Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría

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APUNTES BIOFÍSICA Grado en Medicina Universidad Autónoma de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apuntes de Biofísica médica: espectro electromagnético, cinética radiactiva, interacción con la materia, unidades dosimétricas y efectos biológicos.

APREN.AI Índice 1 Física de las ondas y espectro electromagnético Naturaleza y clasificación del movimiento ondulatorio Magnitudes y parámetros característicos de las ondas 2 Estructura atómica, niveles de energía y espectros Constitución atómica y magnitudes nucleares Unidades de masa y energía en la física cuántica Distribución de la corteza y niveles energéticos Transiciones electrónicas y emisión de radiación Espectros atómicos: continuos y discontinuos 3 Radiactividad y cinética de desintegración nuclear Radiactividad y estabilidad nuclear Cinética de desintegración y actividad radiactiva Ley de decaimiento exponencial y período de semidesintegración Unidades de medida de la actividad Modalidades de emisión corpuscular: radiaciones alfa y beta Desexcitación electromagnética: rayos gamma y conversión interna 4 Interacción de la radiación con la materia Mecanismos de transferencia de energía en partículas cargadas Interacción de la radiación electromagnética con la materia Transferencia Lineal de Energía (TLE) y penetración tisular 5 Radiodosimetría y fuentes de irradiación Marco metrológico: magnitudes y unidades dosimétricas Fuentes de irradiación y dosimetría de fuentes externas Cinética dosimétrica en fuentes internas: tiempos medios y depuración Límites reglamentarios de dosis y niveles de exposición 6 Efectos biológicos de las radiaciones y aplicaciones médicas Mecanismos moleculares del daño biológico Clasificación de los efectos biológicos: estocásticos y deterministas Radiosensibilidad tisular y órganos críticos Síndrome de radiación aguda y toxicidad sistémica Aplicaciones diagnósticas y terapéuticas de los radioisótopos 7 Formulario Ondas y radiación electromagnética Cinética nuclear y decaimiento radiactivo Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 1 Radiodosimetría y radioprotección Constantes, factores de conversión y umbrales clave Errores típicos de cálculo y concepto Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 2 1 Física de las ondas y espectro electromagnético AL ACABAR SABRÁS Diferenciar ondas mecánicas de electromagnéticas y ondas transversales de longitudinales. Calcular la energía de un fotón y relacionar frecuencia, longitud de onda y velocidad de propagación. Clasificar las bandas funcionales del espectro electromagnético según su impacto en la materia. Identificar las diferencias biofísicas y biológicas entre radiaciones UVA, UVB y UVC.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué un microondas calienta la comida pero no produce quemaduras por radiación ionizante como los rayos X? El estudio de la radiación requiere comprender primero cómo se propaga la energía a través del espacio. El movimiento ondulatorio describe este fenómeno sin necesidad de desplazar materia de forma permanente. ESQUEMA Estructura del tema: Ondas y Radiaciones Electromagnéticas Naturaleza y clasificación del movimiento ondulatorio Una onda es una perturbación que se propaga a través de un medio físico o por el vacío. Durante su desplazamiento, transporta energía de un punto a otro sin que exista transporte neto de materia.

Las ondas se clasifican según dos criterios fundamentales: la relación direccional de su movimiento y la necesidad de un soporte material para propagarse.

Física de las ondas Parámetros y naturaleza ondulatoria Mecánicas y electromagnéticas Diferenciación según medio de soporte Espectro electromagnético Bandas por frecuencia y energía Bandas no ionizantes Calórica, fotoquímica y luz visible Bandas ionizantes UVB parcial, UVC, rayos X y gamma Radiación ultravioleta Clasificación en UVA, UVB y UVC Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 3 Criterio de clasificación Tipo de onda Definición y comportamiento Ejemplos representativos Dirección del movimiento Transversales La oscilación se produce de forma perpendicular respecto a la línea de avance de la perturbación. Cuerda tensada, superficie líquida o la radiación luminosa.

Longitudinales La vibración de las partículas se efectúa en la misma dirección en la que avanza la perturbación. Sonido en el aire o compresión/expansión de un muelle. Medio de propagación Mecánicas Requieren obligatoriamente un soporte material transmisor de materia; no pueden avanzar en el vacío. Ondas acústicas, oscilaciones en muelles y en cuerdas. Electromagnéticas Se originan por oscilaciones conjuntas de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí y pueden viajar en el vacío. Luz visible, señales de radio y televisión. Desde el punto de vista cuántico, la radiación electromagnética está constituida por entidades elementales denominadas fotones.

El fotón es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética; carece de masa propia en reposo y viaja en el vacío a la velocidad de la luz, definida por la constante (300.000 km/s). COMPRUEBA 2 ¿Por qué el sonido no puede transmitirse a través del espacio exterior mientras que la luz solar sí llega a la Tierra? Magnitudes y parámetros característicos de las ondas Para cuantificar el comportamiento de una onda armónica, se emplean parámetros espaciales, temporales y energéticos bien delimitados. c = 3 10 m/s 8 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 4 Esquema de parámetros ondulatorios fundamentales mostrando longitud de onda, amplitud y período.

Amplitud ( ): máxima elongación o separación que alcanza un punto respecto a su posición de equilibrio. Se mide en unidades acordes al fenómeno analizado. Longitud de onda ( ): separación física entre dos puntos contiguos que se encuentran en idéntico estado de oscilación (por ejemplo, de cresta a cresta). Su unidad en el Sistema Internacional es el metro (m). Período ( ): intervalo temporal requerido para completar un ciclo u oscilación integral. Se mide en segundos (s). Frecuencia ( ): número de ciclos u oscilaciones generadas por unidad de tiempo. Se expresa en o Hertz (Hz). Se vincula inversamente con la longitud de onda mediante la expresión .

Intensidad ( ): potencia transmitida por unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación. Depende directamente de la amplitud de la onda (a mayor altura u oscilación de onda, mayor es su intensidad). Matemáticamente se expresa como: En dicha expresión, representa la energía total transferida ( para un conjunto de fotones), el tiempo transcurrido, la potencia suministrada y la superficie de paso, midiéndose en .

La energía individual de cada paquete o fotón viene dada por la célebre ecuación de Planck: , donde es la constante de Planck equivalente a y la energía se calcula en julios (J) o electronvolts (eV) (para su definición de unidad atómica, véase «Estructura atómica, niveles de energía y espectros»). A λ T f s 1 f = λ c I I = = A t E A P E E n t P A W/m 2 E = h f h 6,63 10 J 34 s E Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 5 ERROR FRECUENTE Confundir la energía del fotón con la intensidad del haz. La energía cuántica depende estrictamente de la frecuencia ( ) o longitud de onda del fotón individual.

Por el contrario, la intensidad depende de la amplitud de la onda y del caudal o número total de fotones que cruzan un área ( ). Una luz roja muy intensa tiene billones de fotones por segundo, pero ninguno posee energía suficiente para ionizar un átomo de la piel. IDEAS CLAVE Las ondas transmiten energía a través del espacio o medios materiales sin que exista desplazamiento permanente de materia. La energía de un fotón individual depende directamente de la frecuencia mediante la ley de Planck ( ), mientras que la intensidad global depende de la amplitud y del flujo fotónico por área. El espectro visible humano se sitúa estrictamente en el intervalo comprendido entre 400 nm y 700 nm.

Las radiaciones ionizantes poseen energías superiores a 100 eV y son capaces de arrancar electrones y generar radicales libres, abarcando desde la región UVB hasta los rayos gamma. Dentro del espectro ultravioleta, la UVB es la más dañina para piel y ojos, la UVA penetra más profundamente y la UVC posee la mayor energía y un potente efecto germicida. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 3. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre una onda transversal y una longitudinal? 4. ¿Cómo se calcula la frecuencia ( ) de una radiación electromagnética en función de su longitud de onda ( )? 5. ¿Qué banda funcional del espectro es la responsable del calentamiento térmico de la materia?

Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 6. ¿Qué característica define esencialmente a una onda electromagnética frente a una mecánica? E = h f I = P /A E = h f f λ Poseer masa en reposo mensurable a) Transportar materia junto con la energía b) Capacidad de propagarse en el vacío c) Vibrar siempre en sentido longitudinal d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 6 7. ¿De qué parámetro depende de forma exclusiva la energía de un fotón individual? 8. ¿Qué intervalo de longitudes de onda delimita a la luz visible en el espectro? 9. ¿Cuál es el subtipo de radiación ultravioleta más perjudicial para piel y ojos que alcanza la superficie terrestre?

2 Estructura atómica, niveles de energía y espectros AL ACABAR SABRÁS Diferenciar número atómico, número másico, isótopos y clases de núclidos según su estabilidad. Describir la disposición de las capas electrónicas y el cálculo del salto energético en las transiciones. Distinguir el origen de los rayos X frente a radiaciones ópticas a partir del umbral de 100 eV. Comparar espectros continuos frente a espectros discretos de emisión y absorción atómica. PIÉNSALO ANTES DE LEER 10 ¿Por qué los elementos químicos en estado gaseoso emiten sólo colores específicos en lugar de un arcoíris completo?

Constitución atómica y magnitudes nucleares La materia está formada por átomos estructurados en dos zonas bien diferenciadas: un núcleo central compacto y una corteza donde orbitan los electrones. Dentro del núcleo residen los protones, provistos de carga eléctrica positiva, y los neutrones, partículas neutras desprovistas de carga. La masa de un protón y la de un neutrón resultan casi idénticas y superan en aproximadamente mil veces la masa de un electrón. En consecuencia, la masa atómica total se concentra casi por completo en el núcleo. La identidad química de una especie viene dada por su número de protones.

Este valor define el número atómico (Z), el cual coincide exactamente con la cantidad de electrones corticales cuando el átomo se halla en estado neutro o no ionizado. Por otro lado, la suma conjunta de protones y neutrones constituye el número másico (A): De la amplitud de la onda a) De la frecuencia de la oscilación b) Del área de propagación c) De la masa en reposo del fotón d) De 400 nm a 700 nm a) De 10 nm a 100 nm b) De 700 nm a 1000 nm c) De 100 nm a 280 nm d) UVC a) UVB b) Infrarrojo B c) UVA d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 7 donde representa el total de neutrones nucleares.

Dos átomos con idéntico valor de pero distinto número másico son isótopos del mismo elemento. DEFINICIÓN Un núclido es cualquier especie atómica caracterizada por una composición nuclear concreta (un valor específico de protones y neutrones) y un determinado estado energético. Se simboliza habitualmente con la letra del elemento químico precedida de sus valores másico y atómico en notación . Atendiendo a su estabilidad en el tiempo, los núclidos se catalogan en: Núclidos estables: su configuración nuclear permanece inalterada a lo largo del tiempo.

Radionúclidos o núclidos inestables: poseen una estructura nuclear proclive a desintegrarse espontáneamente mediante la emisión de radiaciones hasta alcanzar una configuración nuclear estable. En la naturaleza se encuentran identificados alrededor de 65 radionúclidos naturales; el resto corresponden a radionúclidos artificiales sintetizados en el laboratorio. Salvo mínimas excepciones, los elementos con un número atómico superior a 82 ( ) son radiactivos (véase «Radiactividad y cinética de desintegración nuclear»). Unidades de masa y energía en la física cuántica Las dimensiones y masas de las partículas subatómicas son extremadamente reducidas frente a los estándares macroscópicos.

Para cuantificar la masa se adopta la unidad de masa atómica (UMA), fijada en una escala del orden de: A escala atómica, el trabajo o intercambio energético se expresa en electronvolts. El electronvolt (eV) corresponde a la ganancia de energía cinética que experimenta un electrón al desplazarse entre dos puntos sometidos a una diferencia de potencial eléctrico de un voltio.

DEFINICIÓN Sabiendo que el potencial eléctrico relaciona el trabajo con la carga desplazada ( ), la energía puesta en juego se calcula como el producto de la diferencia de potencial por la carga eléctrica involucrada: COMPRUEBA 11 ¿En qué se diferencian dos isótopos de un mismo elemento a nivel nuclear y en qué magnitud coinciden? A = Z + N N Z A X Z A Z > 82 1 UMA = 1,66 × 10 g = 24 1,66 × 10 kg 27 V = L/q E = q × V Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 8 Distribución de la corteza y niveles energéticos Los electrones se distribuyen en capas u órbitas discretas identificadas desde el interior hacia la periferia mediante letras consecutivas: K, L, M, N, etc.

Cada órbita representa un nivel energético bien definido. Aquellos electrones alojados en la capa más externa reciben el nombre de electrones de valencia y son los responsables directos del comportamiento y la afinidad química del átomo. Esquema de niveles energéticos electrónicos y diferencias energéticas entre capas. El valor de energía asociado a cada capa aumenta a medida que el radio orbital se aleja del núcleo. Sin embargo, la separación o salto energético ( ) entre órbitas contiguas se reduce de forma progresiva hacia el exterior.

Por esta razón, promocionar un electrón entre niveles superficiales demanda un aporte energético notablemente menor que desplazar un electrón situado en capas internas profundas. Cuando un electrón se desplaza confinándose en su órbita propia sin ganar ni ceder energía, reside en un estado estacionario. La órbita más próxima al núcleo, que ostenta el valor energético más bajo y el menor radio, recibe la denominación de nivel fundamental. Si el electrón absorbe energía suficiente, efectúa una transición hacia una capa de mayor radio: alcanza entonces un estado excitado.

ERROR FRECUENTE Confundir el nivel de energía de una órbita con la diferencia energética entre capas contiguas cuesta puntos en el examen. Las órbitas exteriores tienen mayor energía que las interiores ( ), pero la diferencia entre capas disminuye al alejarse del núcleo ( ). En los saltos profundos se emiten fotones mucho más energéticos que en las transiciones periféricas. Transiciones electrónicas y emisión de radiación Las transiciones de electrones entre los niveles orbitales explican la interacción con la radiación: Absorción: el electrón salta desde un nivel inferior hacia un nivel energético superior al capturar energía electromagnética incidente.

ΔE E > N E > M E > L E K ΔE > K L ΔE > L M ΔE M N Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 9 Emisión: el electrón decae desde una capa de mayor energía hacia otra más interna de menor energía. El exceso energético resultante se disipa al exterior en forma de un fotón (véase «Física de las ondas y espectro electromagnético»).

La energía liberada en el salto determina la naturaleza de la radiación emitida dentro del espectro electromagnético: Energía del fotón liberado Tipo de radiación emitida Capas involucradas Superior a 100 eV Rayos X (radiación ionizante) Transiciones hacia capas muy profundas (como la capa K) Inferior a 100 eV Rayos ultravioletas, luz visible o radiación infrarroja Transiciones entre capas intermedias y periféricas Las radiaciones con energía superior a 100 eV se consideran ionizantes al poseer suficiente potencia para arrancar electrones orbitales y crear radicales libres (véase «Interacción de la radiación con la materia»). Las emisiones de energía inferior a este umbral son no ionizantes.

COMPRUEBA 12 ¿Qué determina si un salto electrónico genera un rayo X o un fotón de luz visible? Espectros atómicos: continuos y discontinuos Un espectro atómico refleja la composición de las frecuencias o longitudes de onda de la radiación electromagnética que una sustancia emite o absorbe al recibir excitación óptica, térmica o eléctrica. Al hacer pasar luz blanca solar por un prisma, la radiación sufre dispersión y se descompone en todos los colores del arcoíris. Se obtiene un espectro continuo que abarca de modo ininterrumpido desde el rojo hasta el violeta, con longitudes de onda comprendidas entre 400 nm y 700 nm. Diagrama de espectros continuo, de emisión y de absorción atómica.

Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 10 Cuando se calientan o excitan sólidos, líquidos o gases sometidos a elevada presión, la proximidad entre partículas hace que múltiples bandas parciales se solapen entre sí, generando un falso aspecto de emisión continua (como el filamento incandescente de una bombilla o el brillo rojizo de una resistencia térmica). Por el contrario, si se realiza el ensayo sobre gases a baja presión, la reducida densidad atómica permite apreciar líneas netas y separadas sin bandas continuas de fondo.

Estos espectros discontinuos se dividen en dos categorías complementarias: Las líneas oscuras del espectro de absorción coinciden con absoluta precisión espacial con las rayas brillantes del espectro de emisión del mismo elemento. La cantidad energética necesaria para que un electrón ascienda entre dos capas específicas es idéntica a la que desprende al retornar a su estado de origen. La energía transmitida a través de la materia involucra dos mecanismos fundamentales: Energía absorbida: una partícula en reposo interacciona con un haz electromagnético, absorbe la energía de la onda y se transmuta en un estado excitado.

El incremento energético adquirido equivale al valor de radiación absorbido. Energía dispersada: las partículas excitadas retornan hacia su estado de reposo cediendo la energía capturada en forma de calor mediante desviación de la propagación energética. COMPRUEBA 13 ¿Por qué coinciden en posición las rayas brillantes de emisión y las líneas oscuras de absorción de un mismo gas? Espectro de emisión: el gas excitado emite radiación al relajarse sus electrones a niveles energéticos más bajos. Al dispersar este haz emerge una serie de líneas luminosas nítidas sobre un fondo oscuro.

Cada elemento posee un patrón de líneas propio, invariable y exclusivo que funciona a modo de huella digital atómica para su identificación. 1 Espectro de absorción: se hace atravesar un haz de luz blanca a través de una muestra gaseosa fría del elemento. Los electrones capturan selectivamente aquellas longitudes de onda exactas requeridas para excitarse a niveles superiores. Al descomponer el haz resultante se visualizan rayas oscuras sobre la banda multicolor del espectro continuo. 2 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 11 IDEAS CLAVE El número atómico ( ) define el número de protones y la identidad química, mientras que el número másico ( ) suma protones y neutrones.

Los niveles energéticos (K, L, M, N) aumentan de energía con la distancia al núcleo, pero la separación energética entre capas sucesivas disminuye hacia la periferia. Los saltos electrónicos hacia capas internas que liberan más de producen rayos X, mientras que diferencias inferiores generan radiación ultravioleta, visible o infrarroja. Los espectros discretos de rayas son exclusivos de cada elemento y operan como una huella digital atómica identificativa. Las líneas de emisión y absorción de un mismo elemento coinciden en longitud de onda porque la energía de tránsito entre dos órbitas es idéntica en ambos sentidos. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 14.

¿Cómo se define un electronvolt (eV) y qué magnitudes físicas intervienen en su cálculo? 15. ¿Por qué un gas a baja presión produce un espectro discreto de rayas y un gas a alta presión produce un espectro aparentemente continuo? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 16. ¿Qué representa el número atómico Z en un átomo eléctricamente neutro? 17. ¿A qué equivale exactamente 1 Unidad de Masa Atómica (UMA)? 18. ¿Qué tipo de radiación se origina en un salto electrónico que libera más de 100 eV? 19. ¿Qué rango de longitudes de onda abarca el espectro visible continuo?

Z A 100 eV Número exclusivo de neutrones nucleares a) Masa atómica total medida en UMA b) Número de protones y de electrones orbitales c) Suma de protones y neutrones del núcleo d) 1,66 × 10 ² gramos a) 1,00 × 10 ² gramos b) 9,11 × 10 ³¹ gramos c) 1,66 × 10 ² kilogramos d) Luz visible continua a) Rayos X b) Radiación infrarroja c) Microondas d) 100 nm a 400 nm a) 700 nm a 1000 nm b) 400 nm a 700 nm c) 1 nm a 100 nm d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 12 3 Radiactividad y cinética de desintegración nuclear AL ACABAR SABRÁS Calcular la actividad y el período de semidesintegración aplicando la ley de desintegración radiactiva exponencial Distinguir las características físicas de las emisiones alfa, beta y gamma en función de su carga, masa y espectro energético Explicar la diferencia entre rayos gamma y rayos X atendiendo exclusivamente a su mecanismo de origen PIÉNSALO ANTES DE LEER 20 ¿Por qué dos fuentes radiactivas con idéntico número de desintegraciones por segundo pueden causar daños biológicos sumamente desiguales?

Radiactividad y estabilidad nuclear La materia está constituida por átomos cuyos núcleos pueden presentar configuraciones estables o inestables. En los isótopos inestables o radiactivos, la composición nuclear experimenta modificaciones espontáneas que liberan materia y energía en forma de radiaciones. Estos elementos pueden hallarse en el medio natural o generarse mediante síntesis artificial en el laboratorio. Salvo contadas excepciones, el límite superior de configuración estable se sitúa en el plomo: todos los núclidos con número atómico superior a 82 ( ) son radiactivos por naturaleza.

DEFINICIÓN La desintegración radiactiva es la transformación espontánea que experimenta un núcleo inestable al liberar radiación, alterando profundamente su estructura energética o corpuscular. Cinética de desintegración y actividad radiactiva El decaimiento radiactivo de un átomo individual constituye un suceso puramente probabilístico gobernado por el azar. Aunque resulta imposible pronosticar cuándo se desintegrará un núcleo concreto, una masa con una gran población de átomos mantiene una fracción de decaimiento constante por unidad de tiempo. Una fuente radiactiva consiste en una cantidad determinada de átomos de un radionúclido dado.

La actividad de una fuente ( ) representa la tasa temporal de transformaciones, es decir, el número de desintegraciones nucleares registradas por unidad de tiempo: La actividad es directamente proporcional a la cantidad de núcleos radiactivos presentes. Este valor cuantifica únicamente la frecuencia de las desintegraciones; no aporta información sobre la naturaleza ni sobre la energía de la radiación emitida. Z > 82 A A = = dt dN /tiempo N ˉo de desintegraciones Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 13 PARA RECORDARLO La actividad mide cuántos núcleos se rompen por segundo, no qué tipo de partícula o fotón expulsan ni cuánta energía transportan.

Ley de decaimiento exponencial y período de semidesintegración La pérdida de actividad de una fuente disminuye en el tiempo siguiendo una función exponencial decreciente formalizada por la ley matemática de desintegración radiactiva: Donde representa la actividad original en el instante inicial ( ), es la actividad remanente en el tiempo transcurrido , y u corresponde a la constante de desintegración radiactiva (frecuentemente denotada como o en cinética física), la cual expresa la probabilidad intrínseca de decaimiento de un núcleo por unidad de tiempo (con unidades de tiempo inverso, ).

El período de semidesintegración o tiempo medio radiactivo ( o ) es el lapso requerido para que la actividad de una muestra se reduzca a la mitad de su valor inicial. Cuando , la actividad satisface . Al sustituir esta condición en la ecuación exponencial: Al transcurrir un período semidesintegratorio sucesivo, la actividad inicial cae al 50 %; tras dos períodos se reduce al 25 %; tras tres al 12,5 %, y prosigue sucesivamente. COMPRUEBA 21 Si una fuente radiactiva tiene una actividad de 800 Bq, ¿cuál será su actividad al cabo de tres períodos de semidesintegración?

Unidades de medida de la actividad La intensidad de desintegración de una fuente radiactiva se mide formalmente en dos escalas de unidades: A = A e 0 νt A 0 t = 0 A t ν ν s 1 T1/2R T 1/2 t = T 1/2 A = A /2 0 Se plantea la reducción a la mitad: 1 = 2 A 0 A e 0 λT 1/2 Se simplifica la actividad inicial en ambos miembros: 2 = 2 1 e λT 1/2 Se toman logaritmos neperianos: 3 ln = 2 1 λT lne 1/2 Sabiendo que y , se despeja la relación fundamental: 4 ln1/2 = 0,693 lne = 1 T = 1/2 λ 0,693 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 14 Becquerel (Bq): unidad estándar adoptada por el Sistema Internacional. Un Becquerel equivale estrictamente a 1 desintegración por segundo.

Curie (Ci): unidad histórica convencional. Se define formalmente por la equivalencia canónica: (o desintegraciones por segundo). Modalidades de emisión corpuscular: radiaciones alfa y beta Al desintegrarse, un núcleo radiactivo puede proyectar corpúsculos con masa o cuantos de radiación electromagnética pura. Las emisiones con naturaleza corpuscular abarcan las variantes alfa y beta. ESQUEMA Modalidades de radiación nuclear Partículas alfa ( ) Una partícula alfa está constituida por un agrupamiento de 2 protones y 2 neutrones, constituyendo una estructura idéntica al núcleo del átomo de helio ( ). Posee una carga neta positiva equivalente al doble de la carga del electrón (+2).

Cuando un radionúclido emite una partícula alfa, su masa disminuye en 4 unidades másicas nucleares. Las partículas alfa son monoenergéticas, con valores cinéticos característicos de cada elemento emisor situados usualmente en la franja comprendida entre 2 y 8 MeV. Presentan un poder de penetración sumamente escaso pero poseen una altísima densidad de ionización. Hacia el tramo final de su corto recorrido, su capacidad de ionización sufre una pequeña elevación; inmediatamente después, captan 2 electrones del medio material y se transforman en átomos estables de helio. Por su bajo poder penetrante y su severo potencial ionizante, estos emisores apenas tienen uso directo en medicina.

1 Ci = 3,7 × 10 Bq 10 Emisiones corpusculares Partículas con masa que se desprenden del núcleo Partícula alfa Núcleo de helio monoenergético de 2 a 8 MeV Beta negativa Negatrón y antineutrino con espectro continuo Beta positiva Positrón y neutrino con espectro continuo Radiación electromagnética Fotones o transferencia directa de energía 〰 Rayos gamma Fotones nucleares de alta penetración Conversión interna Desexcitación por eyección de electrón orbital α He 2 4 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 15 Partículas beta ( ) A diferencia de las emisiones alfa, los corpúsculos beta no son expulsados con energías idénticas, sino que conforman un espectro energético continuo que abarca valores desde cero hasta una energía cinética máxima ( ), considerada el parámetro característico de la emisión.

Ambas partículas beta presentan un poder de ionización y penetración intermedio, ubicándose entre las partículas alfa y los rayos gamma. Según el signo de su carga se dividen en: Emisión beta negativa ( o negatrón): se produce cuando un neutrón nuclear se transforma espontáneamente en un protón. El número másico ( ) se mantiene invariante. Durante este decaimiento se expulsa un electrón rápido (negatrón) junto con un antineutrino. Ni el negatrón ni el antineutrino residen previamente en el núcleo; se generan instantáneamente a partir del exceso de energía. El antineutrino carece de masa y de carga ( ), apenas interactúa con los tejidos y no ostenta relevancia biológica.

En un campo electromagnético, los negatrones se desvían hacia el polo positivo. Emisión beta positiva ( o positrón): ocurre al transmutarse un protón nuclear en un neutrón, manteniendo invariable el número másico ( ). Se libera un positrón (partícula con la misma masa del electrón pero con carga unitaria positiva) y un neutrino sin carga ni masa apreciable. COMPRUEBA 22 ¿Por qué el espectro de emisión de las partículas beta es continuo mientras que el de las partículas alfa es monoenergético? Desexcitación electromagnética: rayos gamma y conversión interna Un radionúclido puede absorber energía y quedar transitoriamente en un estado excitado.

El retorno a un estado basal de menor energía o configuración estable se conoce como transición isomérica, la cual no altera el número másico del núclido y se consuma mediante dos mecanismos: Emisión de rayos gamma ( ): expulsión directa de cuantos electromagnéticos de alta energía con frecuencia superior al umbral ionizante (E > 100 eV). No poseen masa ni carga, manifestando una capacidad de penetración muy elevada y un escaso rendimiento de ionización directa. Conversión interna: proceso alternativo en el que la energía liberada por el núcleo no se irradia como fotón, sino que se transfiere de forma directa a un electrón orbital (principalmente de la capa profunda K).

Dicho electrón resulta eyectado del átomo, y la vacante generada es ocupada por electrones de capas periféricas superiores, generando radiación X característica secundaria. ERROR FRECUENTE Distinguir los rayos X y los rayos gamma por su energía fotónica es un error habitual. Ambos son ondas electromagnéticas idénticas que pueden solaparse en los mismos rangos energéticos (superiores a 100 eV). La diferenciación real radica exclusivamente en su origen: los rayos gamma son de procedencia nuclear, mientras que los rayos X son de procedencia orbital o electrónica.

β E m x a ˊ β A Z = 0 β+ A γ Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 16 Radiación Carga Masa relativa Origen Tipo de espectro energético Poder de penetración / ionización Partícula alfa ( ) +2 4 uma ( ) Nuclear Monoenergético (2 - 8 MeV) Mínima penetración / Máxima ionización Beta negativa ( ) -1 Masa del electrón Nuclear ( ) Continuo (hasta ) Intermedio / Intermedia Beta positiva ( ) +1 Masa del electrón Nuclear ( ) Continuo (hasta ) Intermedio / Intermedia Rayos gamma ( ) 0 Nula (onda electromagnética) Nuclear (desexcitación) Monoenergético Máxima penetración / Mínima ionización COMPRUEBA 23 ¿En qué consiste el proceso de conversión interna y qué emisión secundaria desencadena?

IDEAS CLAVE Los núclidos pesados con son intrínsecamente radiactivos e inestables. La actividad cuantifica la tasa de desintegraciones por segundo de una muestra ( ) y no aporta datos sobre la clase de partícula emitida. El período de semidesintegración obedece a la relación matemática , rigiendo un decaimiento exponencial estocástico. Las partículas alfa exhiben espectro monoenergético (2 a 8 MeV), mientras que las emisiones beta presentan un espectro continuo delimitado por una energía máxima característica. Los rayos gamma y los rayos X se distinguen únicamente por su origen físico: los gamma provienen del núcleo y los rayos X del área orbital extranuclear.

COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 24. ¿Qué le sucede a una partícula alfa cuando se detiene por completo en un medio material? 25. ¿Cómo se deduce matemáticamente la relación entre la constante de desintegración radiactiva y el período de semidesintegración? α 2p + 2n β n p E m x a ˊ β+ p n E m x a ˊ γ Z > 82 1 Ci = 3,7 × 10 Bq 10 T = 1/2 λ 0,693 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 17 Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 26. ¿Cuál es la frontera de número atómico a partir de la cual los núcleos son naturalmente radiactivos? 27. ¿A cuántos Becquerel equivale la actividad de una muestra de 1 Curie? 28.

¿Qué tipo de radiación emite partículas con un espectro continuo de energía cinética? 29. ¿Cuál es el criterio distintivo entre un fotón gamma y un fotón de rayos X? 4 Interacción de la radiación con la materia AL ACABAR SABRÁS Diferenciar los mecanismos de interacción y frenado entre partículas alfa y partículas beta. Predecir el tipo de interacción predominante de un fotón con la materia según su nivel de energía incidente. Relacionar la Transferencia Lineal de Energía (TLE) con la capacidad de penetración y el depósito biológico de radiación.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 30 ¿Por qué una radiación con escaso poder de penetración como la alfa puede ser biológicamente más lesiva internamente que los rayos gamma? Mecanismos de transferencia de energía en partículas cargadas Al atravesar un medio material, las partículas cargadas ceden energía cinética mediante interacciones electrostáticas directas con los componentes atómicos del blanco.

Z superior a 82 a) Z superior a 56 b) Z superior a 92 c) Z superior a 100 d) 3,7 · 10 Bq a) 3,7 · 10¹ Bq b) 1 · 10 Bq c) 0,693 Bq d) Conversión interna a) Radiación alfa b) Radiación beta c) Rayos gamma d) La masa en reposo de la partícula a) La velocidad de propagación en vacío b) El origen nuclear frente al orbital c) La longitud de onda del haz d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 18 Las partículas pesadas como la radiación alfa interaccionan primordialmente con los electrones orbitales circundantes.

Durante estos encuentros culombianos se producen dos efectos principales: la ionización, cuando la transferencia energética arranca por completo al electrón de su ligadura atómica, y la excitación, cuando el electrón promociona temporalmente a un nivel más energético. Debido a su doble carga positiva y notable masa, una partícula alfa deposita ingentes cantidades de energía en recorridos sumamente cortos, ionizando decenas de miles de átomos antes de detenerse.

Por su parte, las partículas beta (electrones y positrones rápidos) presentan mecanismos de frenado y pérdida energética particulares: Radiación de frenado (Bremsstrahlung): cuando una partícula beta negativa atraviesa las proximidades de un núcleo atómico, la atracción del campo eléctrico nuclear desvía y desacelera su trayectoria. Esta deceleración abrupta se traduce en la emisión de radiación electromagnética en forma de rayos X continuos. Aniquilación de positrones: una partícula beta positiva ( ) que interactúa con los electrones atómicos del medio sufre un proceso de colisión terminal.

Ambas masas se aniquilan por completo, transformándose en dos fotones gamma de 0,511 MeV emitidos exactamente en direcciones opuestas ( ). COMPRUEBA 31 ¿Por qué la aniquilación entre un positrón y un electrón emite exactamente dos fotones gamma en sentidos opuestos y no uno solo? Interacción de la radiación electromagnética con la materia A diferencia de las partículas cargadas, los fotones no experimentan una deceleración continua a lo largo de una trayectoria continua. Su absorción o dispersión ocurre en eventos discretos individuales.

La probabilidad de que ocurra un mecanismo específico depende fundamentalmente de la energía del fotón incidente (véase «Física de las ondas y espectro electromagnético») y del número atómico del absorbente (véase «Estructura atómica, niveles de energía y espectros»).

PROCESO Mecanismo dominante según la energía del fotón 1 Baja energía (< 100 keV) Predomina el efecto fotoeléc trico con absorción completa del fotón incidente 2 Mediana energía (> 100 keV) Predomina el efecto Compton con dispersión inelástica y me nor energía residual 3 Alta energía (> 1,02 MeV) Ocurre producción de pares transformándose en un electrón y un positrón Podemos desglosar los tres procesos fundamentales en función del rango energético: β+ 180 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 19 Esquema del efecto Compton: fotón incidente desviado y electrón eyectado. Efecto fotoeléctrico: predomina en bajas energías (E < 100 keV).

El fotón incidente colisiona contra un electrón ligado de capas internas y transfiere íntegramente toda su energía. Como resultado, el fotón desaparece por completo y el electrón sale despedido a gran velocidad. El hueco atómico resultante se rellena con electrones de órbitas superiores, originando la emisión de rayos X característicos. Su probabilidad se incrementa significativamente cuanto mayor es el número atómico del material absorbente. 1 Efecto Compton: mecanismo predominante en energías medias (E > 100 keV). El fotón incidente interactúa con un electrón cuya energía de enlace es despreciable respecto a la radiación incidente.

Se produce una dispersión inelástica: el electrón sale expulsado con energía cinética adquirida, mientras que el fotón es desviado con menor energía remanente y mayor longitud de onda. La energía fotónica se amortigua progresivamente a través de varias colisiones sucesivas. 2 Producción de pares o materialización: se desencadena únicamente cuando la energía fotónica supera el umbral de masa en reposo de un par electrón-positrón (E > 1,02 MeV). Al transitar muy cerca del campo eléctrico intenso del núcleo, el fotón se absorbe completamente y se transforma en un par constituido por una partícula con carga positiva (positrón) y otra con carga negativa (electrón).

3 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 20 ERROR FRECUENTE Confundir el umbral mínimo del efecto fotoeléctrico con el de formación de pares. La producción de pares jamás puede desencadenarse con energías inferiores a 1,02 MeV, ya que la masa combinada de un electrón y un positrón requiere exactamente esa equivalencia energética mínima según la física relativista. En cambio, por debajo de 100 keV predomina con contundencia el efecto fotoeléctrico. COMPRUEBA 32 ¿Qué diferencia fundamental presenta el fotón resultante tras un efecto fotoeléctrico frente al efecto Compton?

Transferencia Lineal de Energía (TLE) y penetración tisular La Transferencia Lineal de Energía (TLE) cuantifica la cantidad de energía que una radiación deposita por unidad de distancia recorrida en el medio que atraviesa. Existe una relación inversamente proporcional entre la penetración y el valor de la TLE.

Tipo de radiación Poder de penetración Nivel de TLE Distribución de la ionización Partículas alfa ( ) y protones Muy bajo (frenadas por la capa córnea cutánea o ropa) Alta TLE Gran concentración de iones en un trayecto microscópico Partículas beta ( ) Medio (penetran centímetros de tejido blando) Media / Baja TLE Ionización directa distribuida a lo largo de varios centímetros Fotones ( y rayos X) Muy alto (requieren blindajes de plomo) Baja TLE Baja densidad ionizante local a lo largo de distancias prolongadas Neutrones Muy alto (requieren hormigón con elementos ligeros) Variable / Indirecta Ceden energía al colisionar con núcleos atómicos ligeros Las partículas con alta TLE causan un daño biológico localizado mucho mayor porque concentran decenas de miles de ionizaciones en un volumen tisular muy reducido.

Por esta razón, un emisor alfa inhalado o ingerido ocasiona un perjuicio celular severo e irreversible en el órgano depositario, a pesar de que su alcance apenas represente fracciones de milímetro. PARA RECORDARLO Mayor penetración equivale siempre a menor TLE: un proyectil rápido y ligero (fotón gamma o electrón) disipa su energía poco a poco y viaja lejos; una partícula pesada y cargada (alfa) frena de golpe, volcando toda su energía en un espacio minúsculo.

α β γ Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 21 COMPRUEBA 33 Si un radionúclido emisor alfa y un radionúclido emisor gamma entregan la misma energía total absorbida en un tejido, ¿cuál de ellos genera una densidad de ionización local más destructiva y por qué? IDEAS CLAVE Las partículas alfa ceden energía mediante ionización y excitación con una alta TLE y mínimo poder de penetración. Las partículas beta producen radiación de frenado (Bremsstrahlung) cerca de los núcleos, mientras que los positrones se aniquilan generando dos fotones opuestos de 0,511 MeV.

El efecto fotoeléctrico predomina a bajas energías ( ) con absorción íntegra del fotón y emisión secundaria de rayos X característicos. El efecto Compton es una dispersión inelástica típica de medianas energías ( ) donde el fotón conserva parte de su energía tras desviar un electrón. La producción de pares requiere un umbral mínimo de para materializar un electrón y un positrón en el campo nuclear. El poder de penetración y la TLE son magnitudes inversamente proporcionales: alta penetración conlleva baja TLE y dispersión de la ionización. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 34. ¿En qué condiciones energéticas e interacciones se genera la radiación de frenado (Bremsstrahlung)? 35.

¿Por qué la producción de pares exige una energía fotónica incidente superior a 1,02 MeV? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 36. ¿Qué interacción electromagnética se produce predominantemente con fotones de energía menor a 100 keV? 37. ¿Qué partículas se originan directamente en la aniquilación de un positrón? < 100 keV > 100 keV 1,02 MeV Producción de pares a) Efecto Compton b) Bremsstrahlung c) Efecto fotoeléctrico d) Un electrón y un neutrino a) Un fotón incidente de 1,02 MeV b) Dos fotones gamma opuestos de 0,511 MeV c) Dos rayos X continuos d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 22 38.

¿Cuál es la característica principal del fotón dispersado en el efecto Compton? 39. ¿Qué relación existe entre la Transferencia Lineal de Energía (TLE) y el poder de penetración? 5 Radiodosimetría y fuentes de irradiación AL ACABAR SABRÁS Diferenciar los conceptos físicos de exposición, dosis absorbida y dosis equivalente con sus respectivas unidades. Calcular conversiones dosimétricas entre unidades tradicionales y del Sistema Internacional. Modelar la cinética de decaimiento en fuentes internas mediante las constantes física, biológica y efectiva. Aplicar los límites reglamentarios de dosis permisibles a casos de trabajadores expuestos y público general.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 40 ¿Por qué un Gray de radiación alfa produce un daño biológico diez veces mayor que un Gray de radiación gamma si ambos depositan exactamente 1 J/kg de energía? Marco metrológico: magnitudes y unidades dosimétricas Cuando la radiación ionizante atraviesa la materia, transfiere parte o la totalidad de su energía cinética al medio absorbente. Para cuantificar esta interacción de manera rigurosa, la radiodosimetría define tres niveles de medición física y biológica: la exposición en aire, la absorción tisular y la dosis biológicamente equivalente.

DEFINICIÓN La dosis de exposición mide la cantidad de ionización que la radiación electromagnética (rayos X o radiación gamma) genera en una masa determinada de aire en condiciones normales de presión y temperatura. Generación de dos partículas con carga opuesta a) Mayor energía y menor longitud de onda b) Menor energía y mayor longitud de onda c) Desaparición total por absorción atómica d) No guardan ninguna relación física a) A mayor penetración corresponde menor TLE b) Son magnitudes proporcionales e idénticas c) A menor penetración corresponde menor TLE d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 23 La unidad tradicional de exposición es el Roentgen (R).

Un Roentgen se define formalmente como la cantidad de radiación fotónica cuya emisión corpuscular asociada produce, en de aire seco, iones que transportan una unidad electrostática de carga de cada signo. En el Sistema Internacional (SI), la exposición se expresa en culombios por kilogramo ( ): A diferencia de la exposición, la dosis absorbida ( ) es aplicable a cualquier tipo de radiación ionizante y a cualquier material diana. Representa el cociente entre la energía absorbida ( ) y la masa de la sustancia receptora ( ): En el Sistema Internacional, la energía se mide en julios (J) y la masa en kilogramos (kg), dando lugar al Gray (Gy), equivalente a .

Históricamente se empleaba el RAD (Radiation Absorbed Dose), cumpliéndose la relación canónica: Dos tipos distintos de radiación con idéntica dosis absorbida no causan necesariamente la misma alteración fisiológica. La densidad de ionización varía según el tipo de partícula o fotón. Por esta razón se introduce el factor de calidad ( ) o Eficacia Biológica Relativa (EBR), un coeficiente adimensional que compara el daño biológico producido frente a una radiación de referencia.

Multiplicando la dosis absorbida por dicho factor se obtiene la dosis equivalente ( ): La unidad clásica de dosis equivalente es el REM (Roentgen Equivalent Man), que corresponde a la dosis de radiación capaz de inducir el mismo daño tisular que un RAD de rayos X de referencia.

En el SI, la unidad es el Sievert (Sv): Magnitud Concepto físico Unidad tradicional Unidad SI Conversión SI / Tradicional Exposición Carga eléctrica liberada en aire seco por fotones X o gamma Roentgen (R) C/kg Dosis absorbida ( ) Energía depositada por unidad de masa en cualquier medio RAD Gray (Gy, J/kg) Dosis equivalente ( ) Energía absorbida ponderada por el daño biológico relativo (EBR) REM Sievert (Sv, J/kg) Los valores estandarizados de Eficacia Biológica Relativa muestran marcadas diferencias según la naturaleza de la emisión: la radiación beta ( ) y los rayos gamma ( ) presentan , mientras que las partículas alfa ( ) poseen un valor mucho más alto, , debido a la gran ionización que provocan a lo largo de su breve trayectoria.

1 cm3 C/kg 1 R = 2,6 10 C/kg 4 1 C/kg 3876 R D ΔE Δm D = Δm ΔE 1 J/kg 1 Gy = 100 RAD 1 RAD = 0,01 Gy Q H H = D EBR 1 Sv = 100 REM 1 REM = 0,01 Sv 1 C/kg = 3876 R D 1 Gy = 100 RAD H 1 Sv = 100 REM β γ EBR = 1 α EBR = 10 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 24 ERROR FRECUENTE No confundas Gray (Gy) con Sievert (Sv). Aunque ambas unidades comparten la dimensión física fundamental de J/kg, el Gray mide únicamente el depósito físico bruto de energía, mientras que el Sievert pondera esa energía según el daño celular intrínseco de cada partícula. En una exposición a partículas alfa con , una dosis absorbida de equivale a de dosis equivalente, no a .

COMPRUEBA 41 ¿Qué dosis equivalente en Sievert recibe un órgano tras absorber 0,05 Gy procedentes exclusivamente de una fuente interna que emite partículas alfa? Fuentes de irradiación y dosimetría de fuentes externas La procedencia del emisor radiactivo respecto al cuerpo determina el enfoque dosimétrico utilizado: Fuente externa: el material radiactivo se encuentra localizado físicamente fuera del cuerpo humano. Fuente interna: el radionúclido penetra en el interior del organismo, es distribuido o metabolizado por este y se acumula de modo preferencial o uniforme en determinados órganos y tejidos.

Cualquier sustancia ionizante que no cumpla los criterios biometabólicos de incorporación interna se analiza operativamente como una fuente externa. Para calcular la dosis impartida por un emisor exterior, se utiliza el flujo de radiación. DEFINICIÓN El flujo de radiación es la dosis de absorción conferida por un radioisótopo emisor por cada unidad de actividad, por unidad de tiempo de irradiación y por unidad de distancia geométrica a la fuente. Esta magnitud depende de dos factores nucleares determinantes: el número de partículas o fotones emitidos en cada suceso de desintegración y la energía cuántica en megaelectronvoltios (MeV) de dicha emisión.

El flujo de radiación se expresa a menudo en términos de exposición: roentgens por cada curie de actividad, medidos por hora de exposición a una distancia constante de un metro ( ). COMPRUEBA 42 ¿Qué dos variables nucleares determinan la magnitud del flujo de radiación producido por un emisor externo? Cinética dosimétrica en fuentes internas: tiempos medios y depuración La incorporación de un radionúclido al compartimento corporal puede suceder por inhalación pulmonar, ingestión digestiva, absorción transdérmica o inoculación parenteral.

La dosis total absorbida por los tejidos depende de cuatro elementos fundamentales: EBR = 10 1 Gy 10 Sv 1 Sv R/(Ci h) a 1 m Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 25 ESQUEMA Cinética de eliminación en fuentes internas La eliminación biológica sigue una cinética de primer orden caracterizada por la constante de velocidad de eliminación biológica ( ): Debido a que el radionúclido sufre desintegración física y excreción biológica de forma concurrente, la actividad remanente en el órgano en un tiempo decae bajo una tasa integrada conocida como constante de decrecimiento efectivo ( ): Donde la relación aditiva de ambas constantes se resume como: A partir de esta constante combinada se define el tiempo medio efectivo ( ), que expresa el lapso transcurrido hasta que la actividad presente en un órgano particular decrece a la mitad por la acción simultánea de la física nuclear y la fisiología metabólica.

COMPRUEBA 43 Si un radionúclido presenta una constante física λ y una constante biológica de eliminación λb, ¿por qué su constante de decrecimiento efectivo λe es la suma directa de ambas? Naturaleza química del elemento: rige su selectividad metabólica y su acumulación preferente en órganos diana. 1 Tipo de emisión física: las partículas concentran su efecto destructivo en una trayectoria microscópica inmediata; las emisiones difunden a mayor distancia tisular; y las emisiones fotónicas se dispersan con leyes físicas comparables a las de las fuentes exteriores.

2 α β γ Período de semidesintegración radiactiva ( ): describe la velocidad de decaimiento nuclear físico según la constante radiactiva (véase «Radiactividad y cinética de desintegración nuclear»). 3 T 1/2 λ Tiempo medio biológico ( ): duración necesaria para que los mecanismos de eliminación fisiológica reduzcan a la mitad la masa del elemento incorporado.

4 T 1/2 B Decaimiento efectivo Pérdida global de actividad en el órgano Decaimiento físico Constante radiactiva nuclear lambda Excreción biológica Constante metabólica tisular lambdab λ b T = 1/2 B λ b 0,693 t λ e A = t A 0 e = (λ+λ )t b A 0 e λ t e λ = e λ + λ b T 1/2 E Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 26 Límites reglamentarios de dosis y niveles de exposición La reglamentación radiológica impone límites para evitar daños directos y minimizar la probabilidad de efectos tardíos en el personal laboral y en la población civil.

ESQUEMA Límites anuales de radioprotección Grupo o procedimiento Dosis máxima permitida o exposición típica Trabajadores expuestos 2 REM/año en cuerpo entero (límite operacional: 0,1 REM/día puntual; antes fijado en 5 REM/año) Dosis acumulada en trabajadores Público general 0,5 REM/año Fondo radiactivo ambiental 0,1 REM/año Radiografía torácica 0,1 REM Colecistografía biliar 6 REM Radioscopia «al acecho» de colon 30 REM PARA RECORDARLO Para verificar si un operador laboral excede el umbral legal acumulado, calcula su historial con la expresión: . Una persona de 28 años puede haber recibido como máximo a lo largo de su carrera.

Límites de dosis Umbrales reglamentarios anuales Trabajadores expuestos Máximo de 2 REM/año Público general Máximo de 0,5 REM/año Dosis m xima acumulada (REM) a ˊ 2 (edad 18) Dosis l mite acumulada = ı ˊ 2 (edad 18) 2 (28 18) = 20 REM Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 27 IDEAS CLAVE La exposición mide la ionización en aire por radiación electromagnética ( ). La dosis absorbida ( ) se expresa en Gray en el SI ( ). La dosis equivalente evalúa el daño biológico multiplicando la dosis absorbida por el factor EBR ( ). El factor EBR cuantifica la eficacia lesiva de cada radiación: vale 1 para rayos y , y 10 para partículas .

En fuentes internas, la constante efectiva de decaimiento integra la pérdida física y biológica: . El límite de dosis para trabajadores expuestos es de 2 REM/año (acumulada: ), mientras que para el público general es de 0,5 REM/año. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 44. ¿Cómo se vinculan formalmente el Gray y el Sievert para una exposición corporal a rayos gamma? 45. ¿Cuál es la dosis acumulada máxima permitida para un profesional sanitario de 30 años que trabaja con radiaciones? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 46. ¿Cuál es la equivalencia del Gray (Gy) en el sistema tradicional de unidades? 47.

¿Qué valor de Eficacia Biológica Relativa (EBR) se asigna canónicamente a las partículas alfa? 48. En la dosimetría interna, ¿cómo se obtiene la constante de decrecimiento efectivo (λe)? 49. ¿Cuál es la dosis máxima de radiación permitida para el público general en un año?

1 R = 2,6 10 C/kg 4 D = ΔE/Δm 1 Gy = 100 RAD 1 Sv = 100 REM β γ α λ = e λ + λ b 2 [edad 18] 3876 Roentgen a) 0,01 RAD b) 100 REM c) 100 RAD d) 10 a) 1 b) 20 c) 2 d) λ / λb a) λ · λb b) λ - λb c) λ + λb d) 0,1 REM/año a) 5 REM/año b) 2 REM/año c) 0,5 REM/año d) Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 28 6 Efectos biológicos de las radiaciones y aplicaciones médicas AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la acción biológica directa de la indirecta por radiólisis del agua Distinguir con precisión los efectos biológicos estocásticos de los deterministas Ordenar los tejidos humanos según la escala de radiosensibilidad de Bergonie y Tribondeau Explicar los fundamentos diagnósticos del radioinmunoensayo y del uso de trazadores como I- 131 y Cr-51 PIÉNSALO ANTES DE LEER 50 ¿Por qué un tejido tumoral suele ser más vulnerable a la radiación que el tejido muscular que lo rodea?

Mecanismos moleculares del daño biológico La interacción de la radiación ionizante con la materia viva altera las estructuras celulares mediante dos vías fisicoquímicas distintas: el efecto directo y el efecto indirecto. En el efecto directo, la radiación impacta y transfiere su energía directamente sobre macromoléculas esenciales como las proteínas o los ácidos nucleicos. Este impacto provoca la rotura de los enlaces de la cadena principal del ADN. Los fragmentos rotos pueden unirse de forma anómala a cadenas vecinas mediante enlaces cruzados. Estas uniones transversales alteran la secuencia de nucleótidos del código genético.

En el efecto indirecto, la radiación colisiona con las moléculas de agua celulares, provocando su ionización y la rotura de enlaces químicos en un proceso conocido como radiólisis del agua. Este fenómeno genera radicales libres de oxígeno e hidrógeno altamente reactivos. Dichas especies químicas difunden por el medio y multiplican el daño oxidativo sobre otras moléculas. Como resultado, destruyen bases púricas y pirimídicas y provocan una pérdida drástica en la viscosidad estructural del ADN.

El predominio de un mecanismo sobre otro depende en gran medida de la Transferencia Lineal de Energía (TLE; véase «Interacción de la radiación con la materia»): Baja TLE (fotones gamma, rayos X y electrones): pierden energía a lo largo de distancias prolongadas. Producen una baja concentración local de iones, operando predominantemente por acción indirecta. Alta TLE (partículas alfa y protones): ceden toda su energía en trayectos sumamente cortos. Generan una densidad de ionización muy alta y un daño lesivo directo masivo. COMPRUEBA 51 ¿Por qué la radiación de alta TLE resulta biológicamente más letal que la de baja TLE a igualdad de dosis absorbida?

Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 29 Clasificación de los efectos biológicos: estocásticos y deterministas Los efectos provocados por la radiación se clasifican según su relación con la dosis recibida en dos grandes categorías: Criterio Efectos estocásticos (probabilísticos) Efectos no estocásticos (deterministas) Existencia de umbral Sin dosis umbral Requieren superar una dosis umbral específica Relación con la dosis La probabilidad de aparición aumenta con la dosis La gravedad del cuadro clínico depende de la dosis Mecanismo biológico Mutaciones viables en células somáticas o germinales Muerte celular masiva y pérdida funcional del tejido Manifestaciones típicas Cáncer radioinducido y defectos genéticos hereditarios Radiodermitis, cataratas, alopecia y esterilidad A nivel celular individual, el daño por radiación se traduce en diversos desenlaces según la magnitud del impacto: detención del ciclo celular, alteración en la replicación del ADN, mutaciones viables, transformación maligna o muerte celular (inmediata o tras un periodo de latencia).

La estructura celular más sensible a estos efectos es el núcleo celular. Radiosensibilidad tisular y órganos críticos La respuesta tisular a la irradiación se rige por la ley de Bergonie y Tribondeau: la sensibilidad biológica de un tejido es directamente proporcional a su actividad proliferativa e inversamente proporcional a su grado de diferenciación funcional celular. A partir de este principio, los tejidos se clasifican en una escala decreciente de cinco niveles de radiosensibilidad: Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 30 ESQUEMA Escala de radiosensibilidad celular decreciente ERROR FRECUENTE Es un error habitual confundir el órgano crítico con el órgano más sensible.

En dosimetría médica, el órgano crítico es aquel que acumula la mayor dosis absorbida durante una exposición interna. Por el contrario, el órgano más sensible es el que exhibe un daño biológico grave con una dosis significativamente más baja debido a su alta tasa de división celular. Entre los órganos más lábiles destacan las gónadas y el sistema hematopoyético. En las gónadas, exposiciones de 10 a 100 REM inducen mutaciones genéticas, mientras que dosis de entre 600 y 800 REM causan esterilidad permanente. En la médula ósea, dosis únicas de 50 a 100 REM desencadenan una leucocitosis reactiva inicial, seguida de una intensa leucopenia y anemia progresiva a las dos o tres semanas.

COMPRUEBA 52 ¿Cuál es la diferencia dosimétrica y funcional entre el órgano crítico y el más sensible? Radiosensibilidad tisular Jerarquía según división y diferenciación Nivel I: Máxima Hematopoyético, gónadas, epitelio intestinal Nivel II: Alta Epitelios respiratorio/digestivo, cristalino Nivel III: Intermedia Conectivo, endotelio, hueso y cartílago en crecimiento Nivel IV: Baja Glándulas, riñón, pulmón, cartílago maduro Nivel V: Resistencia Fibras musculares y neuronas maduras Nivel I (máxima radiosensibilidad): tejido hematopoyético, epitelio germinal gonadal y epitelio intestinal. 1 Nivel II: epitelios de revestimiento (faríngeo, esofágico, gástrico, ureteral, vesical) y cristalino.

2 Nivel III: tejido conectivo intersticial del sistema nervioso, endotelio vascular, matriz ósea y cartílago de crecimiento. 3 Nivel IV: parénquima de órganos glandulares (hígado, páncreas, riñón, tiroides y glándulas serosas), cartílago maduro y pulmón. 4 Nivel V (mínima radiosensibilidad / radiorresistentes): fibras musculares y neuronas maduras.

5 Biofísica: Ondas, Radiactividad y Radiodosimetría 31 Síndrome de radiación aguda y toxicidad sistémica Cuando el cuerpo entero se expone de manera aguda e instantánea a radiación penetrante (rayos X o radiación gamma), la gravedad del cuadro sistémico evoluciona en función directa de la dosis administrada: Dosis absorbida (REM) Cuadro clínico y evolución sistémica 0 - 25 Asintomático; sin alteraciones clínicas detectables de inmediato. 50 Cambios hematológicos subclínicos leves con posible daño a largo plazo. 100 Alteraciones sanguíneas marcadas, náuseas, vómitos y reducción estadística de la esperanza de vida.

200 Síndrome gastrointestinal moderado, citopenia, alopecia, fiebre intensa y letalidad del 10 al 20 %. 400 Dosis letal 50 (DL50): mortalidad del 50 % de los individuos expuestos, con hemorragias digestivas y respiratorias graves. 600 Dosis…