Efecto de ionización

Qué es la ionización

Un átomo neutro está formado por un núcleo positivo rodeado por una nube de electrones en órbitas cuánticas discretas. Cada electrón está ligado al átomo por una energía característica, llamada energía de enlace, que depende de la órbita ocupada y del número atómico. Cuando una radiación externa transfiere a un electrón una energía superior a esa energía de enlace, el electrón escapa del átomo. El átomo, con un electrón menos, queda cargado positivamente: se ha convertido en un ion. El electrón liberado, junto con el ion positivo, forma lo que se conoce como par iónico.

La palabra procede del griego ἰόν (ión), participio presente del verbo ἰέναι (iénai), «ir». Michael Faraday la incorporó al lenguaje científico en la década de 1830 para designar las partículas cargadas que «iban» de un electrodo al otro durante la electrólisis. La expresión «efecto de ionización» pasó a la física de radiaciones en el primer tercio del siglo XX, cuando los experimentos de descubrimiento de la radiactividad y de los rayos X permitieron cuantificar por primera vez la capacidad de las nuevas radiaciones para producir iones en un gas.

Ionización directa e ionización indirecta

Las radiaciones ionizantes se clasifican por la manera en que producen la ionización. Las partículas cargadas (electrones, protones, partículas alfa, iones pesados) interaccionan directamente con los electrones atómicos mediante fuerzas de Coulomb: cada partícula deposita energía en una traza continua de ionizaciones a lo largo de su recorrido. Se habla, para estas radiaciones, de ionización directa.

Los fotones (rayos X, rayos gamma) y los neutrones no tienen carga eléctrica y no pueden ionizar por Coulomb. Ceden su energía a partículas cargadas secundarias (electrones puestos en movimiento por efecto fotoeléctrico, efecto Compton o formación de pares en el caso de los fotones; protones de retroceso o núcleos ligeros en el caso de los neutrones), y son esas partículas secundarias las que llevan a cabo la ionización real. Es la ionización indirecta.

La distinción no es un tecnicismo: el patrón espacial de la ionización, y con él el daño biológico consecutivo, cambian entre ambos modos. Una partícula alfa deposita en pocas micras la misma energía que un fotón deposita en muchos centímetros, y ese contraste tiene consecuencias directas en radiobiología.

El umbral entre radiación ionizante y no ionizante

Solo se considera ionizante la radiación cuya energía por fotón (o por partícula) es suficiente para superar la energía de enlace de los electrones atómicos. La frontera práctica se sitúa en torno a 10-12 eV, correspondiente aproximadamente a la energía de enlace de los electrones más externos del hidrógeno y del oxígeno (los átomos mayoritarios del agua y de las biomoléculas). Por encima de ese umbral, las radiaciones tienen la energía necesaria para producir iones directamente en tejidos vivos. Por debajo, no.

La distinción tiene consecuencias regulatorias. Las radiaciones ionizantes incluyen los rayos X, los rayos gamma, las partículas alfa y beta emitidas por los radionucleidos, los neutrones y la fracción de mayor energía de la radiación ultravioleta (ultravioleta C y parte del B). Las radiaciones no ionizantes (ultravioleta A, luz visible, infrarrojos, microondas, radiofrecuencia) no producen iones y su regulación sanitaria es completamente diferente. Los límites de exposición ocupacional publicados por la ICRP se aplican solo a las primeras.

Consecuencias biológicas de la ionización

El agua constituye alrededor del setenta por ciento de la masa de los tejidos, y su ionización es la vía principal por la que la radiación ionizante actúa sobre las células. Al arrancar un electrón de una molécula de agua se producen radicales libres (H·, ·OH y otros derivados) que reaccionan químicamente con biomoléculas próximas, sobre todo con el ADN. Este es el llamado efecto indirecto de la radiación sobre el material genético, y explica la mayor parte del daño biológico observado a niveles bajos y moderados de exposición.

El efecto directo, en cambio, ocurre cuando la ionización se produce en la propia molécula de ADN. La rotura de una o de ambas hebras del ácido desoxirribonucleico es el evento biológico más relevante desde el punto de vista de la radiobiología. La célula dispone de mecanismos de reparación muy eficientes, pero cuando las lesiones son múltiples y cercanas en el espacio, la reparación puede fracasar y dar lugar a mutaciones o a muerte celular.

Los efectos biológicos se clasifican habitualmente en dos categorías: efectos deterministas, con un umbral por debajo del cual no ocurren, y efectos estocásticos, cuya probabilidad crece con la exposición pero sin un umbral definido. La distinción, formalizada por la ICRP, es la base conceptual del sistema de protección radiológica.

Aplicaciones médicas

La medicina utiliza el efecto de ionización en tres grandes ámbitos. En imagen médica, la ionización diferencial de los tejidos por rayos X permite formar imágenes en radiografía convencional, tomografía computarizada y fluoroscopia. En radioterapia, la ionización controlada de las células tumorales produce daño en su ADN y frena su capacidad proliferativa; el objetivo es maximizar la ionización en el volumen tumoral y minimizarla en los tejidos sanos vecinos. En medicina nuclear, radionucleidos administrados como radiofármacos ionizan localmente los tejidos que los captan, permitiendo tanto imagen (SPECT, PET) como aplicaciones terapéuticas.

La detección misma de la radiación en la práctica clínica se basa en el efecto de ionización. Los detectores de gas de las cámaras de ionización miden la corriente eléctrica generada por los iones producidos cuando la radiación atraviesa el gas. Los contadores Geiger-Müller amplifican esa corriente para hacer audible cada evento. Los detectores de estado sólido y las gammacámaras registran la señal eléctrica de los electrones puestos en movimiento por la radiación en el material sensible.

Diferenciación con conceptos vecinos

Excitación. La radiación puede transferir a un electrón una energía inferior a la de enlace, insuficiente para arrancarlo. El electrón salta a un nivel energético superior y el átomo queda en estado excitado, no ionizado. La desexcitación posterior emite fotones (fluorescencia, fosforescencia) pero no produce iones.

Absorción. Es un término más amplio: cualquier transferencia de energía de la radiación al medio, incluyendo ionización y excitación. Toda ionización es absorción, pero no toda absorción es ionización.

Ionización química. El mismo fenómeno físico ocurre en química (disoluciones electrolíticas, plasmas fríos) por causas no radiológicas. La expresión «efecto de ionización» en el contexto del diccionario médico se refiere al producido por radiación.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra «ion»?

Del griego ἰόν, participio presente del verbo «ir». La acuñó Michael Faraday en la década de 1830 para las partículas cargadas que se desplazaban de un electrodo al otro en la electrólisis. La misma raíz genera «catión» (el que va al cátodo) y «anión» (el que va al ánodo).

¿Toda radiación puede ionizar?

No. Solo la que transporta suficiente energía por fotón o por partícula para superar la energía de enlace de los electrones atómicos, del orden de una decena de electronvoltios. Los rayos X, los rayos gamma, las partículas alfa y beta, los neutrones y la fracción más energética del ultravioleta son ionizantes. La luz visible, los infrarrojos, las microondas y las ondas de radio no lo son, por mucho que su intensidad sea elevada.

¿Cuál es la diferencia entre ionización directa e indirecta?

Las radiaciones con carga (partículas alfa, beta, protones, iones pesados) ionizan directamente los átomos que encuentran en su recorrido. Los fotones y los neutrones, sin carga, ceden primero su energía a partículas secundarias cargadas, y son estas las que llevan a cabo la ionización real. En el paciente irradiado con rayos X, los verdaderos agentes de la ionización son los electrones puestos en movimiento por las interacciones fotoeléctrica y Compton.

¿Cómo daña la ionización al ADN?

Por dos vías. La primera, llamada efecto directo, cuando la ionización ocurre en la propia molécula de ADN y rompe uno o los dos brazos de la doble hélice. La segunda, llamada efecto indirecto, cuando la ionización se produce en las moléculas de agua vecinas y genera radicales libres, sobre todo el radical hidroxilo, que reaccionan químicamente con el ADN y producen lesiones similares. A niveles bajos de exposición, el efecto indirecto es responsable de la mayor parte del daño.

¿Sirve para algo positivo?

Sí, y de forma decisiva. Toda la imagen médica con rayos X y gamma se apoya en el efecto de ionización. La radioterapia oncológica lo utiliza para destruir células tumorales. La medicina nuclear, tanto en imagen como en terapia, se basa en él. Fuera del ámbito sanitario, la esterilización de material quirúrgico y de productos farmacéuticos se realiza también mediante radiación ionizante.

Referencias

1. Organismo Internacional de Energía Atómica. ¿Qué es la radiación? Radiación ionizante y no ionizante.
2. Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades (ATSDR). Radiación ionizante. ToxFAQ.
3. MedlinePlus. Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos. Exposición a la radiación.
4. Organización Mundial de la Salud. Radiación ionizante: efectos en la salud y medidas de protección.