En física , la radiación es la emisión o transmisión de energía en forma de ondas o partículas a través del espacio o de un medio material. [1] [2] Esto incluye:
La radiación a menudo se clasifica como ionizante o no ionizante según la energía de las partículas irradiadas. La radiación ionizante transporta más de 10 electronvoltios (eV) , que son suficientes para ionizar átomos y moléculas y romper enlaces químicos . Esta es una distinción importante debido a la gran diferencia en la nocividad para los organismos vivos. Una fuente común de radiación ionizante son los materiales radiactivos que emiten radiación α, β o γ , compuestos por núcleos de helio , electrones o positrones y fotones , respectivamente. Otras fuentes incluyen rayos X de exámenes de radiografía médica y muones , mesones , positrones, neutrones y otras partículas que constituyen los rayos cósmicos secundarios que se producen después de que los rayos cósmicos primarios interactúan con la atmósfera de la Tierra .
Los rayos gamma, los rayos X y el rango de energía superior de la luz ultravioleta constituyen la parte ionizante del espectro electromagnético . La palabra "ionizar" se refiere a la ruptura de uno o más electrones de un átomo, una acción que requiere las energías relativamente altas que suministran estas ondas electromagnéticas. Más abajo en el espectro, las energías inferiores no ionizantes del espectro ultravioleta inferior no pueden ionizar átomos, pero pueden alterar los enlaces interatómicos que forman las moléculas, descomponiendo así moléculas en lugar de átomos; un buen ejemplo de esto son las quemaduras solares causadas por la radiación ultravioleta solar de longitud de onda larga . Las ondas de longitud de onda más larga que los rayos UV en las frecuencias de luz visible, infrarroja y microondas no pueden romper los enlaces, pero pueden causar vibraciones en los enlaces que se perciben como calor . Las longitudes de onda de radio e inferiores generalmente no se consideran dañinas para los sistemas biológicos. Éstas no son delineaciones claras de las energías; existe cierta superposición en los efectos de frecuencias específicas . [3]
La palabra "radiación" surge del fenómeno de ondas que irradian (es decir, que viajan en todas direcciones) desde una fuente. Este aspecto conduce a un sistema de medidas y unidades físicas que se aplican a todo tipo de radiación. Debido a que dicha radiación se expande a medida que atraviesa el espacio y su energía se conserva (en el vacío), la intensidad de todos los tipos de radiación provenientes de una fuente puntual sigue una ley del cuadrado inverso en relación con la distancia desde su fuente. Como cualquier ley ideal, la ley del cuadrado inverso se aproxima a una intensidad de radiación medida en la medida en que la fuente se aproxima a un punto geométrico.
La radiación con energía suficientemente alta puede ionizar átomos; es decir, puede arrancar electrones de los átomos, creando iones. La ionización ocurre cuando un electrón es arrancado (o "eliminado") de una capa electrónica del átomo, lo que deja al átomo con una carga neta positiva. Debido a que esta ionización puede dañar las células vivas y, lo que es más importante, el ADN de esas células, la exposición a la radiación ionizante aumenta el riesgo de cáncer . Por lo tanto, la "radiación ionizante" se separa artificialmente de la radiación de partículas y de la radiación electromagnética, simplemente debido a su gran potencial de daño biológico. Si bien una célula individual está formada por billones de átomos, sólo una pequeña fracción de ellos se ionizará con potencias de radiación bajas a moderadas. La probabilidad de que la radiación ionizante cause cáncer depende de la dosis absorbida de la radiación y es función de la tendencia dañina del tipo de radiación ( dosis equivalente ) y de la sensibilidad del organismo o tejido irradiado ( dosis efectiva ).
Si la fuente de radiación ionizante es un material radiactivo o un proceso nuclear como la fisión o la fusión , hay que considerar la radiación de partículas . La radiación de partículas son partículas subatómicas aceleradas a velocidades relativistas por reacciones nucleares. Debido a sus momentos , son bastante capaces de eliminar electrones y materiales ionizantes, pero como la mayoría tiene carga eléctrica, no tienen el poder de penetración de la radiación ionizante. La excepción son las partículas de neutrones; vea abajo. Hay varios tipos diferentes de estas partículas, pero la mayoría son partículas alfa , partículas beta , neutrones y protones . En términos generales, los fotones y partículas con energías superiores a unos 10 electronvoltios (eV) son ionizantes (algunas autoridades utilizan 33 eV, la energía de ionización del agua). La radiación de partículas de material radiactivo o rayos cósmicos casi invariablemente transporta suficiente energía para ser ionizante.
La mayor parte de la radiación ionizante se origina en materiales radiactivos y en el espacio (rayos cósmicos) y, como tal, está presente de forma natural en el medio ambiente, ya que la mayoría de las rocas y el suelo tienen pequeñas concentraciones de materiales radiactivos. Dado que esta radiación es invisible y no detectable directamente por los sentidos humanos, generalmente se requieren instrumentos como los contadores Geiger para detectar su presencia. En algunos casos, puede dar lugar a una emisión secundaria de luz visible al interactuar con la materia, como en el caso de la radiación Cherenkov y la radioluminiscencia.
La radiación ionizante tiene muchos usos prácticos en medicina, investigación y construcción, pero presenta un riesgo para la salud si se usa incorrectamente. La exposición a la radiación causa daño al tejido vivo; dosis altas provocan el síndrome de radiación aguda (ARS), con quemaduras en la piel, caída del cabello, insuficiencia de órganos internos y muerte, mientras que cualquier dosis puede provocar una mayor probabilidad de cáncer y daño genético ; Una forma particular de cáncer, el cáncer de tiroides , ocurre a menudo cuando las armas y reactores nucleares son la fuente de radiación debido a las inclinaciones biológicas del producto de fisión del yodo radiactivo, el yodo-131 . [4] Sin embargo, aún no se comprende bien cómo calcular el riesgo exacto y la probabilidad de que se forme cáncer en las células causadas por la radiación ionizante, y actualmente las estimaciones están determinadas en términos generales por datos poblacionales de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y del seguimiento. de accidentes de reactores, como el desastre de Chernobyl . La Comisión Internacional de Protección Radiológica afirma que "La Comisión es consciente de las incertidumbres y la falta de precisión de los modelos y valores de los parámetros", "La dosis efectiva colectiva no pretende ser una herramienta para la evaluación de riesgos epidemiológicos y no es apropiado utilizarla en proyecciones de riesgo" y "en particular, se debe evitar el cálculo del número de muertes por cáncer basándose en dosis efectivas colectivas a partir de dosis individuales triviales". [5]
El ultravioleta, con longitudes de onda de 10 nm a 125 nm, ioniza las moléculas del aire, provocando que sea fuertemente absorbido por el aire y, en particular, por el ozono (O 3 ). Por lo tanto, los rayos ultravioleta ionizantes no penetran la atmósfera de la Tierra en un grado significativo y, a veces, se los denomina rayos ultravioleta del vacío . Aunque está presente en el espacio, esta parte del espectro UVA no tiene importancia biológica porque no llega a los organismos vivos en la Tierra.
Hay una zona de la atmósfera en la que el ozono absorbe alrededor del 98% de los rayos UV-C y UV-B, no ionizantes pero peligrosos. Esta capa de ozono comienza a unas 20 millas (32 km) y se extiende hacia arriba. Parte del espectro ultravioleta que llega al suelo no es ionizante, pero sigue siendo biológicamente peligroso debido a la capacidad de los fotones individuales de esta energía para provocar excitación electrónica en moléculas biológicas y, por tanto, dañarlas mediante reacciones no deseadas. Un ejemplo es la formación de dímeros de pirimidina en el ADN, que comienza en longitudes de onda inferiores a 365 nm (3,4 eV), que está muy por debajo de la energía de ionización. Esta propiedad le da al espectro ultravioleta algunos de los peligros de la radiación ionizante en sistemas biológicos sin que se produzca ionización real. Por el contrario, la luz visible y la radiación electromagnética de longitud de onda más larga, como la infrarroja, las microondas y las ondas de radio, están formadas por fotones con muy poca energía para provocar una excitación molecular dañina y, por tanto, esta radiación es mucho menos peligrosa por unidad de energía.
Los rayos X son ondas electromagnéticas con una longitud de onda inferior a aproximadamente 10 −9 m (superior a 3x10 17 Hz y 1240 eV). Una longitud de onda más pequeña corresponde a una energía más alta según la ecuación E = h c / λ . ("E" es energía; "h" es la constante de Planck; "c" es la velocidad de la luz; "λ" es la longitud de onda). Cuando un fotón de rayos X choca con un átomo, el átomo puede absorber la energía del fotón. e impulsar un electrón a un nivel orbital más alto o, si el fotón es extremadamente energético, puede expulsar un electrón del átomo por completo, provocando que el átomo se ionice. Generalmente, es más probable que los átomos más grandes absorban un fotón de rayos X, ya que tienen mayores diferencias de energía entre los electrones orbitales. El tejido blando del cuerpo humano está compuesto por átomos más pequeños que los átomos de calcio que forman el hueso, por lo que existe un contraste en la absorción de los rayos X. Las máquinas de rayos X están diseñadas específicamente para aprovechar la diferencia de absorción entre el hueso y el tejido blando, lo que permite a los médicos examinar la estructura del cuerpo humano.
Los rayos X también son totalmente absorbidos por el espesor de la atmósfera terrestre, lo que impide que la emisión de rayos X del sol, en cantidad menor que la de los rayos UV pero igualmente potentes, llegue a la superficie.
La radiación gamma (γ) está formada por fotones con una longitud de onda inferior a 3x10 −11 metros (superior a 10 19 Hz y 41,4 keV). [4] La emisión de radiación gamma es un proceso nuclear que se produce para eliminar el exceso de energía de un núcleo inestable después de la mayoría de las reacciones nucleares. Tanto las partículas alfa como las beta tienen carga eléctrica y masa y, por lo tanto, es muy probable que interactúen con otros átomos en su camino. La radiación gamma, sin embargo, está compuesta de fotones que no tienen masa ni carga eléctrica y, por tanto, penetra mucho más en la materia que la radiación alfa o beta.
Los rayos gamma pueden ser detenidos por una capa de material suficientemente gruesa o densa, donde el poder de frenado del material por área determinada depende principalmente (pero no completamente) de la masa total a lo largo del camino de la radiación, independientemente de si el material es de alta o baja densidad. Sin embargo, como es el caso de los rayos X, los materiales con un número atómico alto, como el plomo o el uranio empobrecido, añaden una cantidad modesta (normalmente entre un 20% y un 30%) de poder de frenado sobre una masa igual de materiales menos densos y de menor peso atómico. (como agua u hormigón). La atmósfera absorbe todos los rayos gamma que se acercan a la Tierra desde el espacio. Incluso el aire es capaz de absorber rayos gamma, reduciendo a la mitad la energía de dichas ondas al pasar, en promedio, a 150 m (500 pies).
Las partículas alfa son núcleos de helio-4 (dos protones y dos neutrones). Interactúan fuertemente con la materia debido a sus cargas y masa combinada, y a sus velocidades habituales sólo penetran unos pocos centímetros de aire, o unos pocos milímetros de material de baja densidad (como el fino material de mica que se coloca especialmente en algunos tubos de contador Geiger). para permitir la entrada de partículas alfa). Esto significa que las partículas alfa de la desintegración alfa ordinaria no penetran las capas externas de las células muertas de la piel y no causan daño a los tejidos vivos que se encuentran debajo. Algunas partículas alfa de muy alta energía componen alrededor del 10% de los rayos cósmicos , y éstas son capaces de penetrar el cuerpo e incluso finas placas metálicas. Sin embargo, sólo representan un peligro para los astronautas, ya que son desviados por el campo magnético de la Tierra y luego detenidos por su atmósfera.
La radiación alfa es peligrosa cuando se ingieren o inhalan (respiran o tragan) radioisótopos emisores de alfa . Esto acerca el radioisótopo lo suficiente al tejido vivo sensible como para que la radiación alfa dañe las células. Por unidad de energía, las partículas alfa son al menos 20 veces más eficaces para dañar las células que los rayos gamma y los rayos X. Consulte efectividad biológica relativa para una discusión sobre esto. Ejemplos de emisores alfa altamente venenosos son todos los isótopos de radio , radón y polonio , debido a la cantidad de desintegración que se produce en estos materiales de vida media corta.
La radiación beta-menos (β − ) consta de un electrón energético. Es más penetrante que la radiación alfa pero menos que la gamma. La radiación beta procedente de la desintegración radiactiva se puede detener con unos pocos centímetros de plástico o unos pocos milímetros de metal. Ocurre cuando un neutrón se desintegra en un protón en un núcleo, liberando la partícula beta y un antineutrino . La radiación beta de los aceleradores linac es mucho más energética y penetrante que la radiación beta natural. A veces se utiliza terapéuticamente en radioterapia para tratar tumores superficiales.
La radiación beta-plus (β + ) es la emisión de positrones , que son la forma de antimateria de los electrones. Cuando un positrón se desacelera a velocidades similares a las de los electrones en el material, el positrón aniquilará un electrón, liberando dos fotones gamma de 511 keV en el proceso. Esos dos fotones gamma viajarán en dirección (aproximadamente) opuesta. La radiación gamma procedente de la aniquilación de positrones se compone de fotones de alta energía y también es ionizante.
Los neutrones se clasifican según su velocidad/energía. La radiación de neutrones está formada por neutrones libres . Estos neutrones pueden emitirse durante la fisión nuclear espontánea o inducida. Los neutrones son partículas de radiación raras; se producen en grandes cantidades sólo cuando están activas reacciones de fisión o fusión en cadena ; esto sucede durante unos 10 microsegundos en una explosión termonuclear, o de forma continua dentro de un reactor nuclear en funcionamiento; La producción de neutrones se detiene casi inmediatamente en el reactor cuando deja de ser crítico.
Los neutrones pueden hacer que otros objetos o materiales sean radiactivos. Este proceso, llamado activación de neutrones , es el método principal utilizado para producir fuentes radiactivas para uso en aplicaciones médicas, académicas e industriales. Incluso los neutrones térmicos de velocidad comparativamente baja provocan la activación de neutrones (de hecho, la provocan de forma más eficiente). Los neutrones no ionizan los átomos de la misma manera que lo hacen las partículas cargadas como los protones y los electrones (mediante la excitación de un electrón), porque los neutrones no tienen carga. Es a través de su absorción por los núcleos que luego se vuelven inestables que provocan la ionización. Por tanto, se dice que los neutrones son "ionizantes indirectamente". Incluso los neutrones sin una energía cinética significativa son ionizantes indirectamente y, por tanto, suponen un importante peligro de radiación. No todos los materiales son capaces de activarse mediante neutrones; en el agua, por ejemplo, los isótopos más comunes de ambos tipos de átomos presentes (hidrógeno y oxígeno) capturan neutrones y se vuelven más pesados, pero siguen siendo formas estables de esos átomos. Sólo la absorción de más de un neutrón, algo estadísticamente raro, puede activar un átomo de hidrógeno, mientras que el oxígeno requiere dos absorciones adicionales. Por tanto, el agua sólo tiene una capacidad de activación muy débil. El sodio de la sal (como el del agua de mar), por otra parte, sólo necesita absorber un único neutrón para convertirse en Na-24, una fuente muy intensa de desintegración beta, con una vida media de 15 horas.
Además, los neutrones de alta energía (alta velocidad) tienen la capacidad de ionizar átomos directamente. Un mecanismo mediante el cual los neutrones de alta energía ionizan átomos es golpear el núcleo de un átomo y sacarlo de una molécula, dejando uno o más electrones atrás cuando se rompe el enlace químico . Esto conduce a la producción de radicales libres químicos . Además, los neutrones de muy alta energía pueden causar radiación ionizante por "espalación de neutrones" o knockout, donde los neutrones provocan la emisión de protones de alta energía de los núcleos atómicos (especialmente los núcleos de hidrógeno) al impactar. El último proceso imparte la mayor parte de la energía del neutrón al protón, de forma muy parecida a como una bola de billar golpea a otra. Los protones cargados y otros productos de tales reacciones se ionizan directamente.
Los neutrones de alta energía son muy penetrantes y pueden viajar grandes distancias en el aire (cientos o incluso miles de metros) y distancias moderadas (varios metros) en los sólidos comunes. Por lo general, requieren un blindaje rico en hidrógeno, como concreto o agua, para bloquearlos a distancias de menos de un metro. Una fuente común de radiación de neutrones se produce dentro de un reactor nuclear , donde se utiliza una capa de agua de metros de espesor como blindaje eficaz.
Hay dos fuentes de partículas de alta energía que ingresan a la atmósfera terrestre desde el espacio exterior: el sol y el espacio profundo. El Sol emite continuamente partículas, principalmente protones libres, en el viento solar, y ocasionalmente aumenta enormemente el flujo con eyecciones de masa coronal (CME).
Las partículas del espacio profundo (intergaláctico y extragaláctico) son mucho menos frecuentes, pero de energías mucho más elevadas. Estas partículas también son en su mayoría protones, y gran parte del resto consiste en helios (partículas alfa). Están presentes unos pocos núcleos completamente ionizados de elementos más pesados. El origen de estos rayos cósmicos galácticos aún no se comprende bien, pero parecen ser restos de supernovas y especialmente de estallidos de rayos gamma (GRB), que presentan campos magnéticos capaces de las enormes aceleraciones medidas por estas partículas. También pueden ser generados por cuásares , que son fenómenos en chorro que abarcan toda la galaxia, similares a los GRB pero conocidos por su tamaño mucho mayor, y que parecen ser una parte violenta de la historia temprana del universo.
La energía cinética de las partículas de radiación no ionizante es demasiado pequeña para producir iones cargados al atravesar la materia. Para la radiación electromagnética no ionizante (ver tipos a continuación), las partículas asociadas (fotones) solo tienen energía suficiente para cambiar las configuraciones de valencia rotacional, vibratoria o electrónica de moléculas y átomos. Sólo recientemente se ha estudiado el efecto de las formas de radiación no ionizante sobre los tejidos vivos. Sin embargo, se observan diferentes efectos biológicos para diferentes tipos de radiación no ionizante. [4] [6]
Incluso la radiación "no ionizante" es capaz de provocar ionización térmica si deposita suficiente calor para elevar las temperaturas a energías de ionización. Estas reacciones ocurren a energías mucho más altas que con la radiación de ionización, que requiere solo partículas individuales para causar la ionización. Un ejemplo familiar de ionización térmica es la ionización de la llama de un fuego común y las reacciones de dorado en alimentos comunes inducidas por radiación infrarroja durante la cocción tipo asado.
El espectro electromagnético es el rango de todas las frecuencias posibles de radiación electromagnética. [4] El espectro electromagnético (generalmente solo espectro) de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética emitida o absorbida por ese objeto en particular.
La porción no ionizante de la radiación electromagnética consiste en ondas electromagnéticas que (como cuantos o partículas individuales, ver fotón ) no tienen suficiente energía para separar electrones de átomos o moléculas y, por lo tanto, causar su ionización. Estos incluyen ondas de radio, microondas, infrarrojos y (a veces) luz visible. Las frecuencias más bajas de la luz ultravioleta pueden causar cambios químicos y daños moleculares similares a la ionización, pero técnicamente no son ionizantes. Las frecuencias más altas de la luz ultravioleta, así como todos los rayos X y gamma, son ionizantes.
La aparición de ionización depende de la energía de las partículas u ondas individuales, y no de su número. Una inundación intensa de partículas u ondas no causará ionización si estas partículas u ondas no transportan suficiente energía para ser ionizantes, a menos que eleven la temperatura de un cuerpo a un punto lo suficientemente alto como para ionizar pequeñas fracciones de átomos o moléculas mediante el proceso de ionización térmica (esto, sin embargo, requiere intensidades de radiación relativamente extremas).
Como se señaló anteriormente, la parte inferior del espectro ultravioleta, denominada UV suave, desde 3 eV hasta aproximadamente 10 eV, no es ionizante. Sin embargo, los efectos de la radiación ultravioleta no ionizante en la química y el daño a los sistemas biológicos expuestos a ella (incluida la oxidación, la mutación y el cáncer) son tales que incluso esta parte de la radiación ultravioleta a menudo se compara con la radiación ionizante.
La luz, o luz visible, es un rango muy estrecho de radiación electromagnética de una longitud de onda visible para el ojo humano, o 380 a 750 nm, que equivale a un rango de frecuencia de 790 a 400 THz respectivamente. [4] En términos más generales, los físicos utilizan el término "luz" para referirse a la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda, ya sea visible o no.
La luz infrarroja (IR) es una radiación electromagnética con una longitud de onda de entre 0,7 y 300 micrómetros, lo que corresponde a un rango de frecuencia de entre 430 y 1 THz respectivamente. Las longitudes de onda del IR son más largas que las de la luz visible, pero más cortas que las de las microondas. Los infrarrojos pueden detectarse a cierta distancia de los objetos radiantes mediante el "tacto". Las serpientes detectoras de infrarrojos pueden detectar y enfocar los infrarrojos mediante el uso de una lente estenopeica en sus cabezas, llamada "hoyos". La luz solar brillante proporciona una irradiancia de poco más de 1 kilovatio por metro cuadrado al nivel del mar. De esta energía, el 53% es radiación infrarroja, el 44% es luz visible y el 3% es radiación ultravioleta. [4]
Las microondas son ondas electromagnéticas con longitudes de onda que van desde un milímetro hasta un metro, lo que equivale a un rango de frecuencia de 300 MHz a 300 GHz. Esta definición amplia incluye tanto UHF como EHF (ondas milimétricas), pero varias fuentes utilizan otros límites diferentes. [4] En todos los casos, las microondas incluyen toda la banda de frecuencia súper alta (3 a 30 GHz, o 10 a 1 cm) como mínimo, y la ingeniería de RF a menudo sitúa el límite inferior en 1 GHz (30 cm) y el superior alrededor de 100 GHz (3 mm).
Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética con longitudes de onda en el espectro electromagnético más largas que la luz infrarroja. Como todas las demás ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz. Las ondas de radio que se producen naturalmente son producidas por rayos o por ciertos objetos astronómicos. Las ondas de radio generadas artificialmente se utilizan para comunicaciones por radio fijas y móviles, radiodifusión, radares y otros sistemas de navegación, comunicaciones por satélite, redes informáticas y muchas otras aplicaciones. Además, casi cualquier cable que transporte corriente alterna irradiará parte de la energía en forma de ondas de radio; en su mayoría se denominan interferencias. Diferentes frecuencias de ondas de radio tienen diferentes características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden doblarse al ritmo de la curvatura de la Tierra y pueden cubrir una parte de la Tierra de manera muy consistente, las ondas más cortas viajan alrededor del mundo mediante múltiples reflexiones de la ionosfera y la Tierra. Las longitudes de onda mucho más cortas se curvan o reflejan muy poco y viajan a lo largo de la línea de visión.
La frecuencia muy baja (VLF) se refiere a un rango de frecuencia de 30 Hz a 3 kHz que corresponde a longitudes de onda de 100.000 a 10.000 metros respectivamente. Dado que en esta zona del espectro radioeléctrico no hay mucho ancho de banda, sólo se pueden transmitir las señales más simples, como por ejemplo para la radionavegación. También conocida como banda de miriámetro u onda de miriámetro ya que las longitudes de onda varían de diez a un miriámetro (una unidad métrica obsoleta equivalente a 10 kilómetros).
La frecuencia extremadamente baja (ELF) son frecuencias de radiación de 3 a 30 Hz (10,8 a 10,7 metros respectivamente). En ciencias de la atmósfera, se suele dar una definición alternativa, de 3 Hz a 3 kHz. [4] En la ciencia relacionada con la magnetosfera, se considera que las oscilaciones electromagnéticas de baja frecuencia (pulsaciones que ocurren por debajo de ~3 Hz) se encuentran en el rango ULF, que por lo tanto también se define de manera diferente a las Bandas de Radio de la UIT. Una enorme antena ELF militar en Michigan irradia mensajes muy lentos a receptores que de otro modo serían inalcanzables, como los submarinos sumergidos.
La radiación térmica es un sinónimo común de la radiación infrarroja emitida por objetos a temperaturas que suelen encontrarse en la Tierra. La radiación térmica se refiere no sólo a la radiación en sí, sino también al proceso mediante el cual la superficie de un objeto irradia su energía térmica en forma de radiación de cuerpo negro. La radiación infrarroja o roja de un radiador doméstico común o un calentador eléctrico es un ejemplo de radiación térmica, al igual que el calor emitido por una bombilla incandescente en funcionamiento. La radiación térmica se genera cuando la energía del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.
Como se señaló anteriormente, incluso la radiación térmica de baja frecuencia puede causar ionización de la temperatura siempre que deposite suficiente energía térmica para elevar las temperaturas a un nivel suficientemente alto. Ejemplos comunes de esto son la ionización (plasma) que se observa en las llamas comunes y los cambios moleculares causados por el " oscurecimiento " durante la cocción de los alimentos, que es un proceso químico que comienza con un gran componente de ionización.
La radiación de cuerpo negro es un espectro idealizado de radiación emitida por un cuerpo que se encuentra a una temperatura uniforme. La forma del espectro y la cantidad total de energía emitida por el cuerpo es función de la temperatura absoluta de ese cuerpo. La radiación emitida cubre todo el espectro electromagnético y la intensidad de la radiación (potencia/unidad de área) a una frecuencia determinada se describe mediante la ley de radiación de Planck . Para una temperatura determinada de un cuerpo negro, existe una frecuencia particular en la que la radiación emitida alcanza su máxima intensidad. Esa frecuencia máxima de radiación se mueve hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la temperatura del cuerpo. La frecuencia a la que la radiación del cuerpo negro es máxima está dada por la ley de desplazamiento de Wien y es función de la temperatura absoluta del cuerpo. Un cuerpo negro es aquel que emite a cualquier temperatura la máxima cantidad posible de radiación en cualquier longitud de onda determinada. Un cuerpo negro también absorberá la máxima radiación incidente posible en cualquier longitud de onda determinada. Un cuerpo negro con una temperatura igual o inferior a la temperatura ambiente parecería absolutamente negro, ya que no reflejaría ninguna luz incidente ni emitiría suficiente radiación en longitudes de onda visibles para que nuestros ojos la detecten. En teoría, un cuerpo negro emite radiación electromagnética en todo el espectro, desde ondas de radio de muy baja frecuencia hasta rayos X, creando un continuo de radiación.
El color de un cuerpo negro radiante indica la temperatura de su superficie radiante. Es responsable del color de las estrellas , que varían desde el infrarrojo hasta el rojo (2500 K), el amarillo (5800 K), el blanco y el azul-blanco (15 000 K) a medida que el máximo de radiación pasa por esos puntos en el espectro visible. . Cuando el pico está por debajo del espectro visible el cuerpo es negro, mientras que cuando está por encima el cuerpo es azul-blanco, ya que todos los colores visibles se representan desde el azul disminuyendo hasta el rojo.
La radiación electromagnética de longitudes de onda distintas de la luz visible se descubrió a principios del siglo XIX. El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel . Herschel publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres . Herschel, al igual que Ritter, utilizó un prisma para refractar la luz del Sol y detectó el infrarrojo (más allá de la parte roja del espectro), a través de un aumento de la temperatura registrada por un termómetro .
En 1801, el físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubrió la luz ultravioleta al observar que los rayos de un prisma oscurecían las preparaciones de cloruro de plata más rápidamente que la luz violeta. Los experimentos de Ritter fueron uno de los primeros precursores de lo que se convertiría en la fotografía. Ritter señaló que los rayos ultravioleta eran capaces de provocar reacciones químicas.
Las primeras ondas de radio detectadas no procedían de una fuente natural, sino que fueron producidas de forma deliberada y artificial por el científico alemán Heinrich Hertz en 1887, utilizando circuitos eléctricos calculados para producir oscilaciones en el rango de radiofrecuencia, siguiendo fórmulas sugeridas por las ecuaciones de James Clerk Maxwell. .
Wilhelm Röntgen descubrió y nombró los rayos X. Mientras experimentaba con altos voltajes aplicados a un tubo de vacío el 8 de noviembre de 1895, notó una fluorescencia en una placa de vidrio revestida cercana. En un mes, descubrió las principales propiedades de los rayos X que conocemos hasta el día de hoy.
En 1896, Henri Becquerel descubrió que los rayos que emanaban de ciertos minerales penetraban el papel negro y empañaban una placa fotográfica no expuesta. Su estudiante de doctorado Marie Curie descubrió que sólo ciertos elementos químicos emitían estos rayos de energía. Llamó a este comportamiento radioactividad .
Ernest Rutherford diferenció los rayos alfa (partículas alfa) y los rayos beta ( partículas beta ) mediante una simple experimentación en 1899. Rutherford utilizó una fuente radiactiva de pechblenda genérica y determinó que los rayos producidos por la fuente tenían diferentes penetraciones en los materiales. Un tipo tenía una penetración corta (se detenía con papel) y una carga positiva, a los que Rutherford llamó rayos alfa. El otro era más penetrante (capaz de exponer la película a través del papel pero no del metal) y tenía una carga negativa, y a este tipo Rutherford lo llamó beta. Esta era la radiación que Becquerel había detectado por primera vez a partir de sales de uranio. En 1900, el científico francés Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación procedente del radio, con carga neutra y especialmente penetrante, y después de describirla, Rutherford se dio cuenta de que debía tratarse de un tercer tipo de radiación, a la que en 1903 Rutherford denominó rayos gamma .
El propio Henri Becquerel demostró que los rayos beta son electrones rápidos, mientras que Rutherford y Thomas Royds demostraron en 1909 que las partículas alfa son helio ionizado. Rutherford y Edward Andrade demostraron en 1914 que los rayos gamma son como los rayos X, pero con longitudes de onda más cortas.
Las radiaciones de rayos cósmicos que llegan a la Tierra desde el espacio exterior fueron finalmente reconocidas y demostradas definitivamente en 1912, cuando el científico Victor Hess llevó un electrómetro a varias altitudes en un vuelo libre en globo. La naturaleza de estas radiaciones sólo se fue comprendiendo gradualmente en años posteriores.
La radiación de neutrones y neutrones fue descubierta por James Chadwick en 1932. Poco tiempo después, se descubrieron otras radiaciones de partículas de alta energía, como positrones , muones y piones , mediante el examen en cámara de niebla de las reacciones de los rayos cósmicos, y se produjeron otros tipos de radiación de partículas. artificialmente en aceleradores de partículas , durante la última mitad del siglo XX.
La radiación y las sustancias radiactivas se utilizan para el diagnóstico, el tratamiento y la investigación. Los rayos X, por ejemplo, atraviesan los músculos y otros tejidos blandos, pero son detenidos por materiales densos. Esta propiedad de los rayos X permite a los médicos encontrar huesos rotos y localizar cánceres que podrían estar creciendo en el cuerpo. [7] Los médicos también encuentran ciertas enfermedades inyectando una sustancia radiactiva y monitoreando la radiación emitida a medida que la sustancia se mueve por el cuerpo. [8] La radiación utilizada para el tratamiento del cáncer se llama radiación ionizante porque forma iones en las células de los tejidos por los que pasa a medida que desaloja los electrones de los átomos. Esto puede matar células o cambiar genes para que las células no puedan crecer. Otras formas de radiación, como las ondas de radio, las microondas y las ondas de luz, se denominan no ionizantes. No tienen tanta energía por lo que no son capaces de ionizar las células. [9]
Todos los sistemas de comunicación modernos utilizan formas de radiación electromagnética. Las variaciones en la intensidad de la radiación representan cambios en el sonido, las imágenes u otra información que se transmite. Por ejemplo, una voz humana se puede enviar como una onda de radio o microondas haciendo que la onda varíe según las variaciones correspondientes en la voz. Los músicos también han experimentado con la sonificación de rayos gamma, o el uso de radiación nuclear, para producir sonido y música. [10]
Los investigadores utilizan átomos radiactivos para determinar la edad de materiales que alguna vez formaron parte de un organismo vivo. La edad de dichos materiales se puede estimar midiendo la cantidad de carbono radiactivo que contienen en un proceso llamado datación por radiocarbono . De manera similar, utilizando otros elementos radiactivos, se puede determinar la edad de las rocas y otras características geológicas (incluso algunos objetos fabricados por el hombre); esto se llama datación radiométrica . Los científicos ambientales utilizan átomos radiactivos, conocidos como átomos trazadores , para identificar las rutas que siguen los contaminantes a través del medio ambiente.
La radiación se utiliza para determinar la composición de materiales en un proceso llamado análisis de activación de neutrones . En este proceso, los científicos bombardean una muestra de una sustancia con partículas llamadas neutrones. Algunos de los átomos de la muestra absorben neutrones y se vuelven radiactivos. Los científicos pueden identificar los elementos de la muestra estudiando la radiación emitida.
La radiación no siempre es peligrosa y no todos los tipos de radiación son igualmente peligrosos, contrariamente a varios mitos médicos comunes. [11] [12] [13] Por ejemplo, aunque los plátanos contienen isótopos radiactivos naturales , particularmente potasio-40 ( 40 K), que emiten radiación ionizante cuando sufren desintegración radiactiva, los niveles de dicha radiación son demasiado bajos para inducir radiación. envenenamiento y los plátanos no representan un peligro de radiación . No sería físicamente posible comer suficientes plátanos como para causar envenenamiento por radiación, ya que la dosis de radiación de los plátanos no es acumulativa . [14] [15] [16] La radiación es omnipresente en la Tierra y los humanos están adaptados para sobrevivir a los niveles normales de radiación bajos a moderados que se encuentran en la superficie de la Tierra. La relación entre dosis y toxicidad suele ser no lineal , y muchas sustancias que son tóxicas en dosis muy altas en realidad tienen efectos neutros o positivos para la salud, o son biológicamente esenciales, en dosis moderadas o bajas. Existe cierta evidencia que sugiere que esto es cierto para la radiación ionizante: los niveles normales de radiación ionizante pueden servir para estimular y regular la actividad de los mecanismos de reparación del ADN . Sin embargo, niveles suficientemente altos de cualquier tipo de radiación eventualmente se volverán letales. [17] [18] [19]
La radiación ionizante en determinadas condiciones puede dañar los organismos vivos, provocando cáncer o daños genéticos. [4]
La radiación no ionizante en determinadas condiciones también puede causar daños a los organismos vivos, como quemaduras . En 2011, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) de la Organización Mundial de la Salud (OMS) emitió un comunicado añadiendo los campos electromagnéticos de radiofrecuencia (incluidas las microondas y las ondas milimétricas) a su lista de cosas posiblemente cancerígenas para los seres humanos. [20]
El sitio web EMF-Portal de la Universidad RWTH Aachen presenta una de las bases de datos más grandes sobre los efectos de la radiación electromagnética . A 12 de julio de 2019 cuenta con 28.547 publicaciones y 6.369 resúmenes de estudios científicos individuales sobre los efectos de los campos electromagnéticos. [21]
Es importante reconocer que el contenido de potasio del cuerpo está bajo estricto control homeostático y no se ve influenciado por variaciones en los niveles ambientales. Por este motivo, la dosis de 40 K en el organismo es constante.
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