Hasta ahora hemos estudiado las llamadas reacciones químicas, que se refieren al reordenamiento de los electrones extranucleares. En cambio, ahora nos




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Radiotrazadores

A causa de la facilidad con la que se detectan los radioisótopos, se pueden usar para seguir un elemento a través de sus reacciones químicas. Por ejemplo, la incorporación de átomos de carbono del CO2 en la glucosa durante la fotosíntesis se ha estudiado usando CO2 que contiene carbono-14:
Luz solar

6 14CO2 + 6 H2O  14C6H12O6 + 6 O2

Clorofila

Se dice que el CO2 está marcado con carbono-14. Los dispositivos de detección como el contador de centelleo permiten seguir el movimiento del carbono-14 a través de los diversos compuestos intermedios hasta la glucosa.

El uso de radioisótopos es posible porque todos los isótopos de un elemento tienen propiedades químicas idénticas. Cuando una pequeña cantidad de un radioisótopo se mezcla con los isótopos estables naturales del mismo elemento, todos los isótopos sufren las mismas reacciones. La radiactividad del radioisótopo pone de manifiesto la trayectoria del elemento. Debido a que el radioisótopo se puede usar para trazar el camino del elemento, se conoce como radiotrazador.
Efectos biológicos de la radiación
Recibimos un bombardeo constante de radiación proveniente de fuentes naturales y artificiales. Por ejemplo, estamos expuestos a la radiación infrarroja, ultravioleta y visible del Sol, a ondas de radio de estaciones de televisión y radio, microondas de los hornos y rayos X de diversos procedimientos médicos. Además, estamos expuestos a la radiactividad del suelo y otros materiales naturales. Las distintas energías de estas diversas clases de radiación son importantes para entender sus variados efectos sobre la materia.

Cuando la materia absorbe radiación, su energía puede causar ya sea excitación o ionización de la materia. Se produce excitación cuando la radiación absorbida excita los electrones a estados de mayor energía o aumenta el movimiento de las moléculas haciéndolas moverse, vibrar o girar. Ocurre ionización cuando la radiación elimina un electrón de un átomo o molécula. En general, la radiación que causa ionización, llamada radiación ionizante, es mucho más dañina para los sistemas biológicos que la radiación que no la causa, llamada radiación no ionizante.

Casi todos los tejidos vivos contienen al menos 70 % de agua en masa. Cuando se irradia un tejido vivo, la mayor parte de la energía de la radiación es absorbida por moléculas de agua. Por tanto, es común definir la radiación ionizante como radiación capaz de ionizar agua, un proceso que requiere una energía mínima de 1216 kJ/mol. Los rayos alfa, beta y gamma (lo mismo que los rayos X y la radiación ultravioleta de más alta energía) poseen energías que sobrepasan esta cantidad y son por tanto formas de radiación ionizante.

Cuando la radiación ionizante pasa a través de un tejido vivo, se eliminan electrones de las moléculas de agua, con lo que se forman iones H2O+ muy reactivos. Un ion H2O+ puede reaccionar con otra molécula de agua para formar un ion H3O+ y una molécula neutra OH:

H2O+ + H2O  H3O+ + OH

La inestable y muy reactiva molécula OH es un ejemplo de radical libre, una sustancia con uno o más electrones no apareados, como se puede ver en la siguiente estructura de Lewis: Ö  H. La presencia del electrón no apareado se suele destacar escribiendo la especie con un solo punto, OH. En las células y tejidos, estas partículas pueden atacar una multitud de biomoléculas circundantes para producir nuevos radicales libres, los cuales, a su vez, atacan todavía más compuestos. Así pues, la formación de un solo radical libre puede iniciar un gran número de reacciones químicas que son capaces en último término de perturbar las operaciones normales de las células.

El daño que produce la radiación depende de la actividad y energía de la misma, de la duración de la exposición y de si la fuente está dentro o fuera del cuerpo. Fuera del cuerpo, los rayos gamma son particularmente dañinos porque penetran los tejidos humanos con gran eficacia, como lo hacen los rayos X. En consecuencia, el daño que causan no está limitado a la piel. En cambio, la piel detiene casi todos los rayos alfa, y los rayos beta sólo consiguen penetrar aproximadamente 1 cm más allá de la superficie de la piel. Por tanto, ni unos ni otros son tan peligrosos como los rayos gamma, a menos que la fuente de radiación entre de alguna manera en el cuerpo. Dentro del organismo, los rayos alfa son particularmente peligrosos porque transfieren rápidamente su energía al tejido circundante e inician daños considerables.
Capacidad relativa de penetración de la radiación alfa, beta y gamma
En general, los tejidos que muestran mayor daño a consecuencia de la radiación son los que se reproducen con rapidez, como la médula ósea, los tejidos formadores de sangre y los nódulos linfáticos. El efecto principal de una exposición prolongada a dosis bajas de radiación es la inducción de cáncer. El cáncer es causado por daños al mecanismo regulador del crecimiento de las células, lo que induce a la célula a reproducirse sin control. La leucemia, que se caracteriza por el crecimiento excesivo de glóbulos blancos de la sangre, es probablemente el principal problema de cáncer asociado a la radiación.

En vista de los efectos biológicos de la radiación, es importante determinar si algún nivel de exposición no ofrece peligro. Desafortunadamente, los intentos por fijar normas realistas se han visto obstaculizados por la falta de comprensión de los efectos de la exposición de larga duración a la radiación. Los científicos que se ocupan de fijar normas sanitarias han aplicado la hipótesis de que los efectos de la radiación son proporcionales a la exposición, incluso en dosis bajas. Se supone que cualquier cantidad de radiación causa cierto riesgo de lesión, y los efectos de las dosis altas se extrapolan a las más bajas. En cambio, otros científicos consideran que existe un umbral abajo del cual la radiación no representa un riesgo. Hasta que las pruebas científicas permitan definir la cuestión con cierta confianza, es más seguro suponer que incluso los niveles bajos de radiación plantean cierto peligro.
Dosis de radiación
Se usan varias unidades distintas para medir radiación. El becquerel (Bq) es la unidad SI para la actividad de la fuente de radiación, es decir, para la rapidez con la que las desintegraciones nucleares están ocurriendo. Un becquerel se define como una desintegración nuclear por segundo. Una unidad de actividad más antigua, pero que todavía se usa ampliamente, es el curie (Ci), que se define como 3,7.1010 desintegraciones por segundo, que es la velocidad de desintegración de 1 g de radio. Así pues, una muestra de 4,0 mCi de cobalto-60 sufre (4,0.10-3)(3,7.1010) = 1,5.108 desintegraciones por segundo y tiene una actividad de 1,5.108 Bq.

Dos unidades de uso común para medir la cantidad de exposición a la radiación son el gray y el rad. El gray (Gy), que es la unidad SI de dosis adsorbida, corresponde a la absorción de 1 J de energía por kilogramo de tejido. El rad (radiation absorbed dose; dosis de radiación adsorbida) corresponde a la absorción de 1.10-2 J de energía por kilogramo de tejido. Por consiguiente, 1 Gy = 100 rads. El rad es la unidad de uso más frecuente en medicina.

No todas las formas de radiación tienen la misma eficiencia para dañar materiales biológicos. Por ejemplo, un rad de radiación alfa puede producir más daño que un rad de radiación beta. Para hacer la corrección por estas diferencias la dosis de radiación se multiplica por un factor que mide el daño biológico relativo causado por la radiación. El factor de multiplicación se conoce como efectividad biológica relativa de la radiación y se abrevia RBE (relative biological effectiveness). La RBE es aproximadamente 1 para la radiación gamma y beta, y 10 para la radiación alfa. El valor exacto de la RBE varía con la rapidez de la dosis, la dosis total y el tipo de tejido afectado. El producto de la dosis de radiación en rads por la RBE de la radiación proporciona la dosis efectiva en unidades de rem (roentgen equivalent for man; equivalentes en roentgens para el hombre):

Número de rems = (número de rads) (RBE)

La unidad SI de dosificación efectiva es el Sievert (Sv), el cual se obtiene multiplicando la RBE por la unidad SI de dosis de radiación, el gray; por tanto, 1 Sv = 100 rem. El rem es la unidad de daño por radiación que se usa ordinariamente en medicina.

Los efectos de las exposiciones de corta duración a la radiación aparecen en la siguiente tabla:


Efectos de la exposición de corta duración a la radiación

Dosis (rem)

Efecto

0 a 25

No hay efectos clínicos detectables

25 a 50

Disminución temporal ligera de la cuenta de glóbulos blancos en la sangre

100 a 200

Náusea, descenso notable en los glóbulos blancos de la sangre

500

Muerte de la mitad de la población expuesta menos de 30 días después de la exposición


Una exposición de 600 rem es mortal para casi cualquier ser humano. Para poner este número en perspectiva, una radiografía dental típica significa una exposición de alrededor de 0,5 mrem. La exposición media para una persona en un año, debida a todas las fuentes naturales de radiación ionizante (llamada radiación de fondo) es de alrededor de 360 mrem.
Fisión nuclear
Tanto la división de núcleos pesados (fisión) como la unión de núcleos ligeros (fusión) son procesos exotérmicos. Las plantas comerciales de energía nuclear y las formas más comunes de armamento nuclear dependen del proceso de fisión nuclear para su funcionamiento. La primera fisión nuclear que se descubrió fue la del uranio-235. Este núcleo, al igual que los de uranio-233 y plutonio-239, sufre fisión cuando es alcanzado por un neutrón de movimiento lento. Este proceso de fisión inducida se ilustra en la siguiente figura:

Un núcleo pesado se puede dividir de muchas maneras distintas. En las siguientes ecuaciones se muestran dos formas de división del uranio-235:

13752Te + 9740Zr + 2 10n
10n + 23592U

14256Ba + 9136Kr + 3 10n
Se han encontrado más de 200 isótopos diferentes de 35 elementos distintos entre los productos de fisión del uranio-235. Casi todos ellos son radiactivos.

En promedio, se producen 2,4 neutrones por cada fisión de uranio-235. Si una fisión produce 2 neutrones, estos 2 neutrones pueden causar dos fisiones. Los 4 neutrones que se liberan de esta manera pueden producir cuatro fisiones, y así sucesivamente, como se muestra en la siguiente figura:

Fusión nuclear
Se produce energía cuando los núcleos ligeros se fusionan para formar otros más pesados. Las reacciones de este tipo son el origen de la energía que produce el Sol. Los estudios espectroscópicos indican que el Sol se compone de 73% de H, 26% de He y sólo 1 % de todos los demás elementos, en masa. Entre los diversos procesos de fusión que se considera se están llevando a cabo están los siguientes:

11H + 11H  21H + 01e

11H + 21H  32He

32He + 32He  42He + 2 11H

32He + 11H  42He + 01e

Se han propuesto teorías para la generación de los demás elementos a través de procesos de fusión.

La fusión es atractiva como fuente de energía a causa de la disponibilidad de isótopos ligeros y porque en general los productos de fusión no son radiactivos. No obstante lo anterior, la fusión no se usa actualmente para generar energía. El problema es que se requieren energías elevadas para vencer la repulsión entre núcleos. Las energías necesarias se alcanzan por medio de altas temperaturas.
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