Unidades de medición utilizadas en radiología.
Unidades de medición usadas en radiología
CUADRO 4. Factores de calidad
CUADRO 5. Resumen de unidades
D= (D/T) t.
LOS efectos dañinos de la radiación ionizante en un organismo vivo se deben en primera instancia a la energía absorbida por las células y los tejidos que lo forman. Esta energía absorbida principalmente a través de los mecanismos de ionización y excitación atómica, produce descomposición química de las moléculas presentes.
Para poder medir y comparar las energías absorbidas por el tejido en diferentes condiciones ha sido necesario definir ciertos conceptos ( de exposición, de dosis absorbida, de dosis equivalente) , así como las unidades correspondientes. Estas definiciones y unidades han ido evolucionando a medida que se ha tenido mayor conocimiento de la radiación.
La Comisión Internacional de Unidades de Radiación ( CIUR) se ha abocado a la tarea de definir un sistema de unidades aceptado internacionalmente, y de empleo rutinario en la Comisión Internacional de Protección Radiológica ( CIPR). Estas unidades en el sistema internacional (S.I.) incluyen el Becquerel, el Gray y el Sievert, y su definición se basa en el sistema MKS. Vienen a substituir al Curie, al rad y al rem, que son unidades tradicionales. En lo que sigue se definen, en primer lugar, las unidades del S.I. para cada uno de los conceptos, y después las antiguas. La transición de un sistema de unidades al otro ha sido lenta, por lo que es frecuente encontrar las antiguas unidades en los textos, en los medidores de radiación y en el uso cotidiano.
EXPOSICIÓN (EL ROENTGEN)
La exposición es una medida de la ionización producida por una radiación; su unidad es el Roentgen. Un Roentgen (R) es la exposición (X o gamma) recibida por un kilogramo de aire en condiciones estándar de presión y temperatura (CSPT) si se produce un número de pares de iones equivalente a 2.58 x10- 4 Coulombs. Como la carga de un ion es 1.602 x 10-19 Coulombs, esto equivale a que se produzcan 1.61 x 1015 pares de iones/ kilogramo de aire. En resumen,
Esta definición es totalmente equivalente a la antigua, en que se tomaba 0.001293 gramos (1 cm³ de aire en vez de un kilogramo, y una unidad electrostática de carga en vez de un Coulomb.
Del número de iones producidos en aire por un Roentgen se puede calcular la energía empleada, si se recuerda que la energía necesaria para cada ionización del aire es de 34 eV, equivalente a 5.4 x10 -18 joules (J). Resulta ser:
En vista de que el Roentgen deposita diferentes cantidades de energía según el material que recibe la exposición, resulta más cómodo definir un nuevo concepto, la dosis absorbida (D), como la energía depositada por unidad de masa, independientemente de qué material se trate.
Como se puede ver: 1 rad = 0.01 Gy = 1 cGy. Nótese también que un Roentgen deposita en tejido una dosis de 0.96 rad, casi un rad, por lo que con frecuencia estas dos unidades se confunden.
Aunque todas las radiaciones ionizantes son capaces de producir efectos biológicos similares, una cierta dosis absorbida puede producir efectos de magnitudes distintas, según el tipo de radiación de que se trate. Esta diferencia de comportamiento ha llevado a definir una cantidad llamada factor de calidad (Q) para cada tipo de radiación.
Se seleccionó arbitrariamente Q = 1 para rayos X y gamma, y para las otras radiaciones los valores dados en el cuadro 4. El factor de calidad es una medida de los efectos biológicos producidos por las distintas radiaciones, comparados con los producidos por los rayos X y gamma, para una dosis absorbida dada. Así, por ejemplo, un Gray de partículas alfa produce efectos biológicos 20 veces más severos que un Gray de rayos X (según los valores del cuadro 4). El factor de calidad Q depende de la densidad de ionización de las diferentes radiaciones. La dosis equivalente es un nuevo concepto que se definió tomando en cuenta el factor de calidad. Es igual a la dosis absorbida multiplicada por el factor de calidad. La unidad de dosis equivalente en el S.I. es el Sievert (Sv), definido como:
Tipo de radiación
|
Q
|
Rayos X, g
|
1
|
Electrones
|
1
|
Neutrones térmicos
|
2.3
|
Neutrones rápidos
|
10
|
Protones
|
10
|
Partículas a
|
20
|
Es común usar los prefijos conocidos, c (centi = 10-2), m (mili = l0-3), m (micro = 10-6), k (kilo = 103), y M (mega = 106) para indicar múltiplos o submúltiplos de las unidades de radiación. Algunas conversiones útiles son:
| Concepto | Proceso físico |
S.I.
| Unidades antiguas |
Actividad
|
Desintegración nuclear
|
Bq
|
Ci
|
Exposición
|
Ionización del aire
|
R
|
R
|
Dosis absorbida
|
Energía depositada
|
Gy
|
rad
|
Dosis equivalente
|
Efecto Biológico
|
Sv
|
rem
|
Las unidades de dosis absorbida y dosis equivalente expresan la cantidad total de radiación recibida, por ejemplo, en una operación dada. Sin embargo, para controlar los riesgos por radiación también es necesario conocer la rapidez (razón o tasa) a la cual se recibe la dosis. Para conocer la razón de dosis (D/t), se divide la dosis recibida (D) entre el intervalo de tiempo (t) correspondiente. La dosis total recibida es igual a la razón de dosis multiplicada por el tiempo de exposición.
Por ejemplo, si una fuente radiactiva produce a una cierta distancia una razón de dosis de 1 mrem/ hr y una persona permanece en esa posición durante 8 horas, entonces recibirá una dosis total de 8 mrem.
Modelo Estándar de la Física de Partículas
El modelo estándar de la física de partículas El llamado Modelo Estándar de las partículas elementales no es propiamente un modelo, es una teoría. Y de las mejores que tenemos. Alias, en la opinión de muchos físicos, la mejor de todas sobre la naturaleza de la materia. Por ejemplo, según Gordon Kane (2003), un físico teórico de la Universidad de Michigan: ... el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones (p.58). De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark2 .
Hay seis leptones (electrón, muón, tau, neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau) y seis quarks [quark up (u) quark down (d), quark charm (c), quark extraño (s), quark bottom (b) y quark top (t)]. Sin embargo, los quarks tienen una propiedad llamada color3 y cada uno puede presentar tres colores (rojo, verde y azul). Hay, por tanto, 18 quarks. Pero, como a cada partícula le corresponde una antipartícula4 , existirían en total 12 leptones y 36 quarks. El electrón es el leptón más conocido y el protón y el neutrón son los hadrones más familiares. La estructura interna del protón es uud, o sea, dos quarks u y uno d; la del neutrón es udd, es decir, dos quarks d y uno u. El mesón π+ está formado por un antiquark d y un quark u, el mesón π‐ está constituido por un antiquark u y un quark d. Y así sucesivamente, o sea, la gran mayoría de las llamadas partículas elementales son hadrones y éstos están formados por tres quarks o tres antiquarks (bariones) o por un quark y un antiquark (mesones). En principio, la teoría de los quarks, la Cromodinámica Cuántica, no prohíbe la existencia de partículas con estructura más compleja que tres quarks, tres antiquarks o un par quark-antiquark. Sin embargo, sólo recientemente (Scoccola, 2004) físicos experimentales han presentado evidencias de partículas con cinco quarks, o sea, pentaquarks, como el teta más, formado por cuatro quarks y un antiquark. Pero eso aún depende de resultados experimentales adicionales. Una característica peculiar de los quarks es que tienen carga eléctrica fraccionaria, (+ 2/3 e) para algunos tipos y (-1/3 e) para otros. Sin embargo, nunca se detectaron quarks libres, están siempre confinados en hadrones, de tal modo que la suma algebraica de las cargas de los quarks que constituyen un determinado hadrón es siempre un múltiple entero de e. El protón, por ejemplo, está formado por dos quarks de carga (+2/3 e) y un quark de carga (-1/3 e) de modo que su carga es (2/3 + 2/3 -l/3) e, o, simplemente, e. Es decir, el quantum de la carga eléctrica continúa siendo e (1,6.10- 19 C). Resumiendo, según el Modelo Estándar, la gran cantidad de partículas elementales hasta hoy detectadas, cerca de 300, en aceleradores/colisionadores de partículas o en rayos cósmicos, puede ser agrupada en leptones, quarks y hadrones o en leptones y hadrones, ya que los quarks son constituyentes de los hadrones o, también, en leptones, bariones y mesones, pues los hadrones pueden ser divididos en bariones y mesones. Pero, como se dijo al principio, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan éstas. Vamos entonces a las interacciones. En la naturaleza hay cuatro tipos de interacciones fundamentales: gravitacional, electromagnética, fuerte5 y débil. Cada de ellas es debida a una propiedad fundamental de la materia: masa (interacción gravitacional), carga eléctrica (interacción electromagnética), color (interacción fuerte) y carga débil (interacción débil). Si a cada una de esas propiedades las llamamos carga, tendremos cuatro cargas: carga masa, carga eléctrica, carga color y carga débil.
Así, hay también cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: fuerza gravitacional, fuerza electromagnética, fuerza color6 y fuerza débil. Todas las fuerzas que parecen ser distintas – como fuerzas elásticas, fuerzas de roce, fuerzas intermoleculares, interatómicas, inter-iónicas, fuerzas de viscosidad, etc. – son casos particulares o resultantes de esas cuatro fuerzas fundamentales. Pero ¿cómo se da la interacción? ¿Quién “transmite el mensaje” de la fuerza entre las partículas que interactúan? Eso nos lleva a las partículas mediadoras o partículas de fuerza o, también, partículas virtuales. Las interacciones fundamentales tienen lugar como si las partículas que interactúan “intercambiasen” otras partículas entre sí. Esas partículas mediadoras serían los fotones en la interacción electromagnética, los gluones en la interacción fuerte, las partículas W y Z en la interacción débil y los gravitones (aún no detectados) en la interacción gravitacional. Es decir, partículas eléctricamente cargadas interactuarían intercambiando fotones, partículas con carga color interactuarían intercambiando gluones, partículas con carga débil intercambiarían partículas W y Z, mientras que partículas con masa intercambiarían gravitones. Las partículas mediadoras pueden no tener masa, pero tienen energía7 , o sea, son pulsos de energía. Por eso, se llaman virtuales. De los cuatro tipos de partículas mediadoras8 , las del tipo W y Z tienen masa, pero es común que todas sean llamadas partículas virtuales. Entonces, se podría decir que las partículas de materia o partículas reales9 (leptones, quarks y hadrones) interactúan intercambiando partículas virtuales (fotones, gluones, W y Z, y gravitones). Aquí hay que tener en cuenta que las partículas de materia pueden tener más de una carga, de modo que experimentarían varias interacciones y fuerzas, pero el ámbito de la interacción puede variar mucho, de tal manera que en un determinado dominio una cierta interacción puede ser irrelevante. La fuerza gravitacional, por ejemplo, puede ser desconsiderada en el dominio subatómico. Es decir, aunque existan cuatro interacciones fundamentales, cuatro cargas y cuatro fuerzas, eso no quiere decir que todas las partículas tengan las cuatro cargas y experimenten las cuatro interacciones. ¡Pero faltan los campos! Los cuatro campos. Sabemos que un cuerpo con masa crea alrededor de sí un campo gravitacional, un campo de fuerza que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo masivo y viceversa. Análogamente, un cuerpo cargado eléctricamente, crea un campo electromagnético (si está en reposo, se percibe sólo su componente eléctrico, si está en movimiento se manifiesta también el componente magnético) y ejerce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo electrizado y viceversa. De la misma manera, está el campo de la fuerza fuerte y el campo de la fuerza débil. O sea, hay cuatro campos fundamentales: el electromagnético, el fuerte, el débil y el gravitacional.
Las partículas mediadoras son los quanta de los campos correspondientes: los fotones son los quanta del campo electromagnético, los gluones son los quanta del campo fuerte, las partículas W y Z del campo débil y los gravitones serían los quanta del campo electromagnético. En otras palabras, los cuatro campos fundamentales son el campo de fotones (electromagnético), el de gluones (fuerte), el de partículas W y Z (débil) y el de gravitones (gravitacional). El problema en esa bella simetría de cuatro cargas, cuatro interacciones, cuatro fuerzas, cuatro tipos de partículas mediadoras y cuatro campos es que aún no fue detectado ningún gravitón y la gravedad, en sí, no encaja bien en esa teoría llamada Modelo Estándar. Este asunto será retomado más adelante.
Como funciona el dosímetro
Los dosímetros son dispositivos utilizados para medir la cantidad total de radiación recibida por una superficie durante un tiempo específicado. En esencia, un dosímetro consta de una placa fotográfica sensible a las radiaciones, la cual se mantiene a cubierto de la luz ordinaria. Cuando el dosímetro se expone a la radiación, esta interactúa con la placa oscureciéndola, y la cantidad de oscurecimiento que se evidencia al desarrollar la placa es proporcional a la dosis de radiación recibida, la cual puede ser así medida.
Los dosímetros son particularmente útiles para las personas que laboran en lugares en donde se trabaja con radiaciones, pues con ellos pueden mantener un control constante de la dosis de radiación que hayan absorbido. Para tal efecto, el dosímetro se coloca a manera de escarapela o prendedor, y es llevado permanentemente por dichas personas. Cada cierto tiempo, se retira la película y se revela para medir la cantidad de radiación absorbida y constatar que esté dentro de los límites de seguridad.
Dualidad Onda-Partícula
La dualidad onda-partícula es el hecho de que un electrón cuando realizamos un experimento para ver su naturaleza como partícula (onda) se comporte como una partícula (onda), siendo fiel reflejo del principio de incertidumbre de Heisenberg, la complementaridad de Bohr, el hecho de que el experimento altera la “naturaleza” del sistema cuántico medido. Muchos experimentos han demostrado esta “doble” naturaleza del electrón (en realidad el electrón no es ni una onda, ni una partícula, sino que es otra cosa que puede ser observada como partícula u onda, según el experimento, pero que no sabemos observar de ninguna otra forma).
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