¿Cuál es la relación entre la cantidad de sustancia radiactiva y el daño que le hace al cuerpo?

El término de búsqueda que se debe usar para aprender sobre esto es "lineal sin umbral" o LNT. Esta es la hipótesis de que el daño biológico es proporcional a la dosis de radiación. Es difícil obtener datos confiables, pero LNT parece ser una mala aproximación en dosis bajas.

En dosis bajas, incluso puede haber un efecto llamado hormesis por radiación. Diversos experimentos parecen mostrar casos en los que bajos niveles de radiación activan mecanismos de control de daños celulares, aumentando la salud del organismo. Por ejemplo, existe evidencia de que la exposición a la radiación hasta cierto nivel hace que los ratones crezcan más rápido; hace que el sistema inmunológico de los cobayos funcione mejor contra la difteria; aumenta la fertilidad en hembras humanas, truchas y ratones; mejora la resistencia de los ratones fetales a las enfermedades; reduce las anomalías genéticas en humanos; aumenta la esperanza de vida de los escarabajos de la harina y los ratones; y reduce la mortalidad por cáncer en ratones y humanos.

He tenido dificultades para evaluar la evidencia sobre la hormesis de radiación y LNT. Un par de autores que han trabajado en este tipo de cosas son Tubiana y Little, y llegan a conclusiones diferentes.

Obviamente, todo esto tiene implicaciones importantes para la salud pública y las políticas públicas, por lo que sería bueno tener una respuesta definitiva, pero no creo que tengamos una. Lo ideal sería criar millones de ratas de laboratorio hasta la edad adulta con diferentes cantidades de radiación ionizante y comparar su salud. En realidad, los tipos de dosis a la población de los que hablamos en casos como Hiroshima, Chernobyl y Fukushima son tan bajos que si la LNT fuera cierta, la cantidad de ratas de laboratorio requeridas para hacer un estudio controlado estadísticamente concluyente sería prohibitivamente costosa. (Incluso en los casos de Hiroshima y Nagasaki, la mayoría de la población sobreviviente estuvo expuesta a dosis relativamente bajas. En estudios de sobrevivientes que buscan cáncer, por ejemplo, es

Hay diferentes aspectos en esto, como puede haber deducido de las otras respuestas.

Un aspecto es la cantidad de ionización que se produce en su tejido. Esta es una relación lineal simple. Cada unidad de un tipo particular de radiación produce la misma cantidad de ionización. Produce la misma cantidad de energía depositada en el tejido afectado. Produce la misma cantidad de radicales, dislocación de moléculas, etc. El doble de radiación produce el doble de resultado, etc.

El otro aspecto es cuánto daño se produce por diferentes cantidades de radiación. En este aspecto, hay algunos puntos sutiles y algunas controversias.

Primero, se complica por el hecho de que hay un componente estadístico. Algunos de los efectos aparecen como probabilidades de cierto daño. Por lo tanto, los efectos de la radiación a menudo se citan en términos de probabilidad de producir cánceres en exceso y declaraciones similares.

La siguiente complicación es la idea de un valor mínimo de radiación que podría no ser dañino, o incluso podría ser beneficioso. Esto es controvertido. La palabra de moda es "hormesis".

Por encima de cierto umbral, parece bastante claro que el doble de radiación es el doble de malo. Esto se mantiene hasta algún otro umbral en el que es probable que ocurra la muerte. Por encima de eso no tiene sentido hablar de daño adicional. Estás muerto.

Entonces, eso no es controvertido. Existe cierta discusión sobre la fijación de esos límites y el grado exacto de daño de una unidad dada de radiación.

Lo que es controvertido es ese umbral más bajo. Existe alguna evidencia de que, por debajo de un mínimo, los seres vivos pueden recuperarse de una pequeña exposición a la radiación. Que no produzca efectos adversos. Incluso hay alguna evidencia, evidencia controvertida, de que pequeñas dosis de radiación dan resistencia a dosis más grandes. Es como si te broncearas antes de ir a la playa tropical.

El problema aquí es que es muy difícil ser lo suficientemente preciso como para estar seguro de tales afirmaciones.

La idea que compite con este umbral es la idea sin umbral. Esa idea dice que la radiación es mala hasta dosis arbitrariamente pequeñas. Entonces, si la dosis produce 1 cáncer adicional en una población de 1000 personas tan expuestas, entonces la idea sin umbral dice que una dosis de la mitad, en promedio, producirá 1 cáncer adicional en una población de 2000 personas tan expuestas. Y así sucesivamente a dosis cada vez más pequeñas.

Considere lo que sería necesario. Si, por ejemplo, quisiera probar una dosis que se esperaría que produjera 1 cáncer adicional en 10,000 personas. Y quiere hacer esto de una manera que le permita tener una desviación estándar en su respuesta del 1%. Tendría que exponer muchos cientos de miles de personas y observar el exceso de cánceres. Pero mira. Entonces le habrías dado, posiblemente, cáncer a 100 personas. Esto generalmente se considera monstruoso, por lo que los investigadores médicos no están permitidos.

Pero tenemos datos de rayos X. Y algunas otras exposiciones. Y los investigadores pasan mucho tiempo discutiendo sobre cómo interpretarlos. También tenemos exposiciones de ratas de laboratorio y demás. Y de nuevo, hay mucha controversia sobre esto.

La masa (kg) es proporcional a la actividad (Bq) que a su vez es proporcional a la dosis (Sv). @AndreiGeanta mencionó la dosis efectiva que es estadísticamente proporcional a los efectos adversos de la radiación para todo el cuerpo promediados.

Si sostuviera 0.1 g de bario-137 en mi mano izquierda y 10 g en mi mano derecha, durante la misma cantidad de tiempo, ¿mi mano derecha se habría dañado 100 veces más que mi mano izquierda?

Hay algunos problemas con este ejemplo.

Primero, el Ba-137 no es radiactivo; este es un nucleido estable. Como está hablando de "un emisor gamma", probablemente se refiera a Ba-137m. Sin embargo, no puede sostener$0.1\ \mathrm g$o$10\ \mathrm g$de Ba-137m en su mano.

La vida media de Ba-137m es sólo$2.552\ \mathrm{min}$. Por lo tanto, su actividad específica es muy alta, alrededor de$2.0\times10^{19}\ \mathrm{Bq\ g^{-1}}$. Así, un$0.1\ \mathrm g$muestra de Ba-137m tendría una tremenda actividad de aproximadamente$2\times10^{18}\ \mathrm{Bq}$. A modo de comparación, esto sería más que la actividad de Ba-137m en el núcleo de equilibrio del reactor nuclear en funcionamiento más grande, que es aproximadamente$5.6\times10^{17}\ \mathrm{Bq}$.$10\ \mathrm g$de Ba-137m sería más que el inventario total de núcleos de reactores de todas las centrales nucleares en funcionamiento en el mundo.

El siguiente problema es el alto poder isotópico que se genera en las muestras. A$0.1\ \mathrm g$muestra de Ba-137m produciría aproximadamente$200\ \mathrm{kW}$; a$10\ \mathrm g$muestra de Ba-137m produciría aproximadamente$20\ \mathrm{MW}$. Aproximadamente una décima parte de esa energía sería absorbida por las muestras. Por lo tanto, las muestras se evaporarían en aproximadamente$2\ \mathrm{ms}$y luego quemar en el aire.

La corta vida media de$2.552\ \mathrm{min}$haría que trabajar con Ba-137m fuera difícil de todos modos. Hay algunos experimentos que en realidad usan Ba-137m aislado (como el experimento habitual de separación de cesio/bario que se realiza en los cursos de radioquímica para principiantes); sin embargo, la mayoría de las aplicaciones no utilizan Ba-137m puro. Por lo general, Ba-137m se usa en equilibrio secular con su madre Cs-137. Cs-137 tiene una vida media más larga de$30.1671\ \mathrm a$, lo que facilita mucho el manejo de las muestras.

Por lo tanto, podríamos querer ajustar su ejemplo a:

Si sostuviera 0.1 g de cesio-137 en mi mano izquierda y 10 g en mi mano derecha, durante la misma cantidad de tiempo, ¿se habría dañado mi mano derecha 100 veces más que mi mano izquierda?

A$0.1\ \mathrm g$muestra de Cs-137 tendría una actividad de Ba-137m de aproximadamente$3\times10^{11}\ \mathrm{Bq}$; A$10\ \mathrm g$muestra de Cs-137 tendría una actividad de Ba-137m de aproximadamente$3\times10^{13}\ \mathrm{Bq}$. Este cambio mueve el ejemplo en una dirección razonable; sin embargo, estas actividades aún son muy altas.

Una muestra real de Cs-137 normalmente no estaría libre de portadores; es decir, la muestra contendría algo de Cs-133 estable. Además, consistiría en una sal de cesio y no de cesio metálico. Una fuente sellada también incluiría algo de material de embalaje. Por lo tanto, la masa total de la fuente sería mayor que la masa neta del Cs-137 y el Ba-137m solos. Incluso para la radiación gamma, habría algo de autoabsorción de radiación dentro de la propia muestra.

En aras de la simplicidad, podemos suponer que la geometría, la masa y la composición química de las muestras son idénticas, de modo que solo difieren en las concentraciones de actividad de Cs-137 y Ba-137m. Por tanto, la fracción de radiación autoabsorbida sería la misma para ambas muestras. Por ejemplo, podríamos querer disolver cada muestra en agua para obtener dos soluciones acuosas, cada una con un volumen de$1\ \mathrm l$. Entonces, el blindaje estaría determinado principalmente por el agua, de modo que sería aproximadamente el mismo para ambas muestras.

El siguiente problema es que quieres sostener una muestra en tu mano izquierda y la otra muestra en tu mano derecha. Dado que el cuerpo humano no es simétrico, la dosis efectiva es diferente para la radiación que proviene de la izquierda y la radiación que proviene de la derecha. La per fluencia de dosis efectiva para la radiación gamma de Ba-137m$(E=662\ \mathrm{keV})$es$2.12\ \mathrm{pSv\ cm^2}$para la geometría lateral izquierda y$1.97\ \mathrm{pSv\ cm^2}$para la geometría lateral derecha. Como está preguntando sobre el daño por radiación en sus manos, podemos ignorar esta diferencia.

Sin embargo, no podemos ignorar todavía la dosis efectiva para todo el cuerpo. Suponiendo que sostiene las muestras a una distancia de aproximadamente$0.5\ \mathrm m$de su cuerpo, la tasa de dosis efectiva es de aproximadamente$50\ \mathrm{mSv\ h^{-1}}$Para el$0.1\ \mathrm g$muestra y sobre$5\ \mathrm{Sv\ h^{-1}}$Para el$10\ \mathrm g$muestra. Si te quedas así durante aproximadamente$1\ \mathrm h$, probablemente recibiría una dosis letal. Probablemente morirías en$30{-}60\ \mathrm d$después de la exposición debido a daños en la médula ósea, es decir, insuficiencia hematopoyética, resultante principalmente de la falta de células progenitoras que producen granulocitos funcionales de vida corta, así como de hemorragias sin reemplazo de glóbulos rojos.

Este resultado intermedio muestra que debemos limitar el período de exposición para nuestro ejemplo y que no estamos hablando de dosis bajas. La suposición de un modelo lineal sin umbral (LNT) para la inducción de cáncer y efectos hereditarios (según el cual un incremento en la dosis induce un incremento proporcional en el riesgo incluso en dosis bajas) que se ha discutido en otras respuestas es realmente un no es un problema en este caso ya que la dosis es muy alta.

Dado que las dosis consideradas son tan altas, ahora nos preocupan los efectos deterministas. Estas reacciones tisulares son causadas por daños a las poblaciones de células. Se caracterizan por una dosis umbral y un aumento en la gravedad de la reacción a medida que se aumenta la dosis. A dosis por debajo del valor umbral de dosis, no se producen los efectos deterministas.

Por ejemplo, podríamos querer limitar el período de exposición a menos de aproximadamente$2\ \mathrm{min}$para evitar una dosis letal en todo el cuerpo (ver arriba). La dosis resultante para el cuerpo sería de aproximadamente$0.1{-}0.2\ \mathrm{Sv}$. No se producen reacciones graves en la mayoría de los tejidos corporales de los adultos a esa dosis. Esta dosis está muy por debajo del umbral para desarrollar los primeros síntomas de la enfermedad por radiación (náuseas, pérdida de apetito y fatiga).

La dosis en su mano izquierda (sosteniendo el$0.1\ \mathrm g$muestra) sería sobre$0.3\ \mathrm{Sv}$. Esto no provocaría ningún efecto determinista, ni siquiera el enrojecimiento de la piel (que tiene un umbral de unos$\lt3{-}6\ \mathrm{Sv}$).

La dosis en su mano derecha (sosteniendo el$10\ \mathrm g$muestra) sería sobre$30\ \mathrm{Sv}$. Esto causaría enrojecimiento de la piel en un área grande (tal vez una semana después de la exposición) y quemaduras en la piel (tal vez dos semanas después de la exposición). Las células de la capa basal de la piel mueren y los vasos sanguíneos se dañan, lo que resulta en un suministro deficiente de oxígeno al tejido de la mano. Esto es difícil de tratar; puede ser necesaria la amputación de la mano.

Como puede ver, dado que estamos hablando de efectos deterministas con una dosis umbral, generalmente no existe una relación dosis-respuesta lineal. Su mano derecha no se dañaría simplemente 100 veces más que su mano izquierda.

A modo de comparación, se utiliza un modelo lineal sin umbral (LNT) para los efectos estocásticos. Este modelo de dosis-respuesta se basa en la suposición de que, en el rango de dosis bajas, las dosis de radiación superiores a cero aumentarán el riesgo de exceso de cáncer y/o enfermedades hereditarias de manera simplemente proporcional. Todavía no consideramos tales efectos estocásticos, pero al observar la dosis corporal total resultante, podemos estimar el riesgo adicional de cáncer en aproximadamente$1\ \%$.