UNIDAD DE SEGURIDAD NUCLEAR, PROTECCION RADIOLOGICA Y GESTION AMBIENTAL

PROYECTO: ESTRATEGIA NACIONAL PARA LA PREVENCION, ATENCION Y MONITOREO DE RIESGOS RADIOLOGICOS

CURSO DE PROTECCION RADIOLGICA PARA EL MANEJO DE MATERIAL RADIACTIVO

Bogot, 2002Repblica de Colombia

MINISTERIO DE MINAS Y ENERGA INSTITUTO DE INVESTIGACIN E INFORMACIN GEOCIENTFICA, MINERO-AMBIENTAL Y NUCLEAR

UNIDAD DE SEGURIDAD NUCLEAR, PROTECCION RADIOLOGICA Y GESTION AMBIENTAL

PROYECTO: ESTRATEGIA NACIONAL PARA LA PREVENCION, ATENCION Y MONITOREO DE RIESGOS RADIOLOGICOS

CURSO DE PROTECCION RADIOLGICA PARA EL MANEJO DE MATERIAL RADIACTIVO

Bogot, D.C. 2002

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1. ESTRUCTURA ATMICA Y RADIACTIVIDADFis. Esp. Gerardo Torres

INTRODUCCIN La nocin de tomo, como estructura fundamental de la materia, concebida en Grecia y que predomin durante el siglo XIX slo continua siendo valida, desde un punto de vista operativo puramente qumico, como la mnima cantidad de elemento qumico que participa y conserva individualidad durante cualquier transformacin de una especie qumica o sustancia en otra diferente. Al finalizar este siglo y durante las primeras dcadas del siglo XX se produjo una serie de descubrimientos y se elaboraron teoras revolucionarias que modificaron profundamente el conocimiento sobre la naturaleza ntima de los tomos. De ellos ha surgido la nocin actual que considera a un tomo como un sistema dinmico constituido por un ncleo ms un nmero determinado de electrones que cumplen a su alrededor movimientos regidos segn la mecnica cuntica. 1.1 ESTRUCTURA ATMICA En los ltimos lustros del siglo XIX se descubrieron los rayos catdicos y fueron reconocidos como formados por partculas materiales con carga elctrica negativa, En 1.895 y en los aos siguientes se produjeron los descubrimientos de la radiactividad por Becquerel, y los elementos radiactivos por los esposos Curie. Del conjunto de estos fenmenos emerge la idea de la existencia de partculas cargadas subatmicas, es decir, contenidas dentro de los tomos. En 1.899, J. J. Thomson condenso estos resultados en un modelo, que describa el tomo como una esfera de carga elctrica positiva neutralizada por un nmero apropiado de electrones contenidos en su interior. Posteriormente Rutherford y sus ayudantes realizaron estudios, sobre la dispersin de partculas alfa, para investigar la estructura de los tomos; los resultados de sus experiencias, publicados entre 1.911 y 1.913, dejaron establecida la existencia en cada tomo de un ncleo con Z cargas positivas. Como ya se conoca la existencia de los electrones, la imagen del tomo se complet admitiendo que alrededor del ncleo se mueven, en trayectorias circulares, Z electrones con carga unitaria negativa, gracias a lo cual el tomo en conjunto es neutro. La teora completa de la estructura atmica fue elaborada subsiguientemente por Bohr, Sommerfield y Pauli. La teora que rige la dinmica del tomo es debida a Schroedinger, Dirac, De Brogile y otros. Algunos parmetros importantes que se deben tener en cuenta cuando se estudia la estructura atmica son:

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Dimensiones atmicas. El radio atmico no es una magnitud exactamente definida, se estima que el tamao de un tomo es del orden de 10-10 m. Dimensiones nucleares. El radio nuclear es aproximadamente de 10-14 m. Unidad de masa atmica (u.m.a.). A partir de 1.961 se adopt como unidad de masa la basada en el carbono-12. Se defini como la masa de un tomo de carbono-12 dividida por 12, donde la masa de un tomo de carbono-12, se obtiene dividiendo el peso atmico del tomo por el nmero de Avogadro. Para un tomo de carbono 12 se tiene: Masa del12

C = (12 g/atom-g)/( 6.023 x 1023 tomos/atom-g) = 1.99 x 10-23 g

u.m.a

= (1.99 x 10-23 g)/12 = 1.6 x 10-24g

Unidades de energa. En el sistema internacional de unidades la energa se expresa en Joules ( J). Otras unidades utilizadas para cuantificar la energa son el ergio (erg.) y el electrn-voltio (eV), este ltimo definido como la energa cintica adquirida por un electrn acelerado mediante una tensin de un voltio. 1 eV = 1.602 x 10-12 erg = 1.602 x 10-19 J Nmero atmico y representacin de los elementos qumicos. Siendo los tomos elctricamente neutros, el nmero de cargas positivas en el ncleo es igual al nmero de electrones presentes en el tomo, cantidad denominada nmero atmico, y representado por Z, el cual coincide con el nmero de orden de la tabla peridica de elementos, debido a que representa el nmero de protones que constituyen cada elemento qumico. La confirmacin experimental de los protones en el ncleo de los tomos realizada por Rutherford y la correspondencia de la masa nuclear con el nmero de protones era satisfactoria para los primeros elementos de la tabla peridica, sin embargo al aumentar este nmero la diferencia con la masa nuclear era apreciable. La solucin al problema de las masa nucleares se encontr con el descubrimiento de los neutrones en 1.932 por Chadwich, partcula de masa similar a la del protn pero sin carga elctrica, establecindose que el ncleo de los tomos puede estar constituido por Z protones y N neutrones. A estas partculas que constituyen el ncleo de los tomos se les denomina comnmente nucleones. Para representar un elemento qumico, es decir un tomo, se utiliza el nmero atmico, Z, y el nmero msico, A. El nmero msico, A, es una medida aproximada de la masa atmica, debido a que se toma el nmero total de partculas nucleares, es decir el nmero de nucleones. Siendo N el nmero de neutrones y Z el nmero de protones, entonces

A= Z + N

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Por consiguiente la representacin de cualquier elemento qumico se hace mediante su smbolo (X) y los nmeros msico y atmico, as:

A Z Clasificacin

X

de los elementos qumicos. En la caracterizacin de los elementos qumicos, de acuerdo con el nmero atmico, nmero msico, nmero de neutrones y estado energtico de los nucleones, stos pueden tener iguales algunos o todos los nmeros que lo identifican, diferencindose nicamente por el estado energtico de los nucleones. Teniendo en cuenta que un elemento qumico se identifica por su nmero atmico y que pueden existir diferencias entre los tomos de un mismo elemento qumico, por el nmero de neutrones o por el estado energtico, se ha denominado en general nucleidos o nclidos a los tomos que representan cualquier elemento qumico.

Considerando el nmero atmico, el nmero msico y el estado energtico de los nucleones, los nucleidos se pueden clasificar como istopos, istonos, isbaros e ismeros. Istopos. Son aquellos nucleidos que tienen igual nmero atmico (Z) pero difieren en el nmero msico (A), por lo tanto poseen un nmero diferente de neutrones, aunque estn representando el mismo elemento qumico. Por ejemplo en el caso del hidrgeno se tienen tres istopos, correspondientes al hidrgeno comn que posee slo un protn en el ncleo, al deuterio que posee un protn y un neutrn y al tritio con un protn y dos neutrones; los dos primeros se encuentran en la naturaleza y el tercero creado artificialmente. Los dems elementos qumicos poseen un mayor nmero de istopos. Isbaros. Son aquellos nucleidos que tienen igual nmero msico (A) pero difieren en el nmero atmico (Z). Estos elementos qumicos difieren el nmero de protones y neutrones que tienen en el ncleo, pero la suma de nucleones es igual. Por ejemplo el 60 Co y el 60 Ni; el137

Cs y el 137 Ba; el 210 Pb y el 210 Bi.

Istonos. Son aquellos nucleidos que tienen que tienen igual nmero de neutrones (N) pero difieren en el nmero msico (A), por lo tanto tienen diferente nmero de protones representando elementos qumicos distintos. Por ejemplo el 12 C y el 13 N; el 22 Ne y el 23 Na. Ismeros. Son aquellos nucleidos que tienen igual nmero msico (A) e igual nmero atmico (Z), por lo tanto igual nmero de neutrones (N), pero difieren en el nivel energtico de los nucleones, para su identificacin se agrega una m al nmero msico. Por ejemplo el 60m Ni y el60

Ni; el 137m Ba y el 137 Ba

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1.2 RADIACTIVIDAD La radiactividad consiste en la transformacin espontnea de los ncleos, esto implica la redistribucin de los componentes del ncleo tendiendo a buscar una estructura ms estable. Esto es posible mediante la emisin de partculas y/o radiacin electromagntica (fotones gamma) buscando as su estado de mnima energa. Los nucleidos que se transforman espontneamente son conocidos como radionucleidos o radionclidos, los cuales pueden ser naturales o artificiales. 1.2.1 Procesos de desintegracin Los nucleidos inestables, ya sean naturales o artificiales, pueden lograr su estabilidad mediante un nmero limitado de modos de decaimiento: Decaimiento alfa ( ), decaimiento beta menos ( -), decaimiento beta ms ( +) y captura electrnica. Es de anotar que en un buen nmero de casos, el proceso es seguido por emisin de radiacin electromagntica, conocida como radiacin gamma ( ). Decaimiento alfa Esta forma de decaimiento tiene lugar principalmente en elementos pesados con nmero atmico mayor a 82 y raramente en elementos livianos. Las partculas alfa poseen carga positiva, identificndose con tomos de helio doblemente ionizados , es decir sin sus electrones orbitales, por lo tanto tienen un Z=2, N=2 y A=4. Estas partculas al interactuar con la materia producen un gran nmero de iones en su recorrido, perdiendo energa cintica, por consiguiente recorren una corta distancia, siendo su poder de penetracin relativamente menor. Pueden ser distintas por una hoja de papel.

La emisin de partculas alfa se representa por:A Z A 4 X Z 4 Y + 2 + 2

241 95

Am237Np+ 24He + 93

En general el ncleo residual despus de la emisin alfa, emite radiacin gamma, por haber quedado en un estado excitado. Decaimiento beta menos La radiacin beta menos corresponde a la emisin de partculas cargadas negativamente y son idnticas a los electrones.

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El alcance de las partculas beta menos es de varios metros en el aire, y debido a su bajo peso comparado con las partculas alfa, su poder de ionizacin es menos intenso, siendo fcilmente absorbidas por la materia. El poder de penetracin depende de su energa y de la densidad del absorbedor. Las partculas beta menos no existen en el ncleo antes de la emisin, sta se produce cuando en el ncleo inestable un neutrn se transforma en un protn:1 n1 p + 0 + + 1 Donde corresponde al antineutrino que acompaa a este tipo de desintegraciones y corresponde a radiacin electromagntica, tambin conocida como radiacin gamma, emitida por los radionucleidos que en el proceso de transformacin nuclear quedan en un estado excitado, tambin llamado metaestable, la energa asociada a los fotones gamma es caracterstica del radionucleido. 1 0

La representacin de este tipo de emisin es:A Z 0 X Z +AY + 1 + + 1

32 15

32 0 P16 S + 1 + +

Decaimiento beta ms La emisin de partculas +, positrones, los cuales poseen igual masa que la de un electrn e igual carga pero de signo contrario. Este tipo de emisin fue descubierta en 1.932 y corresponde a la conversin de un protn en un neutrn, de manera que se emite la partcula beta ms y un neutrino, en algunos casos el ncleo residual emite radiacin electromagntica.1 1

p 01n ++ 0 + + 1

La emisin de positrones se puede representar por:A Z 0 X Z AY ++1 + + 1

11 6

0 C 11B+ +1 + + 5

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Captura electrnica Es un proceso similar a la emisin positrnica, en este modo de decaimiento, el ncleo llega a estabilizarse cuando un protn se transforma en neutrn por la captura de un electrn de la capa K. Por lo tanto el nmero atmico se reduce en uno, y la vacante en K es llenada por un electrn de las capas exteriores con la consiguiente emisin de radiacin X caracterstica. Cuando el nuevo ncleo queda en un estado metaestable habr emisin de radiacin gamma.A Z 0 X +1 Z A1Y + ( RX + )

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0 7 Be + 1 3 Li + ( RXcaracter sti cos)

Radiacin neutrnica Adems de los neutrones existentes en el ncleo, tambin es posible tener neutrones libres como forma de radiacin. La produccin de neutrones se puede alcanzar por los siguientes mecanismos: Por bombardeo de elementos estables con radiacin gamma de alta energa, convirtiendo estos elementos estables en inestables y su desexcitacin se logra con la emisin de neutrones as:8 1 Be + 4 Be + 0n Varios tipos de fuentes radiactivas de uso comn utilizan un emisor de partculas alfa que al colisionar con el berilio producen una reaccin nuclear emitindose neutrones, como se representa a continuacin: 9 4 4 Be + 2 12C + 01n 6 Este tipo de racin nuclear permite la construccin de fuentes de neutrones como las conocidas Ra-Be y Am-Be. La fuente de Ra o Am se rodea con una delgada capa de Be, las partculas alfa emitidas por el radio o el americio al colisionar con el berilio inducen la emisin de neutrones . 9 4

Otro mecanismo para la obtencin de neutrones es la fisin nuclear. La fisin nuclear se logra cuando el ncleo de uranio 235 captura un neutrn, dividindose en dos ncleos de masa aproximadamente igual, como por ejemplo el bromo y el lantano, el bario y el criptn, etc., con pesos atmicos entre 115 y 120 cada uno, y la emisin de dos o tres neutrones.235 92 93 U + 01n140Ba +36 Kr +301n 56

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Los ciclotrones son usados para producir haces de neutrones altamente energticos, acelerando protones o deuterones y hacindolos incidir sobre blancos especiales (nodos), siendo el berilio comnmente utilizado. 1.2.2 Ley de transformacin radiactiva Si se tiene una cantidad dada de masa de una sustancia radiactiva puede comprobarse que: La intensidad de emisin de radiacin y por lo tanto de transformacin nuclear es proporcional a la masa. La intensidad decrece con el transcurso del tiempo, puede ser lenta o rpidamente, esto depende del radionucleido observado, cada uno tiene su propio ritmo de desintegracin. La medicin cuantitativa de la intensidad del fenmeno se conoce como actividad (A) de la sustancia radiactiva. Por lo tanto la actividad (A) se define como el nmero de desintegraciones por unidad de tiempo: A= -dN/dt El signo menos indica la disminucin dN del nmero total de tomos N que se desintegran en el tiempo dt. Esta es una consecuencia de la primera propiedad que nos dice que la transformacin nuclear es proporcional a la masa; entonces la actividad es proporcional al nmero de tomos presentes: A es proporcional a N. Entonces A= N donde la constante de proporcionalidad se denomina constante de desintegracin radiactiva. Esta constante nos da la probabilidad de transformacin nuclear por unidad de tiempo, siendo sta diferente para cada radionucleido. Partiendo de A= -dN/dt, con A=N se obtiene la expresin: A(t) = A0 e-t

y realizando los correspondientes paso matemticos

Conocida como ley temporal de la transformacin radiactiva. De esta forma la actividad est dada en desintegraciones por unidad de tiempo (desintegraciones/segundo), representada por (des/s), y en el sistema internacional de unidades recibe el nombre de becquerelio (Bq). 1 des/s = 1 Bq La actividad tambin se expresa en Curios (Ci) 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq

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1.2.3 Perodo de semidesintegracin Con base en la expresin hallada para la actividad de una sustancia radiactiva en funcin del tiempo, se identifica que dicha actividad decrece en forma exponencial con el transcurso del tiempo. De acuerdo con esta ley y como resultado del anlisis experimental, se encontr que el tiempo necesario para que la actividad decrezca una fraccin dada es constante y particular para cada radionucleido. En particular, es importante el tiempo t necesario para que la actividad A decrezca en un 50%, es decir, para que la actividad se reduzca a la mitad del valor inicia; este tiempo se denomina periodo de semidesintegracin o vida media y se designa por la letra T o t1/2 A(t1/2 )= A0 /2 = A0 e-t1/2 De manera que t1/2 = ln2/=T As se establece la relacin que existe entre el perodo y la constante de desintegracin radiactiva, las cuales son propias de cada radionucleido. De esta forma se puede escribir la ley de decaimiento radiactivo en funcin del perodo de semidesintegracin as: A(t)= Ao e-(ln2)t/T

1.2.4 Radiaciones ionizantes Las sustancias radiactivas son emisores de energa, la cual puede ser en forma de partculas alfa, partculas beta y/o radiacin gamma. La interaccin de estas radiaciones con la materia, en ciertas circunstancias, da lugar a la emisin de neutrones y radiacin X. La radiacin X y la radiacin gamma, las cuales consisten en entidades fsicas llamadas fotones, tienen propiedades idnticas diferencindose nicamente en su origen. La radiacin gamma es radiacin es radiacin electromagntica emitida por ncleos excitados o en las reacciones de aniquilacin de la materia y la antimateria. El rango de energas de los fotones emitidos por tomos radiactivos se extiende desde 2.6 KeV (correspondiente a radiacin X caracterstica de la captura electrnica en el argn-37) a 7.1 MeV de la radiacin gamma del nitrogeno-16. La radiacin X es radiacin electromagntica emitida por los tomos a travs de dos tipos de mecanismos: El primero se presenta cuando los electrones realizan cambios en los niveles energticos (llamados caractersticos), a este tipo de radiacin se le denomina fluorescencia de radiacin , el segundo mecanismo para la generacin de radiacin X consiste en la desaceleracin de partculas cargadas (usualmente electrones) por campos coulombianos, este tipo de radiacin se denomina radiacin de frenado.

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La radiacin ionizante es generalmente caracterizada por su habilidad para excitar y/o ionizar los tomos que constituyen la materia con la cual interacta. Teniendo en cuenta que la energa necesaria para causar el escape de un electrn de valencia en un tomo est en el rango de 4 a 25 eV, radiaciones que posean energa cintica o cuantos de energa que excedan esta magnitud pueden ser llamadas ionizantes. Con este criterio, se incluira radiacin electromagntica con longitud de onda inferior a 320 nm, cubrindose casi toda la banda de radiacin ultravioleta (UV 10-40 nm). Sin embargo para propsitos prcticos la radiacin ultravioleta no es considerada radiacin ionizante en el contexto de la fsica radiolgica, teniendo en cuenta que el poder de penetracin en la materia es equivalente al de la luz visible, mientras que otras radiaciones son generalmente ms penetrantes. Las radiaciones ionizantes a ser consideradas sin: radiacin gamma, radiacin X, electrones rpidos (radiacin beta positiva o negativa), partculas pesadas cargadas (radiacin alfa, protones, etc.) y neutrones. El ICRU (Internacional Comisin on Radiation Units and Measurements, 1.971), ha recomendado cierta terminologa en referencia a la radiacin ionizante haciendo nfasis en la interaccin de la radiacin, con carga y sin carga, con la materia. Radiacin directamente ionizante: partculas cargadas, las cuales pueden entregar directamente su energa sobre la materia, a travs de muchas interacciones a lo largo de su trayectoria. Radiacin indirectamente ionizante: Radiacin X , gamma o neutrones,es decir partculas sin carga, las cuales primero transfieren su energa a una partcula cargada en la materia, las cuales liberan esta energa como en el caso de radiacin directamente ionizante. Esto se puede interpretar asumiendo que la deposicin de la energa en la materia por radiacin indirectamente ionizante se realiza en un proceso de dos pasos.

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2. INTERACCIN DE LA RADIACIN CON LA MATERIAFis., Ph.D, Mara Esperanza Castellanos

INTRODUCCINCargadas e-, p, deutones ... Partculas materiales Neutras n Radiaciones Rayos X Fotones Rayos

Radiaciones Ionizantes Capaces de producir ionizaciones en el medio material al que ellas penetran Ionizacin Resulta de la eyeccin de un electrn fuera del edificio atmico o molecular al que pertenece. Ella es provocada en general por la interaccin de una partcula cargada con el electrn.

Directamenteionizante

Partculas cargadas e-, p, d ... Partculas no cargadas Rayos X, Rayos Ionizaciones producidas esencialmente por las partculas cargadas secundarias (p y e-)

Radiacin

Indirectamente ionizante

Las ionizaciones son origen de:

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Los efectos utilizados para la deteccin de las radiaciones (contadores de partculas, dosimetra, pelculas radiogrficas y otros sistemas radiolgicos) Los efectos biolgicos constatados sobre los medios vivientes

Los efectos constatados sobre los medios vivientes

2.1 ASPECTOS GENERALES DE LA INTERACCIN ENTRE DOS PARTCULAS CARGADAS

F =k

qq' x2

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Bajo la influencia de la fuerza F, que vara en intensidad y direccin durante la interaccin : La partcula blanco es proyectada en una direccin y adquiere una energa Q, que es tomada de la energa cintica T de la partcula incidente; La partcula incidente es desviada bajo un ngulo , y su energa residual despus de la interaccin es (T-Q). La interaccin debe tambin satisfacer el principio de la conservacin de la cantidad de movimiento. 2.1.1 Interaccin de los electrones con la materia

Los electrones en movimiento rpido son obtenidos: Por emisin de los radioelementos De los aceleradore s de electrones Por proyeccin de electrones secundarios, como consecuencia de la interaccin de fotones X y Su energa cintica T0 puede, segn las circunstancias de su produccin, tener valores muy diferentes: entre algunas decenas de keV y algunos MeV. Origen Aceleradores de electrones Electrones secundarios proyectados por los fotones X y Energa Monoenergticos T0 Ejemplos Aceleradores lin. y betatrones T0 = 5 MeV a 40 MeV Espectro 0