En física , la radiación es la emisión o transmisión de energía en forma de ondas o partículas a través del espacio o un medio material. [1] [2] Esto incluye:
La radiación se clasifica a menudo como ionizante o no ionizante dependiendo de la energía de las partículas irradiadas. La radiación ionizante transporta más de 10 electronvoltios (eV) , lo que es suficiente 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 , que consisten en 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 la gama de energías más altas de la luz ultravioleta constituyen la parte ionizante del espectro electromagnético . La palabra "ionizar" se refiere a la separación 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 más bajas no ionizantes del espectro ultravioleta inferior no pueden ionizar átomos, pero pueden alterar los enlaces interatómicos que forman moléculas, descomponiendo así moléculas en lugar de átomos; un buen ejemplo de esto es la quemadura solar causada por la luz ultravioleta solar de longitud de onda larga . Las ondas de longitud de onda más larga que la UV en las frecuencias de luz visible, infrarroja y microondas no pueden romper enlaces, pero pueden causar vibraciones en los enlaces que se detectan como calor . Las longitudes de onda de radio y menores generalmente no se consideran dañinas para los sistemas biológicos. Estas no son delineaciones nítidas de las energías; existe cierta superposición en los efectos de frecuencias específicas . [3]
La palabra "radiación" surge del fenómeno de las ondas que irradian (es decir, que viajan hacia afuera en todas direcciones) desde una fuente. Este aspecto conduce a un sistema de medidas y unidades físicas que se aplican a todos los tipos de radiación. Debido a que dicha radiación se expande a medida que pasa a través del espacio y a que su energía se conserva (en el vacío), la intensidad de todos los tipos de radiación 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 aproxima una intensidad de radiación medida en la medida en que la fuente se aproxima a un punto geométrico.
La radiación con una 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 las células vivas y, lo que es más importante, el ADN de esas células pueden resultar dañados por esta ionización, la exposición a la radiación ionizante aumenta el riesgo de cáncer . Por lo tanto, la "radiación ionizante" se separa de manera algo artificial de la radiación de partículas y la radiación electromagnética, simplemente debido a su gran potencial de daño biológico. Si bien una célula individual está formada por billones de átomos, solo 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 una función de la tendencia dañina del tipo de radiación ( dosis equivalente ) y la sensibilidad del organismo o tejido irradiado ( dosis efectiva ).
Si la fuente de la radiación ionizante es un material radiactivo o un proceso nuclear como la fisión o la fusión , hay que tener en cuenta 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 tienen una carga eléctrica, no tienen el poder de penetración de la radiación ionizante. La excepción son las partículas de neutrones; véase más 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 las 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 lleva suficiente energía para ser ionizante.
La mayor parte de la radiación ionizante tiene su origen 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. Como esta radiación es invisible y no es directamente detectable por los sentidos humanos, normalmente se necesitan instrumentos como los contadores Geiger para detectar su presencia. En algunos casos, puede provocar 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; las dosis altas resultan en el síndrome de radiación aguda (ARS), con quemaduras en la piel, pérdida de cabello, falla de órganos internos y muerte, mientras que cualquier dosis puede resultar en un aumento de la probabilidad de cáncer y daño genético ; una forma particular de cáncer, el cáncer de tiroides , ocurre a menudo cuando las armas nucleares y los reactores son la fuente de radiación debido a las proclividades biológicas del producto de fisión del yodo radiactivo, el yodo-131 . [4] Sin embargo, el cálculo del riesgo y la probabilidad exactos de formación de cáncer en células causados por la radiación ionizante aún no se entiende bien, y actualmente las estimaciones se determinan vagamente por datos basados en la población de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y del seguimiento de los 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 está pensada como una herramienta para la evaluación del riesgo epidemiológico y no es apropiado utilizarla en las proyecciones de riesgo" y "en particular, debe evitarse el cálculo del número de muertes por cáncer basado en dosis efectivas colectivas a partir de dosis individuales triviales". [5]
La radiación ultravioleta, cuya longitud de onda va de 10 nm a 125 nm, ioniza las moléculas del aire, lo que provoca su fuerte absorción por el aire y, en particular, por el ozono (O3 ) . Por tanto, la radiación ultravioleta ionizante no penetra en la atmósfera terrestre en un grado significativo, por lo que a veces se la denomina ultravioleta del vacío . Aunque está presente en el espacio, esta parte del espectro UVA no tiene importancia biológica, ya que no llega a los organismos vivos de la Tierra.
Existe una zona de la atmósfera en la que el ozono absorbe aproximadamente el 98% de las radiaciones UV-C y UV-B no ionizantes pero peligrosas. Esta capa de ozono comienza a unos 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 fotones individuales de esta energía para causar excitación electrónica en moléculas biológicas y, por lo 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 confiere al espectro ultravioleta algunos de los peligros de la radiación ionizante en sistemas biológicos sin que se produzca una ionización real. En cambio, la luz visible y la radiación electromagnética de longitud de onda más larga, como los infrarrojos, las microondas y las ondas de radio, consisten en fotones con muy poca energía para causar una excitación molecular dañina y, por lo tanto, esta radiación es mucho menos peligrosa por unidad de energía.
Los rayos X son ondas electromagnéticas con una longitud de onda menor que aproximadamente 10 −9 m (mayor que 3x10 17 Hz y 1240 eV). Una longitud de onda menor corresponde a una energía mayor 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 y empujar un electrón a un nivel orbital más alto o si el fotón es extremadamente energético, puede sacar un electrón del átomo por completo, haciendo que el átomo se ionice. Generalmente, los átomos más grandes tienen más probabilidades de absorber un fotón de rayos X ya que tienen mayores diferencias de energía entre los electrones orbitales. El tejido blando del cuerpo humano está compuesto de átomos más pequeños que los átomos de calcio que forman el hueso, por lo que existe un contraste en la absorción de 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 absorbidos totalmente por el espesor de la atmósfera terrestre, lo que impide que los rayos X emitidos por el Sol, en menor cantidad que los UV pero aún así potentes, lleguen a la superficie.
La radiación gamma (γ) consiste en fotones con una longitud de onda menor a 3x10 −11 metros (mayor a 10 19 Hz y 41,4 keV). [4] La emisión de radiación gamma es un proceso nuclear que ocurre 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, como resultado, penetran mucho más a través de 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 detención del material por área dada 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 alto número atómico, como el plomo o el uranio empobrecido, agregan una cantidad modesta (típicamente del 20% al 30%) de poder de detención sobre una masa igual de materiales menos densos y de menor peso atómico (como el agua o el hormigón). La atmósfera absorbe todos los rayos gamma que se acercan a la Tierra desde el espacio. Incluso el aire es capaz de absorber los rayos gamma, reduciendo a la mitad la energía de tales ondas al pasar a través de, en promedio, 500 pies (150 m).
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 material de mica delgada que se coloca especialmente en algunos tubos de contadores 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 cutáneas muertas y no causan daño a los tejidos vivos que se encuentran debajo. Algunas partículas alfa de muy alta energía componen aproximadamente el 10% de los rayos cósmicos , y son capaces de penetrar el cuerpo e incluso placas metálicas delgadas. Sin embargo, sólo son peligrosas para los astronautas, ya que son desviadas por el campo magnético de la Tierra y luego detenidas por su atmósfera.
La radiación alfa es peligrosa cuando se ingieren o inhalan (se respiran o se tragan) los radioisótopos que emiten alfa . Esto hace que el radioisótopo se acerque lo suficiente al tejido vivo sensible para que la radiación alfa dañe las células. Por unidad de energía, las partículas alfa son al menos 20 veces más efectivas para dañar las células que los rayos gamma y los rayos X. Véase la 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 ocurre en estos materiales de vida media corta.
La radiación beta-menos (β − ) consiste en un electrón energético. Es más penetrante que la radiación alfa, pero menos que la gamma. La radiación beta de la desintegración radiactiva se puede detener con unos pocos centímetros de plástico o unos pocos milímetros de metal. Se produce 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 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 direcciones (aproximadamente) opuestas. La radiación gamma de la aniquilación de positrones consiste en fotones de alta energía y también es ionizante.
Los neutrones se clasifican según su velocidad/energía. La radiación de neutrones consiste en 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 solo donde están activas las 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 este deja de ser crítico.
Los neutrones pueden hacer que otros objetos o materiales sean radiactivos. Este proceso, llamado activación neutrónica , es el método principal utilizado para producir fuentes radiactivas para su uso en aplicaciones médicas, académicas e industriales. Incluso los neutrones térmicos de velocidad comparativamente baja provocan la activación neutrónica (de hecho, la provocan de forma más eficiente). Los neutrones no ionizan los átomos de la misma forma 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 lo tanto, se dice que los neutrones son "indirectamente ionizantes". Incluso los neutrones sin una energía cinética significativa son indirectamente ionizantes y, por lo tanto, suponen un importante peligro de radiación. No todos los materiales son capaces de la activación neutrónica; 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 que estadísticamente es poco frecuente, 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 presente en la sal (como en el agua de mar), por el contrario, 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 directamente los átomos. Un mecanismo por el cual los neutrones de alta energía ionizan los átomos es golpear el núcleo de un átomo y sacarlo de una molécula, dejando uno o más electrones atrás a medida que 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 neutrónica" o knockout, donde los neutrones causan la emisión de protones de alta energía de los núcleos atómicos (especialmente núcleos de hidrógeno) al impactar. El último proceso imparte la mayor parte de la energía del neutrón al protón, de manera muy similar a una bola de billar que golpea a otra. Los protones cargados y otros productos de tales reacciones son directamente ionizantes.
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 sólidos comunes. Por lo general, requieren un blindaje rico en hidrógeno, como hormigón o agua, para bloquearlos a distancias inferiores a un metro. Una fuente común de radiación de neutrones se produce en el interior de un reactor nuclear , donde se utiliza una capa de agua de varios metros de espesor como blindaje eficaz.
Existen 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 altas. Estas partículas también son en su mayoría protones, y gran parte del resto consiste en helios (partículas alfa). Hay algunos núcleos completamente ionizados de elementos más pesados. El origen de estos rayos cósmicos galácticos aún no se entiende 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 de estas partículas. También pueden ser generados por cuásares , que son fenómenos de chorro de 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. En el caso de la radiación electromagnética no ionizante (ver los tipos a continuación), las partículas asociadas (fotones) solo tienen energía suficiente para cambiar las configuraciones de valencia rotacional, vibracional o electrónica de las moléculas y los átomos. El efecto de las formas no ionizantes de radiación sobre el tejido vivo se ha estudiado recientemente. Sin embargo, se observan diferentes efectos biológicos para diferentes tipos de radiación no ionizante. [4] [6]
Incluso la radiación "no ionizante" es capaz de causar ionización térmica si deposita suficiente calor para elevar las temperaturas hasta alcanzar energías de ionización. Estas reacciones ocurren a energías mucho más altas que con la radiación ionizante, que requiere sólo partículas individuales para causar la ionización. Un ejemplo conocido de ionización térmica es la ionización por llama de un fuego común y las reacciones de oscurecimiento de alimentos comunes inducidas por la radiación infrarroja durante la cocción a la parrilla.
El espectro electromagnético es el rango de todas las frecuencias posibles de radiación electromagnética. [4] El espectro electromagnético (normalmente solo espectro) de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética emitida o absorbida por ese objeto en particular.
La parte no ionizante de la radiación electromagnética consiste en ondas electromagnéticas que (como cuantos o partículas individuales, ver fotón ) no son lo suficientemente energéticas para separar electrones de átomos o moléculas y, por lo tanto, causar su ionización. Estas incluyen ondas de radio, microondas, infrarrojos y (a veces) luz visible. Las frecuencias más bajas de la luz ultravioleta pueden causar cambios químicos y daño molecular similares a la ionización, pero técnicamente no son ionizantes. Las frecuencias más altas de la luz ultravioleta, así como todos los rayos X y rayos gamma, son ionizantes.
La ocurrencia de la ionización depende de la energía de las partículas u ondas individuales, y no de su número. Una intensa inundación de partículas u ondas no causará ionización si estas partículas u ondas no tienen suficiente energía para ser ionizantes, a menos que eleven la temperatura de un cuerpo hasta 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 ha señalado anteriormente, la parte inferior del espectro ultravioleta, denominada UV suave, de 3 eV a unos 10 eV, no es ionizante. Sin embargo, los efectos de la radiación ultravioleta no ionizante sobre 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 se suele comparar 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 380–750 nm, lo que equivale a un rango de frecuencia de 790 a 400 THz respectivamente. [4] De manera más amplia, los físicos usan el término "luz" para referirse a la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda, ya sean visibles o no.
La luz infrarroja (IR) es una radiación electromagnética con una longitud de onda de entre 0,7 y 300 micrómetros, que corresponde a un rango de frecuencia de entre 430 y 1 THz respectivamente. Las longitudes de onda de IR son más largas que las de la luz visible, pero más cortas que las de las microondas. La luz infrarroja se puede detectar a distancia de los objetos que la emiten mediante el tacto. Las serpientes que detectan la luz infrarroja pueden detectarla y enfocarla 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 a 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 amplia definición 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 superalta (3 a 30 GHz, o 10 a 1 cm) como mínimo, y la ingeniería de RF a menudo establece 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 mayores que la luz infrarroja. Como todas las demás ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz. Las ondas de radio que se producen de forma natural son generadas por rayos o por ciertos objetos astronómicos. Las ondas de radio generadas artificialmente se utilizan para comunicaciones de radio fijas y móviles, radiodifusión, radares y otros sistemas de navegación, comunicaciones por satélite, redes informáticas e innumerables otras aplicaciones. Además, casi cualquier cable que transporte corriente alterna irradiará parte de la energía en forma de ondas de radio; estas se denominan principalmente interferencias. Las diferentes frecuencias de las ondas de radio tienen diferentes características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden curvarse a la velocidad de la curvatura de la Tierra y pueden cubrir una parte de la Tierra de forma muy constante, las ondas más cortas viajan alrededor del mundo mediante múltiples reflexiones en 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.
El término "muy baja frecuencia" (VLF, por sus siglas en inglés) se refiere a un rango de frecuencias de 30 Hz a 3 kHz, que corresponde a longitudes de onda de 100 000 a 10 000 metros, respectivamente. Como no hay mucho ancho de banda en este rango del espectro radioeléctrico, solo se pueden transmitir las señales más simples, como las de navegación por radio. También se conoce como banda de miriámetros u onda de miriámetros, ya que las longitudes de onda varían de diez a un miriámetro (una unidad métrica obsoleta que equivale a 10 kilómetros).
Las frecuencias extremadamente bajas (ELF) son frecuencias de radiación de 3 a 30 Hz (10 8 a 10 7 metros respectivamente). En la ciencia 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 frecuencia más baja (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 militar ELF en Michigan irradia mensajes muy lentos a receptores que de otro modo serían inalcanzables, como submarinos sumergidos.
La radiación térmica es un sinónimo común de la radiación infrarroja emitida por objetos a temperaturas que se encuentran a menudo en la Tierra. La radiación térmica no solo se refiere a la radiación en sí, sino también al proceso por 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 ha señalado anteriormente, incluso la radiación térmica de baja frecuencia puede provocar 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 " dorado " 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 está a una temperatura uniforme. La forma del espectro y la cantidad total de energía emitida por el cuerpo es una 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 dada se describe mediante la ley de radiación de Planck . Para una temperatura dada de un cuerpo negro hay una frecuencia particular en la que la radiación emitida tiene su intensidad máxima. Esa frecuencia máxima de radiación se mueve hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la temperatura del cuerpo. La frecuencia en la que la radiación del cuerpo negro es máxima está dada por la ley de desplazamiento de Wien y es una 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 dada. Un cuerpo negro también absorberá la máxima radiación incidente posible en cualquier longitud de onda dada. 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 las ondas de radio de frecuencia muy baja hasta los rayos X, lo que crea 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 varía desde el infrarrojo hasta el rojo (2.500 K), pasando por el amarillo (5.800 K), el blanco y el blanco azulado (15.000 K) a medida que la máxima radiación pasa por esos puntos del espectro visible. Cuando el pico está por debajo del espectro visible, el cuerpo es negro, mientras que cuando está por encima, el cuerpo es blanco azulado, ya que todos los colores visibles están representados desde el azul hasta el rojo.
Las radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda distintas a las de la luz visible fueron descubiertas 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 la radiación infrarroja (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 un precursor temprano de lo que se convertiría en la fotografía. Ritter observó que los rayos ultravioleta eran capaces de provocar reacciones químicas.
Las primeras ondas de radio detectadas no provenían de una fuente natural, sino que fueron producidas deliberada y artificialmente por el científico alemán Heinrich Hertz en 1887, utilizando circuitos eléctricos calculados para producir oscilaciones en el rango de frecuencias de radio, siguiendo fórmulas sugeridas por las ecuaciones de James Clerk Maxwell .
Wilhelm Röntgen descubrió y bautizó los rayos X. El 8 de noviembre de 1895, mientras experimentaba con altos voltajes aplicados a un tubo de vacío, observó una fluorescencia en una placa de vidrio recubierto cercana. En menos de 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 atravesaban el papel negro y hacían que una placa fotográfica no expuesta se empañara. Su alumna de doctorado, Marie Curie, descubrió que sólo ciertos elementos químicos emitían estos rayos de energía. A este comportamiento lo denominó radiactividad .
Los rayos alfa (partículas alfa) y los rayos beta ( partículas beta ) fueron diferenciados por Ernest Rutherford a través de una simple experimentación en 1899. Rutherford utilizó una fuente radiactiva genérica de pechblenda y determinó que los rayos producidos por la fuente tenían diferentes penetraciones en los materiales. Un tipo tenía una penetración corta (se detenía con el papel) y una carga positiva, 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 fue la radiación que había sido detectada por primera vez por Becquerel a partir de sales de uranio. En 1900, el científico francés Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación de carga neutra y especialmente penetrante a partir del radio, y después de describirlo, Rutherford se dio cuenta de que debía ser un tercer tipo de radiación, que en 1903 Rutherford llamó 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 cósmicas que inciden sobre la Tierra desde el espacio exterior fueron finalmente reconocidas y demostradas definitivamente en 1912, cuando el científico Victor Hess llevó un electrómetro a distintas alturas en un vuelo en globo libre. La naturaleza de estas radiaciones solo se comprendió gradualmente en años posteriores.
Los neutrones y la radiación de neutrones fueron descubiertos por James Chadwick en 1932. Una serie de otras radiaciones de partículas de alta energía, como positrones , muones y piones, fueron descubiertas mediante el examen de las reacciones de los rayos cósmicos en una cámara de nubes poco después, y otros tipos de radiación de partículas se produjeron artificialmente en aceleradores de partículas , durante la segunda 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 detectan ciertas enfermedades inyectando una sustancia radiactiva y controlando la radiación emitida a medida que la sustancia se desplaza por el cuerpo. [8] La radiación utilizada para el tratamiento del cáncer se denomina radiación ionizante porque forma iones en las células de los tejidos por los que pasa a medida que desprende 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 pueden 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 puede enviarse 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 los materiales que alguna vez fueron 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 hechos por el hombre); esto se llama datación radiométrica . Los científicos ambientales utilizan átomos radiactivos, conocidos como átomos trazadores , para identificar las rutas que toman los contaminantes a través del medio ambiente.
La radiación se utiliza para determinar la composición de los materiales en un proceso llamado análisis de activación neutrónica . 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, al contrario de 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 envenenamiento por radiación , y los plátanos no son un peligro de radiación . No sería físicamente posible comer suficientes plátanos 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 a menudo no es 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. Hay algunas evidencias que sugieren que esto es cierto en el caso de 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 pueden llegar a ser letales. [17] [18] [19]
La radiación ionizante en determinadas condiciones puede dañar a 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, el Centro Internacional de Investigaciones sobre el Cáncer (CIIC) de la Organización Mundial de la Salud (OMS) publicó una declaración en la que añadía los campos electromagnéticos de radiofrecuencia (incluidas las microondas y las ondas milimétricas) a su lista de sustancias posiblemente cancerígenas para los seres humanos. [20]
El portal web EMF-Portal de la Universidad Técnica de Aquisgrán presenta una de las mayores bases de datos sobre los efectos de la radiación electromagnética . A fecha de 12 de julio de 2019, contiene 28.547 publicaciones y 6.369 resúmenes de estudios científicos individuales sobre los efectos de los campos electromagnéticos. [21]
En la Tierra existen diferentes fuentes de radiación, tanto naturales como artificiales. La radiación natural puede provenir del Sol, de la propia Tierra o de la radiación cósmica .
Es importante reconocer que el contenido de potasio del cuerpo está bajo un estricto control homeostático y no se ve afectado por las variaciones en los niveles ambientales. Por esta razón, la dosis de40
K
en el cuerpo es constante.