Radiación

La radiación ultravioleta, con longitudes de onda de 10  nm a 200  nm, ioniza las moléculas de aire, lo que provoca que sean fuertemente absorbidas por el aire y, en particular, por el ozono (O₃ ₎ . Por lo tanto, la radiación UV ionizante no penetra significativamente en la atmósfera terrestre y a veces se la denomina ultravioleta de vacío . Si bien está presente en el espacio, esta parte del espectro UV no tiene importancia biológica, ya que no llega a los organismos vivos en la Tierra.

Existe una zona de la atmósfera donde el ozono absorbe aproximadamente el 98% de la radiación UV-C y UV-B, no ionizante pero peligrosa. Esta capa de ozono comienza a unos 32 km de altitud y se extiende hacia arriba. Parte del espectro ultravioleta que llega a la superficie terrestre no es ionizante, pero aun así resulta biológicamente peligroso debido a la capacidad de los fotones individuales de esta energía para provocar excitación electrónica en las 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), muy por debajo de la energía de ionización. Esta propiedad confiere al espectro ultravioleta algunos de los peligros de la radiación ionizante en los sistemas biológicos sin que se produzca una ionización real. En contraste, la luz visible y la radiación electromagnética de mayor longitud de onda, como el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio, consisten en fotones con muy poca energía para causar excitación molecular dañina, por lo que esta radiación es mucho menos peligrosa por unidad de energía.   

Los rayos X son ondas electromagnéticas con una longitud de onda menor a unos 10 ⁻⁹  m (mayor que3 × 10 ¹⁷  Hz y1240  eV ). Una longitud de onda menor corresponde a una energía mayor según la ecuación E = h c / λ . ( E es la 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, este puede absorber la energía del fotón y elevar un electrón a un nivel orbital superior, o si el fotón es extremadamente energético, puede expulsar un electrón del átomo por completo, provocando su ionización. Generalmente, los átomos más grandes tienen mayor probabilidad de absorber un fotón de rayos X, ya que presentan mayores diferencias de energía entre los electrones orbitales. El tejido blando del cuerpo humano está compuesto por átomos más pequeños que los átomos de calcio que forman el hueso, por lo que existe un contraste en la absorción de rayos X. Los equipos de rayos X están diseñados 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 la emisión de rayos X del sol, menor en cantidad que la de rayos UV pero no por ello menos potente, llegue a la superficie.

La radiación gamma (γ) consiste en fotones con una longitud de onda menor que3 × 10 ⁻¹¹  m (mayor que 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 trayectoria. La radiación gamma, sin embargo, está compuesta de fotones, que no tienen ni masa ni carga eléctrica y, como resultado, penetra 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 frenado del material por área dada depende principalmente (pero no completamente) de la masa total a lo largo de la trayectoria de la radiación, independientemente de si el material es de alta o baja densidad. Sin embargo, como sucede con los rayos X, los materiales con un número atómico alto, como el plomo o el uranio empobrecido, añaden una cantidad modesta (típicamente del 20% al 30%) de poder de frenado 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 rayos gamma, reduciendo a la mitad la energía de dichas 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 solo penetran unos pocos centímetros de aire o unos pocos milímetros de material de baja densidad (como la fina capa de mica que se coloca especialmente en algunos tubos de contadores Geiger para permitir el paso de las partículas alfa). Esto significa que las partículas alfa de la desintegración alfa ordinaria no penetran las capas externas de las células muertas de la piel y no causan daño a los tejidos vivos subyacentes. Algunas partículas alfa de muy alta energía componen aproximadamente el 10 % de los rayos cósmicos , y estas son capaces de penetrar el cuerpo e incluso placas metálicas delgadas. Sin embargo, solo representan un peligro para los astronautas, ya que son desviadas por el campo magnético terrestre y luego detenidas por su atmósfera.

La radiación alfa es peligrosa cuando se inhalan o ingieren radioisótopos emisores de partículas alfa . Esto acerca el radioisótopo lo suficiente al tejido vivo sensible como para que la radiación alfa dañe las células. Por unidad de energía, las partículas alfa son al menos 20 veces más efectivas para dañar las células que los rayos gamma y los rayos X. Consulte la sección sobre efectividad biológica relativa para obtener más información al respecto. Ejemplos de emisores alfa altamente tóxicos 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 proveniente de la desintegración radiactiva puede detenerse con unos pocos centímetros de plástico o unos pocos milímetros de metal. Ocurre cuando un neutrón se desintegra en un protón dentro de un núcleo, liberando la partícula beta y un antineutrino . La radiación beta de los aceleradores lineales es mucho más energética y penetrante que la radiación beta natural. En ocasiones se utiliza con fines terapéuticos en radioterapia para tratar tumores superficiales.

La radiación beta positiva (β ⁺ ) es la emisión de positrones , que son la antimateria de los electrones. Cuando un positrón disminuye su velocidad hasta alcanzar valores similares a los de los electrones en el material, aniquila a un electrón, liberando dos fotones gamma de 511  keV. Estos dos fotones gamma viajan en direcciones aproximadamente opuestas. La radiación gamma resultante de la aniquilación de positrones está compuesta por fotones de alta energía y 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 poco frecuentes; se producen en grandes cantidades solo donde hay reacciones de fisión o fusión en cadena activas. Esto ocurre durante unos 10 microsegundos en una explosión termonuclear o de forma continua dentro de un reactor nuclear en funcionamiento. La producción de neutrones cesa casi inmediatamente en el reactor cuando este deja de ser crítico.

Los neutrones pueden hacer que otros objetos o materiales se vuelvan radiactivos. Este proceso, llamado activación neutrónica , es el método principal utilizado para producir fuentes radiactivas para aplicaciones médicas, académicas e industriales. Incluso los neutrones térmicos de velocidad relativamente baja provocan la activación neutrónica (de hecho, la provocan de forma más eficiente). Los neutrones no ionizan los átomos de la misma manera que 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 se vuelven inestables, que causan la ionización. Por lo tanto, se dice que los neutrones son "ionizantes indirectos". Incluso los neutrones sin energía cinética significativa son ionizantes indirectos y, por lo tanto, representan un riesgo de radiación significativo. No todos los materiales son capaces de activarse por neutrones; en el agua, por ejemplo, los isótopos más comunes de ambos tipos de átomos presentes (hidrógeno y oxígeno) capturan neutrones y se vuelven más pesados, pero permanecen como formas estables de esos átomos. Solo la absorción de más de un neutrón, un suceso estadísticamente raro, puede activar un átomo de hidrógeno, mientras que el oxígeno requiere dos absorciones adicionales. Por lo tanto, el agua tiene una capacidad de activación muy débil. El sodio presente en la sal (como en el agua de mar), en cambio, solo necesita absorber un neutrón para convertirse en Na-24, una fuente muy intensa de desintegración beta, con una vida media de 15 horas.

Además, los neutrones de alta energía (alta velocidad) tienen la capacidad de ionizar átomos directamente. Un mecanismo por el cual los neutrones de alta energía ionizan átomos es impactar el núcleo de un átomo y expulsarlo de una molécula, dejando uno o más electrones al romperse el enlace químico . Esto produce radicales libres químicos . Asimismo, los neutrones de muy alta energía pueden causar radiación ionizante por espalación neutrónica, en la cual los neutrones provocan la emisión de protones de alta energía desde los núcleos atómicos (especialmente los de hidrógeno) al impactar. Este último proceso transfiere la mayor parte de la energía del neutrón al protón, de forma similar a como una bola de billar 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 1  metro. Una fuente común de radiación de neutrones se produce dentro de un reactor nuclear , donde se utiliza una capa de agua de varios metros de espesor como blindaje eficaz.

Como se mencionó anteriormente, la parte inferior del espectro ultravioleta, denominada UV suave, que abarca desde 3  eV hasta aproximadamente 10  eV, no es ionizante. Sin embargo, los efectos de la radiación ultravioleta no ionizante sobre la química y el daño que causa a los sistemas biológicos expuestos a ella (incluidas la oxidación, la mutación y el cáncer) son tales que incluso esta parte de la radiación ultravioleta se compara frecuentemente con la radiación ionizante.

La luz, o luz visible, es un rango muy estrecho de radiación electromagnética con 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 ]} En términos más generales, los físicos utilizan el término "luz" para referirse a la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda, sean visibles o no.

La luz infrarroja (IR) es radiación electromagnética con una longitud de onda entre 0,7 y 300  μm, que corresponde a un rango de frecuencia entre 430 y 1  THz, respectivamente. Las longitudes de onda IR son mayores que las de la luz visible, pero menores que las de las microondas. La radiación infrarroja se puede detectar a distancia de los objetos emisores mediante el tacto. Las serpientes con capacidad de detección infrarroja pueden detectar y enfocar la radiación infrarroja mediante una lente estenopeica en sus cabezas, llamada "fosas". La luz solar brillante proporciona una irradiancia de poco más de 1  kW/m² ^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 1  mm hasta 1  m, lo que equivale a un rango de frecuencia de 300  MHz a 300  GHz. Esta definición amplia incluye tanto UHF como EHF (ondas milimétricas), pero diversas fuentes utilizan otros límites diferentes. ^{[ 4 ]} En todos los casos, las microondas incluyen como mínimo toda la banda de superalta frecuencia (de 3 a 30  GHz, o de 10 a 1  cm), y la ingeniería de radiofrecuencia suele establecer el límite inferior en 1  GHz (30  cm) y el superior en torno a 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. Al igual que todas las demás ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz. Las ondas de radio naturales se producen por rayos o por ciertos objetos astronómicos. Las ondas de radio generadas artificialmente se utilizan para la radiocomunicación fija y móvil, la radiodifusión, el radar y otros sistemas de navegación, la comunicación por satélite, las redes informáticas y un sinfín de otras aplicaciones. Además, casi cualquier cable que transporte corriente alterna irradiará parte de la energía en forma de ondas de radio; a estas se las suele denominar interferencia. Las diferentes frecuencias de las ondas de radio tienen distintas características de propagación en la atmósfera terrestre; las ondas largas pueden curvarse al ritmo de la curvatura de la Tierra y cubrir una parte de ella de forma muy uniforme, mientras que las ondas más cortas viajan por todo el 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 en línea recta.

La frecuencia muy baja (VLF) se refiere a un rango de frecuencia de 30  Hz a 3  kHz que corresponde a longitudes de onda deDe 100 000 a 10 000  m respectivamente. Dado que el ancho de banda en este rango del espectro radioeléctrico es limitado, solo se pueden transmitir las señales más simples, como las de radionavegación. También conocida como banda miriámétrica u onda miriámétrica, ya que las longitudes de onda van desde los 100  km hasta los 10  km (una unidad métrica obsoleta equivalente a 10  km).

La radiación de frecuencia extremadamente baja (ELF) abarca frecuencias de radiación de 3 a 30  Hz ( ^10⁸ a ^10⁷  m, respectivamente). En ciencias atmosféricas, se suele emplear una definición alternativa, de 3  Hz a 3  kHz. ^{[ 4 ]} En el ámbito de la magnetosfera, las oscilaciones electromagnéticas de baja frecuencia (pulsaciones que ocurren por debajo de ~3  Hz) se consideran dentro del rango ULF, que también se define de forma diferente a las bandas de radio de la UIT. Una enorme antena ELF militar en Michigan emite mensajes muy lentos a receptores inaccesibles de otro modo, como submarinos sumergidos.

La radiación térmica es un sinónimo común de la radiación infrarroja emitida por objetos a temperaturas habituales 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 o calefactor eléctrico doméstico 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 proveniente del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.

Como se mencionó anteriormente, incluso la radiación térmica de baja frecuencia puede provocar ionización térmica cuando deposita suficiente energía térmica para elevar la temperatura 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, un proceso químico que comienza con un importante componente de ionización.

La radiación de cuerpo negro es un espectro idealizado de radiación emitida por un cuerpo a temperatura uniforme. La forma del espectro y la cantidad total de energía emitida por el cuerpo dependen de su temperatura absoluta. La radiación emitida abarca todo el espectro electromagnético, y la intensidad de la radiación (potencia por unidad de área) a una frecuencia dada se describe mediante la ley de radiación de Planck . Para una temperatura dada de un cuerpo negro, existe una frecuencia particular en la que la radiación emitida alcanza su máxima intensidad. Esta frecuencia máxima se desplaza hacia frecuencias más altas a medida que aumenta la temperatura del cuerpo. La frecuencia en la que la radiación de cuerpo negro es máxima viene dada por la ley de desplazamiento de Wien y depende de la temperatura absoluta del cuerpo. Un cuerpo negro es aquel que emite, a cualquier temperatura, la máxima cantidad posible de radiación a cualquier longitud de onda dada. Un cuerpo negro también absorbe la máxima radiación incidente posible a cualquier longitud de onda dada. Por lo tanto, un cuerpo negro con una temperatura igual o inferior a la temperatura ambiente se vería completamente negro, ya que no reflejaría la luz incidente ni emitiría suficiente radiación en longitudes de onda visibles para que nuestros ojos la detecten. En teoría, un cuerpo negro emite radiación electromagnética en todo el espectro, desde ondas de radio de muy baja frecuencia hasta rayos X, creando un continuo de radiación.

El color de un cuerpo negro radiante indica la temperatura de su superficie radiante. Es responsable del color de las estrellas , que varían desde el infrarrojo hasta el rojo (2500  K ), a amarillo (5800  K ), a blanco y a blanco azulado (15 000  K ) a medida que la radiancia máxima pasa por esos puntos en el espectro visible. Cuando el pico está por debajo del espectro visible, el cuerpo es negro, mientras que cuando está por encima, el cuerpo es blanco azulado, ya que todos los colores visibles están representados desde el azul disminuyendo hasta el rojo.

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 detectar fracturas óseas y localizar cánceres que podrían estar desarrollándose en el cuerpo. ^{[ 8 ]} Los médicos también detectan ciertas enfermedades inyectando una sustancia radiactiva y monitorizando la radiación emitida a medida que la sustancia se desplaza por el cuerpo. ^{[ 9 ]} La radiación utilizada para el tratamiento del cáncer se denomina radiación ionizante porque forma iones en las células de los tejidos que atraviesa al desplazar electrones de los átomos. Esto puede matar células o alterar los genes, impidiendo así su crecimiento. Otras formas de radiación, como las ondas de radio, las microondas y las ondas de luz, se denominan no ionizantes. No poseen tanta energía, por lo que no pueden ionizar las células. ^{[ 10 ]}

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 mediante rayos gamma, o el uso de radiación nuclear, para producir sonido y música. ^{[ 11 ]}

Los investigadores utilizan átomos radiactivos para determinar la edad de materiales que alguna vez formaron parte de un organismo vivo. La edad de estos 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 rocas y otras características geológicas (incluso algunos objetos artificiales); esto se denomina datación radiométrica . Los científicos ambientales utilizan átomos radiactivos, conocidos como átomos trazadores , para identificar las rutas que siguen los contaminantes a través del medio ambiente.

La radiación se utiliza para determinar la composición de los materiales mediante un proceso llamado análisis por activación neutrónica . En este proceso, los científicos bombardean una muestra de una sustancia con partículas llamadas neutrones. Algunos átomos de la muestra absorben neutrones y se vuelven radiactivos. Los científicos pueden identificar los elementos de la muestra estudiando la radiación emitida.