Para ionizar un átomo o molécula dada, generalmente es necesario que un fotón excite un electrón desde un estado unido al continuo. Para hacer esto, se requiere un fotón de cierta energía de umbral que es típica de la energía de enlace de un electrón asociado con un enlace químico en una molécula, o un estado electrónico unido en un átomo.
Esta energía está en el orden de un electrón voltio para moléculas típicas en animales y humanos, pero hay un rango allí. Estoy dando una regla general: no es un número preciso aplicable a cada caso. Lo que puede suceder también depende de qué tipo de materia están siendo golpeados por estos fotones y cuál es la densidad y qué átomos y moléculas están presentes. Si hay un cristal de estado sólido o un metal o un semiconductor presente, entonces se abren otros mecanismos de pérdida de energía.
Esto es complicado, pero en realidad se ha estudiado con gran detalle tanto teórica como experimentalmente.
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Los rayos UV, rayos X y rayos gamma son fotones, aunque tienen una energía creciente.
Lo que se encuentra es que los fotones UV son los fotones de energía más baja que tienen energía suficiente para expulsar electrones de moléculas y átomos típicos que forman células animales, vegetales y bacterianas, por lo que generalmente rompen las moléculas y forman radicales, que son fracciones de moléculas ionizadas muy químicamente reactivas .
Por debajo de las energías UV, los electrones y otros estados moleculares pueden excitarse, pero no se expulsan electrones ni se forman iones. La luz visible no tiene suficiente energía para ionizar nada, sino que, como máximo, excita, como máximo, pequeñas torsiones y vibraciones y pequeños cambios de forma de ciertas moléculas.
Por lo tanto, los fotones de UV y de mayor energía son radiaciones potencialmente ionizantes.
El mecanismo directo para los fotones ultravioleta, y aún más fotones energéticos para expulsar electrones es generalmente el acoplamiento del fotón a la carga eléctrica de los electrones en las nubes de electrones alrededor de las moléculas y los átomos.
Además, debe decirse que los fotones ultravioleta cercanos son menos penetrantes que los fotones ultravioletas lejanos; las interacciones son tales que las paradas ultravioletas cercanas se detienen en la epidermis, mientras que los ultravioletas lejanos pueden penetrar más profundamente en las capas de la piel, llegando de hecho a las células vivas.
Este acoplamiento a la carga también existe para los fotones de rayos X y para los fotones de rayos gamma que tienen energías progresivamente más altas. Los límites entre los tres tipos son algo vagos, pero se podría decir que la radiación UV está en el rango de 1-100 eV, los rayos X en el rango de 100 eV – 100 keV y los rayos gamma en el rango de 100 keV y superiores.
Cuando llegas al rango de rayos X, hay suficiente energía para expulsar electrones profundamente unidos de un átomo, no solo electrones que participan en enlaces moleculares, que están menos unidos y en un radio más grande desde los núcleos atómicos. El átomo sobrante no es solo un ion, sino que también está muy excitado y puede emitir radiaciones ionizantes en el rango de rayos X y UV, además de emitir más electrones.
Hay mucha más energía disponible para un fotón de rayos X y se pueden crear muchos más iones de los que puede generar un fotón UV: los rayos X generalmente no serán completamente absorbidos por el electrón, pero también pueden dispersarse, y luego golpea más moléculas, creando más iones, incluso hasta miles de iones por rayos X para los más energéticos. Algunos de los electrones secundarios también pueden tener suficiente energía para que estos también puedan producir iones.
Los rayos X penetran profundamente y pueden atravesar todo el cuerpo: son fuertemente absorbidos y dispersados por el calcio en la hidroxiapatita en el hueso.
Cuando se llega al rango de energía de los rayos gamma, no solo se pueden expulsar los electrones internos, sino que también los núcleos de los átomos pueden ser golpeados por los rayos gamma, y cuando hay suficiente energía, digamos alrededor de 1 MeV, entonces una reacción nuclear puede incluso ser causado, creando un núcleo radiactivo que luego puede descomponerse emitiendo más radiaciones ionizantes. Pero los núcleos son bastante pequeños en comparación con los átomos y las moléculas, por lo que esto es bastante raro.
Lo que ocurre más típicamente con un rayo gamma de energía suficientemente alta, considerablemente más de 1 MeV, es que produce en su lugar un par electrón / positrón, y el positrón luego se aniquila en un electrón creando dos rayos gamma más, que pasan a interactuar entre sí. .
Entonces, para los rayos gamma, se desarrolla una gran cascada, o una lluvia de radiaciones secundarias ionizantes, que viaja aproximadamente a lo largo de la dirección del fotón entrante, extendiéndose a medida que avanza.
Modelar esto es un negocio complicado y la cantidad de iones producidos depende del tipo de tejido o material que se está golpeando, así como de la energía de la radiación.
Pero el mecanismo básico es siempre la interacción electromagnética del fotón entrante con carga eléctrica.
Si no hay suficiente energía para expulsar los electrones de los átomos o moléculas, entonces no se producen iones, de lo contrario se producen iones.
El daño al tejido por ionización es reparable hasta cierto punto, las células tienen mecanismos para esto, pero para dividir rápidamente las células, especialmente, si hay demasiado daño en el ADN para repararlo, se convierte en un asunto muy serio y en algún momento matará la célula, que en un organismo multicelular en realidad comprueba el ADN antes de proceder a dividirse y que en realidad se suicidará automáticamente si hay demasiado daño en el ADN para repararlo.
La enfermedad por radiación aguda es causada de esta manera, las células muy severamente afectadas son las de la sangre y la médula ósea y del tracto digestivo, porque se dividen muy rápido y muy a menudo, muchos de los síntomas del síndrome son el resultado de la pérdida de esos críticos. tipos de células
Finalmente tenemos rayos cósmicos: estos son muchos tipos de partículas que tienen muchas energías diferentes y la forma en que interactúan depende de qué tan alta sea la energía que tengan. Pueden ser protones o antiprotones, pueden ser electrones o positrones y también hay otras posibilidades.
Los protones de muy alta energía interactuarán con la atmósfera de la Tierra; muchos se detienen en lo alto de la atmósfera donde golpean núcleos de moléculas de aire: estos crean enormes cascadas de hadrones, neutrones y protones y fragmentos de núcleos y muchos piones, y los piones luego se descomponen en muones, fotones y otras partículas. Los muones llegan al suelo con bastante facilidad. Modelar esto también es complicado, pero un rayo cósmico verdaderamente de alta energía no llegará al suelo: crea una enorme lluvia de partículas secundarias que pueden extenderse a través de muchas, muchas millas. Lo que vemos aquí en el suelo no son generalmente rayos cósmicos directos, sino todos los secundarios producidos por las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera.
Las partículas de energía más baja (electrones y protones y algo de helio en su mayoría) son producidas por nuestro Sol y estas son capturadas principalmente por el campo magnético de la Tierra y evitan que lleguen a la atmósfera, excepto en los polos de la Tierra.
La combinación del campo magnético y la atmósfera hace un muy buen escudo contra los rayos cósmicos.
