de neutrones son en su mayoría producidos por los reactores nucleares. Para la producción de la radiación electromagnética, hay muchos métodos, dependiendo de la longitud de onda (véase el espectro electromagnético). Paso a través de la materia

Desde el punto de vista de la protección contra la radiación, esta a menudo se separa en dos categorías, ionizantes y no ionizantes, para indicar el nivel de peligro que representa para los seres humanos. La ionización es el proceso de eliminar los electrones de los átomos, dejando dos partículas cargadas eléctricamente (un electrón y un ión cargado positivamente). Los electrones cargados negativamente y los iones con carga positiva creados por la radiación ionizante pueden causar daños en los tejidos vivos. Básicamente, una partícula es ionizante si su energía es mayor que la energía de ionización de una sustancia típica, es decir, unos pocos eV, e interactúa con los electrones de manera significativa. Las partículas cargadas antes mencionadas pertenecen a las radiaciones ionizantes. Al pasar a través de la materia, se ionizan y pierden así la energía en muchos pequeños pasos. La distancia hasta el punto en que la partícula cargada ha perdido toda su energía se llama el rango de la partícula. El rango depende del tipo de partícula, su energía inicial, y el material que atraviesa. Del mismo modo, la pérdida de energía por unidad de longitud del camino, el "poder de parada", depende del tipo y de la energía de las

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partículas cargadas y del material. El poder de parada y por lo tanto, la densidad de ionización, por lo general aumentan hacia el final del rango y alcanzan un máximo, el pico de Bragg, poco antes de que la energía caiga a cero. 6. RADIACIÓN SOLAR Radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos 6000ºK. La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el ozono. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Distribución espectral de la radiación solar La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000ºK nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0,15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras. Como 1 angstrom 1 Å = 10-10 m = 10-4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Å hasta 40000 Å. La luz visible se extiende desde 4000 Å a 7400 Å. La radiación ultravioleta u ondas cortas iría desde los 1500 Å a los 4000 Å y la radiación infrarroja u ondas largas desde las 0,74 micras a 4 micras. La atmósfera de la Tierra constituye un importante filtro que hace inobservable radiaciones de longitud de onda inferiores a las 0,29 micras por la fuerte absorción del ozono y el oxígeno. Ello nos libra de la ultravioleta más peligrosa para la salud. La atmósfera es opaca a toda radiación infrarroja de longitud de onda superior a las 24 micras, ello no afecta a la radiación solar pero sí a la energía emitida por la Tierra que llega hasta las 40 micras y que es absorbida. A este efecto se lo conoce como efecto invernadero. Pero la emisión solar difiere de la de un cuerpo negro, sobre todo en el ultravioleta. En el infrarrojo se corresponde mejor con la temperatura de un cuerpo negro de 5779ºC y en el visible con 6090 ºK. Ello nos habla de que la radiación solar no se produce en las mismas capas y estamos observando la temperatura de cada una de ellas donde se produce la energía. Efectos de la radiación solar sobre los gases atmosféricos La atmósfera es diatérmana es decir, que no es calentada directamente por la radiación solar, sino de manera indirecta a través de la reflexión de dicha radiación en el suelo y en la superficie de mares y océanos. La energía solar tiene longitudes de onda entre 0,15 micras y 4 micras por lo que puede ionizar un átomo, excitar electrones, disociar una molécula o hacerla vibrar. La energía térmica de la Tierra (radiación infrarroja) se extiende desde 3 micras a 80 micras por lo que sólo puede hacer vibrar o rotar moléculas, es decir, calentar la atmósfera. La energía solar como motor de la atmósfera La energía recibida del sol, al atravesar la atmósfera de la Tierra calienta el vapor de agua en unas zonas de la atmósfera más que otras, provocando alteraciones en la densidad de los gases y, por consiguiente desequilibrios que causan la circulación atmosférica. Esta energía produce la temperatura en la superficie terrestre y el efecto de la atmósfera es aumentarla por efecto invernadero y mitigar la diferencia de temperaturas entre el día y la noche y entre el polo y el ecuador. La mayor parte de la energía utilizada por los seres vivos procede del Sol, las plantas la absorben directamente y realizan la fotosíntesis, los herbívoros absorben indirectamente una

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pequeña cantidad de esta energía comiendo las plantas, y los carnívoros absorben indirectamente una cantidad más pequeña comiendo a los herbívoros. La mayoría de las fuentes de energía usadas por el hombre derivan indirectamente del Sol, ya que el sol puede a través de toda su radiación lanzada ser aprovechada como energía para los humanos. Los combustibles fósiles preservan energía solar capturada hace millones de años mediante fotosíntesis, la energía hidroeléctrica usa la energía potencial del agua que se condensó en altura después de haberse evaporado por el calor del Sol. La energía eólica es otra forma de aprovechamiento de la radiación solar ya que ésta, al calentar con diferente intensidad distintas zonas de la superficie terrestre, da origen a los vientos que pueden ser utilizados para generar electricidad, mover embarcaciones, bombear las aguas subterráneas y otros muchos usos. Efectos sobre la salud La exposición exagerada a la radiación solar puede ser perjudicial para la salud. Esto está agravado por el aumento de la expectativa de vida humana, que está llevando a toda la población mundial, a permanecer más tiempo expuesto a las radiaciones solares, con el riesgo mayor de cáncer de piel. La radiación ultravioleta, es emitida por el Sol en longitudes de onda que van aproximadamente desde los 150 nm (1500 Å), hasta los 400 nm (4000 Å), en las formas UVA, UV-B y UV-C pero a causa de la absorción por parte de la atmósfera terrestre, el 99% de los rayos ultravioletas que llegan a la superficie de la Tierra son del tipo UV-A. Ello nos libra de la radiación ultravioleta más peligrosa para la salud. La atmósfera ejerce una fuerte absorción que impide que la atraviese toda radiación con longitud de onda inferior a 290 nm (2900 Å). La radiación UV-C no llega a la tierra porque es absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera, por lo tanto no produce daño. La radiación UV-B es parcialmente absorbida por el ozono y llega a la superficie de la tierra, produciendo daño en la piel. Ello se ve agravado por el agujero de ozono que se produce en los polos del planeta. Radiación solar en el planeta tierra La mayor parte de la energía que llega a nuestro planeta procede del Sol. El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética. Estas radiaciones se distinguen por sus diferentes longitudes de onda. Algunas, como las ondas de radio, llegan a tener longitudes de onda de kilómetros, mientras que las más energéticas, como los rayos X o las radiaciones gamma tienen longitudes de onda de milésimas de nanómetro. La energía que llega al exterior de la atmósfera lo hace en una cantidad fija, llamada constante solar. Esta energía es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda entre 200 y 4000 nm, que se distingue entre radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja. Comportamiento de la atmósfera y el suelo frente a la radiación: La atmósfera terrestre está compuesta por numerosas partículas de materia, presenta unos 1000 km. de altura y se divide en diferentes capas concéntricas: troposfera, estratosfera, mesosfera, ionósfera y exosfera. Tipo de energía absorbida Energía absorbida por la atmósfera En unas condiciones óptimas con un día perfectamente claro y con los rayos del Sol cayendo casi perpendiculares, las tres cuartas partes de la energía que llega del exterior alcanza la superficie. Casi toda la radiación ultravioleta y gran parte de la infrarroja son absorbidas por la atmósfera. La energía que llega al nivel del mar suele ser radiación infrarroja un 49%, luz visible un 42% y radiación ultravioleta un 9%. En un día nublado se absorbe un porcentaje mucho más alto de energía, especialmente en la zona del infrarrojo. Energía absorbida por la vegetación La vegetación absorbe en todo el espectro, pero especialmente en la zona del visible, aprovechando esa energía para la fotosíntesis.

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Balance total de energía - Efecto "invernadero" La temperatura media en la Tierra se mantiene prácticamente constante en unos 15ºC, pero la que se calcula que tendría, si no existiera la atmósfera, sería de unos -18ºC. Esta diferencia de 33ºC tan beneficiosa para la vida en el planeta se debe al efecto invernadero. El motivo por el que la temperatura se mantiene constante es porque la Tierra devuelve al espacio la misma cantidad de energía que recibe. Si la energía devuelta fuera algo menor que la recibida se iría calentando paulatinamente y si devolviera más se iría enfriando. Por tanto la explicación del efecto invernadero no está en que parte de la energía recibida por la Tierra se quede definitivamente en el planeta. La explicación está en que se retrasa su devolución porque, aunque la cantidad de energía retornada es igual a la recibida, el tipo de energía que se retorna es distinto. Mientras que la energía recibida es una mezcla de radiación ultravioleta, visible e infrarroja, la energía que devuelve la Tierra es fundamentalmente infrarroja y algo de visible. Las radiaciones que llegan del sol vienen de un cuerpo que está a 6.000ºC, pero las radiaciones que la superficie devuelve tienen la composición de longitudes de onda correspondientes a un cuerpo negro que esté a 15ºC. Por este motivo las radiaciones reflejadas tienen longitudes de onda de menor frecuencia que las recibidas. Están en la zona del infrarrojo y casi todas son absorbida por el CO2, el vapor de agua, el metano y otros gases, por lo que se forma el efecto invernadero. Así se retrasa la salida de la energía desde la Tierra al espacio y se origina el llamado efecto invernadero que mantiene la temperatura media en unos 15ºC y no en los -18ºC que tendría si no existiera la atmósfera. Aumento de la Temperatura Global: Durante el siglo XX se ha constatado un aumento de la temperatura global y se estima que continúe así en los próximos decenios, esto preocupa al mundo científico y genera inquietudes en los más diversos ámbitos, ya que el calentamiento influye sobre el clima y por ende sobre la producción de alimentos, la salubridad mundial y en la economía en general. Pero no sólo la temperatura ha aumentado, también han aumentado en la atmósfera el CO² en un 25%; el CH4 un 100%; el N2O un 10%. Más recientemente han aparecido los cloro fluorocarbonados o CFC, Freón 11 y Freón 12 principalmente. La causa del aumento de estos gases en la atmósfera es claramente consecuencia de la actividad humana: calefacción, industria, agricultura y transporte. Causa y a la vez efecto del aumento de la población desde la década de los años 20. La acumulación de estos gases contribuye a aumentar el calentamiento. Energía interna de la Tierra La temperatura va aumentando con el aumento de la profundidad en el interior de la Tierra hasta llegar a ser de alrededor de 5.000ºC en el núcleo interno. La fuente de energía que mantiene estas temperaturas es, principalmente, la descomposición radiactiva de elementos químicos del manto. Esta energía interna es responsable de las corrientes de convección que mueven las placas litosféricas, por lo que tiene importantes repercusiones en muchos procesos superficiales: volcanes, terremotos, movimiento de los continentes y formación de montañas, entre otros.

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7. RADIACIÓN CÓSMICA A la parte alta de la atmósfera llega una radiación de longitudes de onda muy cortas que proceden de diferentes puntos del Universo. La llamada radiación cósmica primaria está formada por electrones de alta energía. Cuando incide sobre las moléculas que se encuentran en la alta atmósfera se convierte en radiación secundaria que son rayos ultravioleta. Las moléculas de oxígeno (O2) absorben las radiaciones primaria y secundaria de menos de 200 nm convirtiéndose en ozono (O3). A su vez el ozono absorbe las radiaciones de hasta 300 nm y, de esta manera, gracias al oxígeno y al ozono, la Tierra se encuentra protegida contra las radiaciones cósmicas más peligrosas. Las sustancias radiactivas La llamada radiactividad está formada por un conjunto de radiaciones de onda corta y, por tanto, de mucha energía y gran capacidad de penetración. Su origen puede ser natural, pero las mediciones indican que han aumentado en los últimos años por algunas actividades humanas, sobre todo por las explosiones nucleares. Estas radiaciones, bien usadas, son muy útiles en medicina, la industria e investigación científica. Tienen muchas aplicaciones y se usan para curar cánceres hasta para revisar soldaduras o esterilizar alimentos. Sin embargo, la contaminación con sustancias radiactivas es especialmente peligrosa, porque cantidades minúsculas pueden emitir radiaciones mortales o muy dañinas.

8. RADIACIÓN NUCLEAR La emisión de partículas desde un núcleo inestable se denomina desintegración radiactiva. La desintegración radiactiva solo sucede cuando hay un excedente de masa-energía en el núcleo. Los tipos de desintegración • • •

Alfa: emisión de átomos con dos protones y dos neutrones. Estas partículas son idénticas a núcleos de helio (4He). Beta: hay dos tipos de desintegración, beta positivo y beta negativo. El beta positivo es una emisión de un positrón acompañado de un neutrino. El beta negativo es la emisión de un electrón acompañado de un antineutrino. Gamma: es la emisión de fotones de frecuencia muy alta. El átomo radiactivo se conserva igual, pero con un estado de energía menor.

Leyes de Desintegración Radiactiva Las leyes de desintegración radiactiva (descritas por Soddy y Fajans) son: • • •

Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, la masa del átomo resultante disminuye en cuatro unidades y el número atómico en dos. Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, el número atómico aumenta en una unidad y la masa atómica se mantiene constante. Cuando un núcleo excitado emite radiación gamma, no varían ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía “hv”.

Las dos primeras leyes indican que cuando un átomo emite una radiación alfa o beta, se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo, transformándose en otro, y así sucesivamente, dando lugar a las llamadas series radiactivas. Semiperiodo de un radioisótopo Es el tiempo en que tarda en reducir su radioactividad a la mitad. El semiperiodo es siempre el mismo, sin importar el momento en que se empieza a contar. Al transcurrir una vida media, la radioactividad se reduce a la mitad, al transcurrir dos vidas medias, la

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radioactividad se reduce a un cuarto. En general si transcurren N vidas medias, la radioactividad se reduce a 1/2N. Todos los isótopos tienen las mismas propiedades químicas. La producción de algunos radioisótopos utilizados en medicina nuclear se lleva a cabo colocando el isótopo estable en un reactor nuclear o bajo el haz de un acelerador de partículas y sometiéndolo a un bombardeo con neutrones u otras partículas. Las substancias radiactivas por lo común no emiten neutrones, excepto algunos elementos pesados que sufren fisión espontánea. Las fuentes de neutrones se basan en inducir una reacción nuclear cuyo producto sea un neutrón. Interacción de la radiación con la materia La radiación nuclear se emplea por ejemplo en la gammagrafía y en la medicina nuclear. La gammagrafía utiliza las interacciones de los rayos gamma al penetrar por los diferentes tejidos. La medicina nuclear elimina los tejidos malignos a partir de la radioactividad de elementos radiactivos introducidos en el paciente. Los efectos de las radiaciones en los materiales son la ionización, la excitación atómica del material y la fisión. A estos le pueden seguir cambios químicos. Así por ejemplo, las partículas alfa, al penetrar en la materia, atraen a su paso eléctricamente a los electrones cercanos, produciendo la ionización de estos átomos. Los rayos gamma transfieren su energía al material que atraviesan de tres formas diferentes. Estas son el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la producción de pares. Efectos biológicos de las radiaciones Los efectos dañinos de las radiaciones ionizantes en un organismo vivo se deben principalmente a la energía absorbida por las células y los tejidos que la forman. Esta energía es absorbida por ionización y excitación atómica, produce descomposición química de las moléculas presentes. A menos de 100 mSv, no se espera ninguna respuesta clínica. Al aumentar la dosis, el organismo va presentando diferentes manifestaciones hasta llegar a la muerte. La dosis letal media es aquella a la cual cincuenta por ciento de los individuos irradiados mueren, esta es 4 Sv (4000 mSv). En ocasiones pueden aplicarse grandes dosis de radiación a áreas limitadas (como en la radioterapia), lo que provoca solo un daño local. Cuando la radiación ionizante incide sobre un organismo vivo, las reacciones a nivel celular son principalmente en las membranas, el citoplasma y el núcleo. La interacción en las membranas produce alteraciones de permeabilidad, lo que hace que puedan intercambiar fluidos en cantidades mayores de lo normal. La célula no muere pero sus funciones de multiplicación no se llevan a cabo. En el caso que la interacción sea en el citoplasma, cuya principal sustancia es el agua, al ser ésta ionizada se forman radicales inestables. Algunos de estos radicales tenderán a unirse para formar moléculas de agua y moléculas de hidrógeno (H), las cuales no son nocivas para el citoplasma. Otros se combinan para formar peróxido de hidrógeno (H2O2), el cual si produce alteraciones en el funcionamiento de las células. La situación más crítica se presenta cuando se forma el hidronio (H3O+), el cual produce envenenamiento. Cuando la radiación ionizante llega hasta el núcleo de la célula, puede producir alteraciones de los genes e incluso rompimiento de los cromosomas, provocando que cuando la célula se divida lo haga con características diferentes a la célula original. Las células pueden sufrir aumento o disminución de volumen, muerte, un estado latente, mutaciones genéticas y cáncer. Estas propiedades radiactivas se pueden volver benéficas, es el caso de la radioterapia que utiliza altas dosis de radiación para eliminar tejidos malignos en el cuerpo. Sin embargo, por la naturaleza de la radiactividad, es inevitable afectar otros órganos sanos cercanos. El daño a las células germinales resultará en daño a la descendencia del individuo. Se pueden clasificar los efectos biológicos en somáticos y hereditarios. El daño a los genes de una célula somática puede producir daño a la célula hija, pero sería un efecto somático no

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hereditario. Un daño genético es efecto de mutación en un cromosoma o un gen, esto lleva a un efecto hereditario solamente cuando el daño afecta a una línea germinal. El síndrome de la irradiación aguda es el conjunto de síntomas que presentan las personas irradiadas de manera intensa en todo el cuerpo. Consiste en náusea, vómito, anorexia, perdida de peso, fiebre y hemorragia intestinal. Los efectos de la radiactividad en partes locales pueden ser eritema o necrosis de la piel, caída del cabello, necrosis de tejidos internos, la esterilidad temporal o permanente, la reproducción anormal de tejidos como el epitelio del tracto gastrointestinal, el funcionamiento anormal de los órganos hematopoyéticos (medula ósea y bazo), o alteraciones funcionales del sistema nervioso y de otros sistemas. Los efectos generales de las radiaciones sobre el ser humano son los siguientes: Cantidad

Efecto

0mSv250mSv

Ninguna lesión detectable.

.5Sv (500mSv)

Posibles alteraciones de la sangre, pero ninguna lesión grave. Ningún otro efecto detectable.

1Sv

Náuseas y fatiga con posibles vómitos. Alteraciones sanguíneas marcadas con restablecimiento diferido. Probable acortamiento de la vida. Ninguna incapacitación.

2Sv

Náuseas y vómitos en las primeras veinticuatro horas. A continuación un periodo latente de una semana, caída del cabello, pérdida del apetito, debilidad general y otros síntomas como irritación de garganta y diarrea. Posible fallecimiento al cabo de dos a seis semanas de una pequeña fracción de los individuos irradiados. Restablecimiento probable de no existir complicaciones a causa de poca salud anterior o infecciones. Posible incapacitación.

4Sv

Náuseas y vómitos al cabo de una a dos horas. Tras un periodo latente de una semana, caída del cabello, pérdida del apetito y debilidad general con fiebre. Inflamación grave de boca y garganta en la tercera semana. Síntomas tales como palidez, diarrea, epistaxis y rápida atenuación hacia la cuarta semana. Algunas defunciones a las dos a seis semanas. Mortalidad probable del cincuenta por ciento..

6Sv

Náuseas y vómitos al cabo de una a dos horas. Corto periodo latente a partir de la náusea inicial. Diarrea, vómitos, inflamación de boca y garganta hacia el final de la primera semana. Fiebre y rápida extenuación y fallecimiento incluso en la segunda semana. Fallecimiento probable de todos los individuos irradiados..

Protección radiológica El ser humano siempre ha estado expuesto a la radiactividad ambiental, proveniente de fuentes naturales. De media recibimos 2.4 mSv al año (aunque en ciertos lugares del planeta se alcanzan varias decenas de mSv) por estas radiaciones naturales. Una de estas fuentes naturales es la radiación cósmica, que nos llega de fuera del planeta. La atmósfera sirve de blindaje para la mayor parte de ella, pero de cualquier manera las personas reciben una dosis de 0,3 a 1 mSv al año. En un viaje trasatlántico de Europa a EE.UU., se reciben de 30 a 45 microSv.1 La fuente más importante de estas radiaciones es la inhalación de radón, gas natural que se emite por todos los materiales, con valores de dosis efectiva de 0,2 a 10 mSv al año. También existen fuentes de radiaciones creadas por el hombre, como pueden ser los reactores nucleares y los aparatos para usos médicos e industriales. Las partículas pueden afectar al hombre de forma externa e interna. Las partículas alfa no pueden afectar de forma externa, ya que solo penetran unas micras de la piel. Los emisores de partículas beta son más importantes por el poder de penetración en el tejido, unos cuantos milímetros. Los emisores gamma, y los neutrones son las fuentes que pueden afectar de forma externa, debido a su poder de penetración, por lo tanto pueden afectar a cualquier órgano.

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Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_ionizante"

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