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Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR) MÓDULO BÁSICO. TEXTOS

© CSN-2013

Curso de SUPERVISORES de

Instalaciones Radiactivas (IR).

MÓDULO BÁSICO.

TEXTOS

Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR) MÓDULO BÁSICO

© CSN-2013

TEMA 1:

INTRODUCCIÓN A LA RADIACIÓN. NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN.


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ÍNDICE:

1.- ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA .................................................................... 3

2.- ESTRUCTURA NUCLEAR ............................................................................................... 4

3.- ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR ................................................................................... 7

4.- UNIDADES DE MASA Y DE ENERGÍA ............................................................................ 9

5. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA ................................................................................ 9

6.- RADIACTIVIDAD ......................................................................................................... 12

7.- RADIACIONES IONIZANTES ........................................................................................ 13

7.1. Radiación alfa ...................................................................................................... 13

7.2. Desintegración Beta ............................................................................................ 15

Desintegración beta negativa ................................................................................. 15

Desintegración beta positiva .................................................................................. 18

Captura electrónica (CE) ......................................................................................... 19

7.3. Radiación gamma ................................................................................................ 20

7.4. Rayos X ................................................................................................................. 20

8.- REACCIONES NUCLEARES .......................................................................................... 22

8.1 Reacciones de dispersión ..................................................................................... 23

8.2 Captura radiativa .................................................................................................. 23

8.3 Emisión de partículas ............................................................................................ 23

8.4 Fotodesintegración ............................................................................................... 24

8.5 Fisión ..................................................................................................................... 24

8.6 Fusión .................................................................................................................... 24


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1.- ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA

A lo largo de los tiempos hasta la época presente, la imagen del átomo como componente básico de la materia, ha cobrado paulatinamente una gran consistencia. Como consecuencia se identificaron los llamados elementos simples o químicos, que se combinan para formar las diversas sustancias, llamadas compuestos o combinaciones químicas. Los elementos simples no pueden disociarse por medios químicos en otros más sencillos. Así por ejemplo el agua es un compuesto formado por hidrógeno y oxígeno, ambos elementos simples.

El estudio sistemático de las propiedades químicas de los elementos, así como las relaciones ponderales de éstos al formar combinaciones químicas, condujo a que investigadores como Lavoisier, Dalton, Gay Lussac y otros, pudieran establecer la siguiente secuencia de conclusiones:

La materia se encuentra constituida por partículas indivisibles por métodos químicos, llamadas átomos, que conservan su propia identidad en los compuestos.

Los átomos de cada elemento son idénticos entre sí; los átomos de distintos elementos difieren entre sí en varias propiedades, entre las que destaca su masa.

Los compuestos químicos se forman por combinación de átomos, en proporciones definidas expresadas por números sencillos.

En el momento presente se conocen más de cien elementos químicos distintos, de los cuales 92 se encuentran presentes en la naturaleza, siendo dos procedentes de la fisión espontánea del U, y el resto, han sido sintetizados mediante reacciones nucleares. Cada elemento químico se representa mediante un símbolo de una o dos letras, por ejemplo: oxígeno (O), helio (He), uranio (U), etc.

Al combinarse entre sí los elementos químicos se forman estructuras que reciben el nombre de moléculas, que se pueden definir como los componentes más pequeños de un determinado compuesto que mantienen sus propiedades químicas. Así por ejemplo, la molécula de agua se simboliza como H2O, y significa que está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Este ejemplo describe una molécula sencilla; en los compuestos orgánicos, que comprenden la mayor parte de las combinaciones del carbono, existen moléculas formadas por cientos de miles de átomos.

Las propiedades de un compuesto químico son generalmente muy distintas de las de los elementos que lo componen. Por ejemplo, el cloro es un gas tóxico y el sodio un metal muy activo, la unión de ambos, el cloruro sódico o sal común, es un compuesto de uso corriente e imprescindible en el funcionamiento de nuestro propio organismo.

El átomo se compone esencialmente de un núcleo, de unos 10-14 m de radio, que contiene prácticamente toda la masa del átomo y se encuentra formado por protones y neutrones, es decir, cargado positivamente, y la corteza, formada por un cierto número de electrones, cuya carga total es igual y de signo contrario a la del núcleo, por lo que la materia se presenta como eléctricamente neutra. Los electrones se encuentran alrededor del núcleo, de manera que la fuerza de atracción electrostática queda compensada por la fuerza centrífuga, de forma análoga, a lo que sucede con la


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rotación de los planetas alrededor del sol.

Los electrones constituyentes de la corteza atómica, no tienen energías arbitrarias sino que solo existen determinadas energías estables. Estos niveles o capas se denominan K, L, M, N, O, P y Q, en orden de menor a mayor energía. Cada capa corresponde por tanto a un nivel energético el cual aumenta a medida que nos separamos del núcleo.

La energía de ligadura del electrón o energía de enlace se define como la energía que hay que suministrar a un electrón para separarlo de la capa correspondiente. Dicha energía depende de la capa en que se encuentre el electrón y del elemento químico que se trate. Los electrones que se encuentran en las capas más cercanas al núcleo tienen una energía de ligadura mayor que aquellos que se encuentran en las capas más alejadas.

Se dice que un átomo se encuentra en su estado fundamental cuando sus electrones se encuentran situados en los niveles de energía más bajos, es decir, en los más próximos al núcleo. Mediante aportación de energía, los átomos pueden excitarse, esto es, desplazar sus electrones a órbitas más externas, sin llegar a formar iones. Los átomos excitados tienden a desexcitarse por sí mismos ya que los estados de menor energía de cualquier sistema suelen ser los más estables. Por consiguiente, las vacantes de los electrones que se han ido, se ocupan espontáneamente por electrones de niveles energéticos más altos, liberando su exceso de energía mediante la emisión de un fotón. La energía del fotón resultante del salto de un electrón entre dos niveles de energías vendrá dada por la diferencia de energía de esos niveles. De esta manera, la radiación emitida en la desexcitación de un átomo puede corresponder al rango energético de los infrarrojos, la luz del visible, los ultravioletas o incluso radiación X, cuando la diferencia de energía entre los niveles inicial y final es suficientemente grande. En este último caso, a esta radiación se le denomina rayos X característicos pues es característico de la estructura electrónica de los átomos.

Si se suministra al átomo energía suficiente (una energía mayor que la energía de ligadura de algún electrón), es posible separar completamente de él uno o varios electrones, en estas circunstancias decimos que nos encontramos frente a un ión o átomo ionizado. Éste átomo queda, pues, con carga eléctrica positiva.

2.- ESTRUCTURA NUCLEAR

El centro del átomo se encuentra ocupado por un núcleo cargado positivamente, cuyo radio es del orden de 10-14 m, en el que se encuentra concentrada prácticamente la totalidad de la masa atómica. El núcleo está compuesto por dos tipos distintos de partículas llamadas conjuntamente nucleones:

los protones, idénticos al núcleo de un átomo de hidrógeno y con una unidad elemental de carga positiva, y

los neutrones, de masa ligeramente superior a la de los protones, pero eléctricamente neutros.

La estructura nuclear descrita es a primera vista fuertemente inestable, pues la repulsión electrostática entre los protones, confinados en un volumen de unos 10-24 m3, resulta muy intensa. La razón de la estabilidad nuclear procede del hecho, de que


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al aproximarse dos nucleones a una distancia de 10-15 m entran en acción las fuerzas llamadas nucleares, de corto alcance pero de gran intensidad, que contrarrestan la acción dispersora debida a la repulsión electrostática de los protones.

Las fuerzas nucleares son independientes de la carga de los nucleones, pero su alcance es limitado a sus vecinos más próximos. En cambio las fuerzas de repulsión electrostáticas son de largo alcance, de suerte que cada protón, experimenta la acción repulsiva solo del resto de protones, por lo que un núcleo compuesto exclusivamente por protones sería inestable.

Todos los átomos que tengan el mismo número de protones pertenecen al mismo elemento químico. El número de protones define, por tanto, el átomo en cuestión y se le denomina número atómico, Z. La clasificación ordenada de todos los elementos, en orden creciente de Z, constituye la tabla periódica (Figura 1)

La suma del número de protones y neutrones (nucleones) nos da una idea de la masa del átomo puesto que la masa de los electrones es despreciable frente a la masa de los protones y los neutrones. A la suma de los nucleones que componen el núcleo del átomo se denomina número másico, A.

Se denomina nucleido a toda especie nuclear caracterizada por valores determinados de Z y de A. Esquemáticamente un nucleido se representa con el símbolo:

N

A

Z X

donde X es el símbolo químico del elemento, A el número másico, Z es el número atómico, que usualmente no se incluye al venir implícitamente definido por el símbolo químico, y N el número de neutrones.

Figura 1. Tabla periódica


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Los núcleos atómicos pueden clasificarse de la siguiente manera:

ISÓTOPOS: Todos los nucleidos caracterizados por el mismo valor Z reciben el nombre de isótopos. Estos tienen propiedades químicas iguales.

ISÓBAROS: Los nucleidos caracterizados por tener el mismo número másico A, reciben el nombre de isóbaros.

ISÓTONOS: Si tienen igual el número de neutrones N = A-Z se denominan isótonos.

ISÓMEROS: Un núcleo, puede encontrarse energéticamente excitado, de la misma forma que ocurre en el átomo. Si el nivel excitado es metastable, (su vida media es suficientemente larga) se dice que el núcleo excitado es un isómero del mismo núcleo en su estado fundamental de energía. Los isómeros se representan con una letra m tras el símbolo másico (así por ejemplo, el 137mBa es un isómero del 137Ba).

Para un determinado valor de Z existe un cierto límite superior e inferior en el número de neutrones, formándose conjuntos de nucleidos estables. Los nucleidos cuyo número de neutrones queda fuera de la banda de estabilidad definida para cada Z, llamada banda isotópica de estabilidad, tenderán a sufrir cambios nucleares a través de la emisión de partículas y radiaciones, para llegar a la estabilidad. A dicho proceso se le denomina radiactividad, llamándose radionucleidos a los nucleidos inestables o radiactivos.

Distribución de nucleidos estables

Radionucleidos conocidos

N

Z


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P294,6 s

P302,5 m

P31100

P3214,3 d

P3325 d

11

11

12

12

13

13

14

14

15

15

16

17

18Si275 s

Si2892,21

Si294,70

Si303.09

Si312,6 h

Al242,3 s

Al257,3 s

Al266,5 s

Al27100

Al282,3 m

Al296,6 m

Mg2312 s

Mg2478,8

Mg2510,1

Mg2611,1

Mg279,6 m

Na222,6 a

Na23100

Na2415,0 h

Na2560 s

Z

A - Z

Núcleo

original

, 3n , 2n , n

p, n , np

--

-

-

1,28; 2,42

3,5...

3,5-

1,70-

0,28

-1,48

?

p,

d , n

, n

n , 2n

, pn

d , p

n ,

, p n , p

n ,

A - Z

Desplazamientos provocados

por desintegraciones

artificiales

2,5; 1,4

1,2; 2,3

2,87

1,78

-

1,80; 0,9

1,01; 0,84

3,7; 2,7

> 0,5

1,39; 4,2

1,38; 2,75;3,7

0,54; 1,8

1,28

3,0

3,5

3

Z

Figura 2. Distribución de los nucleidos conocidos. Fragmento de una carta de Nucleidos

La información sobre nucleidos y radionucleidos se muestra en las denominadas Cartas de Nucleidos Figura 2 que contienen una información muy completa de las características y propiedades de cada uno de ellos. En esta forma de representación cada especie nuclear tiene un lugar reservado en forma de casilla dispuesta en una cuadrícula, en la que se representa Z frente a N = A - Z; cada posición lleva un código de color o sombreado para diferenciar a los nucleidos estables de los radionucleidos, así como datos numéricos, tales como abundancia relativa, estabilidad, modo de desintegración, partículas emitidas, energías, etc.

3.- ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR

El principio de conservación de la energía, estipula en su forma clásica, que la energía ni se crea ni se destruye, únicamente se transforma. Según este principio, la energía contenida en un sistema aislado debe mantenerse constante. Sin embargo, en los trabajos de Einstein en los que desarrolló la Teoría de la Relatividad, se planteó como principio la convertibilidad recíproca de masa y energía, de acuerdo con la relación:

E = mc2

donde m es la masa, que puede transformarse en una energía E, y c es igual a la velocidad de la luz en el vacío, que vale aproximadamente 3 x 108 m/s.

La conversión entre masa y energía está en el momento presente perfectamente comprobada por el resultado de muchos fenómenos, por lo cual, los principios de conservación de masa y energía, inexactos aisladamente, deben reemplazarse por un


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principio único, donde se afirma, que la suma de la energía y la energía equivalente a la masa en un sistema aislado, debe mantenerse constante.

De acuerdo con esto, la masa de un nucleido con número atómico Z y número másico A debería ser la suma de las masas de Z átomos de hidrógeno más las de A - Z neutrones. Sin embargo se observa sistemáticamente que las masas medidas M(A, Z),

son inferiores a las calculadas en una cantidad m, llamada defecto másico.

m = Z·MH + (A-Z)·Mn - M(A, Z)

La energía del defecto másico corresponde a la llamada energía de enlace nuclear, Eb: energía necesaria para romper un núcleo en sus componentes separadamente (Z protones y N neutrones):

Eb = c2· m

Se define entonces la energía media de enlace por nucleón, como:

Eb = c2 · m/A

Al representar el valor absoluto de la energía media de enlace por nucleón en función de A Figura 3, se aprecian algunos detalles importantes como que en la zona baja de A se observa que algunos puntos (A=4, A=16) muestran valores de Eb marcadamente superiores a los de los nucleidos vecinos, lo que confieren a los dichos núcleos una gran estabilidad.

Figura 3. Energía media de enlace por nucleón Eb en función del número de nucleones (1eV=1.6x10-19 J).


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4.- UNIDADES DE MASA Y DE ENERGÍA

Para expresar las MASAS de los átomos y de las partículas que los constituyen no se utilizan las unidades del Sistema Internacional (SI) al tener estas masas valores sumamente pequeños comparados con la unidad del SI (kilogramo). En su lugar, se adopta la unidad de masa atómica definida como "la doceava parte de la masa del átomo de 12

6C" (que es el más abundante). Su valor en gramos es:

1 u.m.a. = 1,66 10-27 kg.

En física atómica, se utiliza como unidad de ENERGÍA el electronvoltio (eV). La unidad del Sistema Internacional tiene un valor demasiado alto, por lo que resultaría engorroso trabajar con ella.

Se define el electronvoltio como la energía cinética que adquiere un electrón, inicialmente en reposo, al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio.

Equivale a: 1 eV = 1,6 x 10-19 julios.

En ocasiones, el electrónvoltio es demasiado pequeño, por lo que se utilizan sus múltiplos:

Nombre Símbolo Equivalencia

Kiloelectronvoltio keV 1.000 eV

Megaelectronvoltio MeV 106 eV

Gigaelectronvoltio GeV 109 eV

5. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

En 1870, el físico Maxwell desarrolló la teoría de las ondas electromagnéticas, en la que las propiedades físicas de la luz encuentran un marco coherente. Según esta

PROTÓN

MASA ~ 1,007 u.m.a.

1,673 ∙ 10 -27 kg.

CARGA ELÉCTRICA POSITIVA

NEUTRÓN

CARGA ELÉCTRICA NEUTRA

ELECTRÓN

CARGA ELÉCTRICA NEGATIVA

MASA ~ 1,008 u.m.a.

1,675 ∙ 10 -27 kg.

MASA ~ 1/1836 u.m.a.

9,11 ∙ 10 -31 kg.


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teoría, la radiación electromagnética es una modalidad de propagación de energía sin el soporte de un medio material. La radiación electromagnética puede ser considerada como una doble onda, formada por dos campos, eléctrico y magnético, cuyos planos de propagación son perpendiculares. Los campos eléctrico y magnético se engendran secuencialmente por inducción. Figura 4.

Figura 4. Ondas electromagnéticas

La velocidad de propagación en el vacío de tales ondas, c, es una constante fundamental, cuyo valor es aproximadamente:

c = 3 x 108 m/s

El carácter ondulatorio de la radiación electromagnética es necesario para explicar una serie de fenómenos, tales como difracción, interferencia, refracción y polarización. Sin embargo, la descripción puramente ondulatoria, resulta del todo insuficiente para explicar los fenómenos de interacción de la radiación con la materia, tales como el efecto fotoeléctrico, y en general todos los procesos de absorción y emisión de energía de átomos o núcleos.

Estos fenómenos fueron correctamente interpretados por Planck y Einstein a principios del siglo XX. Para ello, hubo de admitirse que las ondas electromagnéticas están constituidas por minúsculos paquetes de energía, llamados fotones o cuantos de radiación. El fotón puede ser considerado como un "corpúsculo" de energía sin soporte material, equivalente a una energía cinética:

c h = h = E

··

donde h, es otra constante universal, llamada constante de Planck, cuyo valor es

h = 6,626 · 10-34 J · s = 4,136 · 10-15 eV · s

y

Z

X

O


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En esta imagen corpuscular de la radiación electromagnética, la masa en reposo del fotón es nula; en cambio, en movimiento, los fotones tienen una masa igual a:

c

h =

c

h =

c

E = m

22 ·

·

La intensidad de emisión de la radiación electromagnética depende del número de fotones por unidad de superficie en el punto de medida. En cambio, la energía es proporcional a la frecuencia de la radiación.

La representación de la radiación electromagnética como onda o como corpúsculo, constituye dos aspectos complementarios de una misma realidad, que se manifiesta en una u otra forma según el tipo de fenómenos que se consideren. La luz se comporta como si fuera una onda en fenómenos de refracción, difracción, interferencia, etc. En cambio en procesos de intercambio de energía con átomos y núcleos, actúa como si fuera un corpúsculo.

Estudiando esta naturaleza dual, Luis de Broglie propuso en 1924, que esta propiedad era extensible a la totalidad de la materia. De acuerdo con esta hipótesis, hoy bien comprobada experimentalmente, todas las partículas deben exhibir comportamiento ondulatorio en condiciones adecuadas.

Las ondas electromagnéticas conocidas se extienden sobre una amplia gama de longitudes de onda, que comprenden desde las ondas radioeléctricas más largas, del orden del km hasta la radiación gamma más dura, que llega hasta el femtometro (10-15 m).

En la Figura 5 puede observarse por ejemplo que la luz visible cubre una porción sumamente reducida del espectro electromagnético, desde los 780 nm para la luz roja, hasta los 380 nm del violeta. Los límites de separación entre las distintas zonas, no presentan valores nítidos y existe siempre un cierto margen de solapamiento.

Telefonía

móvil

N

O

I

O

N

I

Z

A

N

T

E

S

I

O

N

I

Z

A

N

T

E

S

Rayos

Rayos X

UHF

Onda media

TV FM

Nombre de la

radiación

Energía

eV

Frecuencia

Hz

Longitud de

onda m.

10- 14

10- 12

10- 10

10- 8

10- 6

102

100

10- 2

104

10- 4

10

10

10

10

10

10

10

10- 10

10

10- 8

108

10

10- 6

106

10

102

10- 2

104

10- 4

1 1 Micrón,

1 Metro, m

1 kilómetro,

km

Onda larga

Onda corta

Infrarrojo

Ultravioleta

Visible

1 Centímetro, cm


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Figura 5. Espectro de la radiación electromagnética

6.- RADIACTIVIDAD

La mayoría de los elementos que se encuentran en la naturaleza poseen núcleos estables cuya estructura no varía con el tiempo a no ser que artificialmente se les someta al bombardeo de otras partículas nucleares. Los elementos naturales, desde el Hidrógeno (H) de número atómico Z = 1 hasta el Plomo (Pb) de número atómico Z = 82 están compuestos por uno o varios isótopos con núcleos estables, a excepción del Tecnecio (Tc) y el Prometio (Pm).

Los elementos naturales con Z superior al del Plomo hasta llegar al Uranio (U) tienen núcleos más o menos inestables que tienden, a lo largo del tiempo y con mayor o menor rapidez, a modificar su composición mediante la emisión espontánea de algunas de las partículas que los constituyen.

A este fenómeno de transformación nuclear espontánea se le llama radiactividad, y a los átomos que así se comportan, radionucleidos.

El ritmo o rapidez de transformación espontánea es característico de cada radionucleido y viene expresado por la llamada constante de desintegración.

La estabilidad o inestabilidad de los núcleos depende únicamente de la estructura del núcleo, siendo independiente de factores externos a éste como pudieran ser la temperatura, la presión o el estado químico. Está muy relacionada con la energía de enlace por nucleón de la especie nuclear en cuestión; cuanto mayor sea ésta, mayor será la estabilidad.

Los procesos radiactivos tienen por escenario el núcleo atómico. A pesar de las fuerzas nucleares que mantienen la cohesión de los núcleos, éstos no son inmutables. Muchos núcleos son inestables y alteran su composición espontáneamente mediante la emisión de partículas; este proceso implica una desintegración nuclear. Cuando un núcleo inestable experimenta un proceso de desintegración radiactiva, se transforma en otro núcleo que posee o que conducirá a una configuración más estable. En los procesos radiactivos en los que se emiten partículas cargadas (radiactividad alfa y radiactividad beta), el núcleo residual pertenece a una especie nuclear distinta de la del núcleo original. En los procesos en que tan sólo se emite radiación electromagnética (radiactividad gamma) el núcleo residual pertenece a la misma especie nuclear que el originario.

La mayor parte de los radionucleidos encontrados en la corteza terrestre tienen un elevado número másico A y pertenecen a alguna de las tres familias radiactivas naturales, encabezadas por el Torio-232, el Uranio-238 y el Uranio-235. Existen otros radionucleidos en la naturaleza, como el Potasio-40 (40K), debido a su largo periodo de desintegración o porque son producidos por interacción de los rayos cósmicos, provenientes del espacio exterior con núcleos de la atmósfera terrestre, por ejemplo el Tritio (3H) y el Carbono-14 (14C).

Se pueden deducir las leyes que rigen el decremento de una substancia radiactiva sin conocer en detalle los mecanismos de interacción de los nucleones. Las suposiciones básicas son:


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La probabilidad de desintegración de un núcleo radiactivo por unidad de tiempo, λ, es igual para todos los átomos de la misma especie.

La probabilidad de desintegración, no depende del tiempo transcurrido, dependiendo en cambio del intervalo de tiempo de observación.

Si en un tiempo t = 0 existe un número N0 de átomos radiactivos, el número de átomos que sobreviven transcurrido un tiempo t, resulta ser:

teNN ·

0 ·

Cada radionucleido queda caracterizado por el valor de λ, llamada constante de desintegración, cuyas dimensiones son la inversa de las del tiempo (s-1), y que representa la probabilidad de que un determinado núcleo se desintegre en la unidad de tiempo, subsiguiente a un instante inicial de elección arbitrario. La constante de desintegración es independiente de variables externas al núcleo y es invariable a lo largo del tiempo

En lugar de λ, se suele utilizar otra constante relacionada, llamada período de semidesintegración T que se define como el intervalo de tiempo requerido para que el número inicial de átomos radiactivos de una muestra se reduzca a la mitad, es decir:

2 = T ln

No hay que confundir el concepto ya definido de período (T), con el de vida media (τ). De hecho, en una masa de átomos radiactivos y debido al carácter estadístico de la desintegración, unos átomos se desintegran en un tiempo muy corto mientras otros viven un intervalo temporal muy grande. La vida media τ se calcula a partir del número de átomos desintegrados en el intervalo comprendido entre t y t + dt:

dt N = dN ··

resultando:

1 = dt e t =dt e N t

N

1 = Nd t

N

1 = t -

0

t -0

000

······· ··

0

7.- RADIACIONES IONIZANTES

7.1. Radiación alfa

La desintegración alfa consiste en la emisión espontánea de partículas, constituidas por la unión de dos protones y dos neutrones fuertemente ligados, iguales a los núcleos de Helio-4 llamadas partículas alfa. En los procesos de desintegración alfa, el número atómico Z disminuye en dos unidades, y su número másico se reduce en cuatro unidades. El proceso puede simbolizarse en la forma,


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He+ Y X A

ZA

Z

4

2

4

2

tal como se representa esquemáticamente en la Figura 6. El núcleo descendiente corresponde a un elemento químico distinto, situado dos lugares hacia atrás en la Tabla Periódica, respecto al núcleo precursor que se desintegra.

Figura 6. Representación gráfica de la desintegración alfa.

La emisión de partículas alfa se debe a la inestabilidad derivada de la repulsión eléctrica entre los protones del núcleo cuyo efecto resulta especialmente importante en los núcleos pesados, ya que mientras la fuerza eléctrica repulsiva crece con Z·(Z-1), la fuerza nuclear que mantiene la estructura de los nucleones crece sólo, en primera aproximación, con el número másico, A.

Al sufrir un radionucleido una desintegración alfa, el núcleo residual queda con Z-2 protones y Z electrones, formándose así un ión negativo, que tenderá a expulsar dos electrones para alcanzar la neutralidad eléctrica. Por otra parte, la partícula alfa captará dos electrones para convertirse en un átomo neutro de 4He. Por consiguiente, todo ocurre como si los dos electrones sobrantes del núcleo residual fueran captados por la partícula alfa, por lo cual, la energía de desintegración vale en este caso,

cHe)] ( M- 2)- Z , M(A Z) ,[M(A = Q 244

donde M(A,Z) representa a la masa del átomo precursor, M(A-4,Z-2) la del átomo descendiente, y M(4He) la masa de un átomo de 4He.

La desintegración alfa es un proceso típico de núcleos pesados: en efecto la condición

Q >0 sólo la cumplen nucleidos con A > 140, siendo imposible para núcleos más ligeros.

Las energías de las partículas alfa emitidas por radionucleidos naturales, se extienden

Partícula

alfaNúcleo con dos

protones y dos

neutrones menos

Núcleo

Z

Z - 2

A A - 4 4

X --> Y + He

Z Z - 2 2


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desde 1.8 MeV para el 144Nd, hasta 8,785 MeV para el 212Po. La velocidad que alcanzan estas partículas es elevada, por ejemplo una partícula alfa de 5 MeV se mueve con velocidad de unos 15.000 km/s.

Las energía de las partículas alfa emitidas forman un espectro discreto formado por una o varias energías de emisión. La aparición de varias líneas o energías en el espectro alfa de algunos radionucleidos (tal como se muestra en la Figura 6 para el 212Bi) se debe a que un núcleo sólo puede existir en un cierto número de niveles energéticos. En condiciones normales, estará siempre en el fundamental o de energía más baja, sin embargo, al producirse una excitación nuclear tras la desintegración alfa, pueden alcanzarse durante un cierto tiempo (generalmente muy corto, unos 10-14 - 10-15 s) niveles energéticos excitados, siendo de esperar que este exceso de energía por encima de la del nivel fundamental, sea liberado mediante un proceso de emisión de energía que se verá mas adelante denominado emisión gamma.

7.2. Desintegración Beta

La desintegración beta, al igual que la alfa, es un proceso seguido por nucleidos inestables. Sin embargo, a diferencia de lo que sucede en la desintegración alfa, en la beta solamente varía el número atómico, Z, manteniéndose invariable el número másico, A, por lo que el núcleo descendiente es un isóbaro del núcleo precursor.

Figura 7. Diagrama de desintegración del 212Bismuto.

Desintegración beta negativa

Este proceso consiste en la emisión espontánea de electrones, llamados en este caso partículas beta negativas, que emergen a velocidades muy próximas a la de la luz.

La energía de emisión de las partículas beta forma un espectro continuo hasta una


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energía máxima o límite superior que depende del radionucleido estudiado (tal como se ilustra en la Figura 8 para el espectro beta del 210Bi).

Figura 8. Espectro beta del Bi-210.

La explicación del espectro continuo en la emisión beta, tanto positiva como negativa fue dada por Fermi, que se basó en la suposición de que en la desintegración beta se emite, además del electrón, una nueva partícula llamada neutrino, carente de carga y masa.

Según la teoría del neutrino, cada proceso de desintegración beta va acompañado de la liberación de la energía de desintegración, prácticamente equivalente a la máxima del espectro beta, que se distribuye entre la partícula beta, el neutrino, y el núcleo de retroceso. Por ello, la energía de desintegración se reparte prácticamente y de forma aleatoria entre el electrón y el neutrino, de forma que si la energía de la partícula beta tiende a cero, el neutrino se lleva prácticamente toda la energía, mientras que si la partícula beta lleva la energía máxima, el neutrino emerge con energía tendiendo a cero. El resto del espectro es por tanto la expresión continua de los posibles repartos de energía entre ambas partículas, comprendida entre los casos límites citados.

Según Fermi, dado que se ha probado teórica y experimentalmente la inexistencia de electrones en el núcleo, la transformación nuclear que se produce es la conversión de un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino o sea simbólicamente

+ e + p n -+

El neutrino, ( ), y su antipartícula, el antineutrino, )( , son partículas eléctricamente

neutras, de masa en reposo nula, que se mueven a la velocidad de la luz. Por ello, los neutrinos pueden atravesar sin interaccionar grandes espesores de materia.

Puesto que en la desintegración beta negativa un neutrón se transforma en protón, el núcleo descendiente tendrá el mismo número másico que el precursor, pero su número atómico será una unidad mayor. En consecuencia el proceso puede

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Energía cinética de las partículas beta, T(MeV)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Nú

me

ro r

ela

tiv

o d

e p

art

ícu

las

be

ta,

N(T

)

Límite

superior


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representarse por

+ +Y X -A

Z

A

Z 1

Figura 9. Representación gráfica de una desintegración beta negativa.

El proceso se representa esquemáticamente en la Figura 9. El núcleo precursor se convierte en ión positivo con Z + 1 protones en el núcleo y Z electrones en su corteza, que tenderá a captar un electrón externo para convertirse en átomo neutro. Todo ocurre pues como si el electrón expulsado por el núcleo, quedara ligado a la corteza en el átomo descendiente, en consecuencia la energía de desintegración será:

c1)] + Z , M(A Z) ,[M(A = Q 2

donde M(A,Z) representa la masa atómica del radionucleido precursor, y M(A,Z+1) la masa del átomo descendiente.

Son emisores beta negativos típicos aquellos radionucleidos con un número alto de neutrones. La emisión beta negativa tiene por consecuencia reducir el valor del cociente N/Z con lo que el nucleido descendiente se encuentra más próximo a la zona de estabilidad, o la alcanza en la transición.

Partícula

(Electrón)

Núcleo con un

neutrón menos

y un protrón mas

(Z + 1)

Antineutrino

( )

Núcleo

(Z)

-

n p + 0 + - -


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Desintegración beta positiva

Esta modalidad de desintegración consiste en la emisión de positrones por ciertos radionucleidos. El positrón, la antipartícula del electrón, tiene una masa igual a la del electrón pero su carga eléctrica es positiva, aunque con valor absoluto igual al del electrón (una unidad elemental de carga).

No existen positrones libres en el interior de los núcleos atómicos. El proceso elemental que tiene lugar en estos casos es la conversión de un protón en un neutrón, un positrón, y un neutrino, según el esquema,

+ e + n p +

En consecuencia, en el proceso de desintegración beta positiva, el núcleo descendiente tiene el mismo número másico que el precursor, en cambio el número atómico disminuye en una unidad según el esquema global,

+ + X +A

Z

A

Z 1

por lo cual el núcleo descendiente corresponde al elemento químico que precede en un lugar al precursor en la Tabla Periódica. Los radionucleidos emisores beta positivos corresponden a núcleos con un alto número de protones.

En el proceso de desintegración beta positiva, tal como se esquematiza en la Figura 10, el nucleido descendiente queda con una carga nuclear Z-1, pero con Z electrones. Se forma pues un ión negativo, del que espontáneamente se desprende un electrón cortical. De esta forma la energía de desintegración se expresa en la forma,

c] m2 ) Z , M(A Z) ,[M(A = Q 20+ 1

donde M(A,Z) es la masa del átomo precursor, M(A,Z-1) la del descendiente, y m0 la masa en reposo del electrón.

Figura 10. Representación gráfica de la desintegración beta positiva.

Núcleo con un

neutrón mas

y un protón menos

(Z - 1)

Núcleo

(Z)

+Partícula

(positrón)

Neutrino

( )

p n + + 0 +


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En los procesos de desintegración beta positiva, los positrones emitidos se combinan con electrones del entorno dando lugar al proceso llamado aniquilación de positrones, en el que la totalidad de la masa de ambas partículas se convierte en energía, en forma de dos fotones de igual energía, 511 keV, que se propagan en la misma dirección pero en sentido opuesto. Este tipo de radiación electromagnética, es denominada por su origen, radiación de aniquilación.

Captura electrónica (CE)

Los electrones de la corteza atómica en el curso de su movimiento, se aproximan en ocasiones al núcleo, y según la mecánica ondulatoria, incluso pueden penetrar en su interior. La mayor probabilidad de que esto suceda, corresponderá a los electrones de órbitas más próximas al núcleo, o sea los electrones K y en menor proporción, a los electrones L.

En las condiciones citadas, y especialmente en átomos ricos en protones, estos electrones pueden ser capturados por el núcleo, y entonces tiene lugar el proceso

+ n e + p -+

donde el electrón capturado se asocia a un protón, formándose un neutrón y un neutrino.

La CE es un proceso competitivo con la desintegración β+, en algunos casos el núcleo

padre puede transmutarse alternativamente mediante CE o β+. En total paralelismo con los de desintegración beta positiva, el núcleo descendiente tendrá el mismo número de nucleones que el originario, pero su número atómico disminuye en una unidad, por lo que el proceso total puede representarse por

+ Y e + X A

Z-A

Z 1


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7.3. Radiación gamma

La emisión de radiación gamma es un proceso mediante el cual, un núcleo que se encuentra en uno de sus niveles excitados pasa a otro de menor energía mediante emisión de radiación electromagnética. La energía de los fotones de la radiación gamma, se encuentra en los casos más habituales, entre el keV y el MeV, en orden de magnitud.

Al igual que los átomos, los núcleos no pueden existir en cualquier estado energético, sino en niveles energéticos definidos. El nivel de energía más bajo recibe el nombre de fundamental. Los correspondientes a energías más elevadas, reciben el nombre de niveles excitados.

Un núcleo que se encuentre en un nivel excitado suele simbolizarse añadiendo un asterisco a su símbolo: así, el 236U* hace referencia al núcleo 236U en uno de sus niveles excitados. En términos generales, los núcleos descendientes originados tras desintegraciones radiactivas, o los núcleos residuales en una reacción nuclear, suelen quedar en un nivel excitado.

El espectro energético de un radionucleido emisor gamma es discreto, formado por una o varias líneas monoenergéticas, cuyas energías e intensidades son específicas de cada radionucleido. Esta propiedad tiene una gran importancia, en especial en el campo tecnológico, ya que permite tanto el análisis isotópico cualitativo (determinación de los radionucleidos en una mezcla compleja), como el cuantitativo (medida de las actividades de los radionucleidos presentes).

7.4. Rayos X

La emisión gamma (debida a transiciones nucleares entre niveles excitados) no es el único proceso que produce radiación electromagnética. Las transiciones de electrones entre distintos niveles de energía en la corteza atómica y el frenado de partículas cargadas (por ejemplo, electrones) también dan lugar a la emisión de radiación electromagnética muy energética denominada rayos X. Esta denominación viene ligada al mecanismo de producción, ya que los fotones emitidos no poseen ninguna característica que permita discernir su origen.

Los rayos X originados por transiciones atómicas causadas por una vacante electrónica en una capa profunda dan lugar a un espectro de emisión discreto y propio de cada especie atómica que constituye el espectro de rayos X característico. Si se produce, por ejemplo, una vacante en el nivel de energía K ésta podría ser completada con electrones de capas superiores (L, M, N), como se esquematiza en la Figura 11,

emitiéndose los rayos X de la serie K que se designan usualmente por K , K , etc. Si la vacante de la capa K se ha rellenado con un electrón de la capa L, o se ha producido la ionización directamente en la capa mencionada, podrá ser ocupada la vacante en la capa L por electrones de las capas M, N, etc. y se emitirán entonces rayos X de la serie

L (L , L , L , etc.).


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Figura 11. Representación de posibles transiciones entre las capas de un átomo.

Según la Electrodinámica Clásica, una partícula cargada experimenta un frenado brusco al pasar junto a un núcleo, lo que conduce a la emisión de un fotón a expensas de la energía de la partícula incidente. Dicha radiación emitida recibe el nombre de radiación de frenado o Bremsstrahlung. Tiene por tanto un espectro continuo que se extiende desde una energía nula, hasta una energía máxima igual a la máxima de las partículas cargadas. Esta radiación de frenado constituye el espectro de rayos X de frenado.

Este mecanismo de pérdida energética tiene gran importancia en el caso de electrones de alta energía, y en este caso la energía de la radiación de frenado se extiende en la banda espectral correspondiente a los rayos X.

Para producir artificialmente rayos X (es decir, radiación electromagnética de alta energía) se generan mediante los llamados tubos de rayos X, cuyo principio de funcionamiento se muestra en la Figura 12.

Un tubo de rayos X está constituido por una ampolla de vidrio en la que se ha realizado un vacío elevado, y que va provista de dos electrodos: un cátodo formado por un filamento metálico y un ánodo o anticátodo formado normalmente por un metal pesado como el Wolframio. Al circular una corriente por el filamento del cátodo, éste se pone incandescente y por efecto termoiónico emite electrones, los cuales son acelerados hacía el anticátodo mediante una diferencia de potencial elevada (entre 50 kV y 250 kV como valores típicos).

K

L

M

N

O

KKKK

L L L

M M

N


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Figura 12. Mecanismo de producción de rayos X.

De esta forma, si por ejemplo la tensión de aceleración es de 50 kV, los electrones alcanzan al llegar al ánodo una energía de 50 keV, y experimentan colisiones con los átomos del metal que forma el anticátodo. En estos choques se producen dos tipos de efectos: en primer lugar se arrancan electrones de niveles atómicos profundos, lo que conduce a la emisión del espectro de rayos X característicos. En segundo lugar, la acción de frenado de los electrones en sus colisiones, da lugar a la emisión del espectro de los rayos X de frenado.

Por esta razón, el espectro de rayos X emitidos resulta de la superposición de un espectro continuo correspondiente a la radiación de frenado y un espectro discreto formado por la radiación X característica (ver Figura 13).

La energía de los rayos X depende de la energía cinética alcanzada por los electrones al llegar al ánodo. En cambio, la intensidad depende de la corriente catódica, que se puede variar regulando la tensión de caldeo del filamento, o el tiempo de disparo.

Figura 13. Espectro energético de rayos X.

8.- REACCIONES NUCLEARES

La desintegración espontánea sufrida por radionucleidos naturales, hizo que a

RAYOS X

ALTA TENSION

CATODO ANODO

(-) (+)

BAJA

TENSION


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principios del siglo XX se pensara en la posibilidad de convertir nucleidos estables en radionucleidos mediante bombardeo nuclear con partículas de alta energía. Rutherford en 1919 observó la primera reacción nuclear, al bombardear el nitrógeno con partículas alfa, y que daba lugar a la emisión de protones. La reacción citada puede representarse mediante una ecuación análoga a las empleadas en las reacciones químicas,

H + O F He + N 1

1

17

8

18

9

4

2

14

7

donde los símbolos del primer miembro representan los nucleidos que interactúan. Como consecuencia se genera un núcleo intermedio (núcleo compuesto) que por formarse en un estado excitado tiende a la emisión de partículas o radiación, quedando finalmente un núcleo residual. Una reacción nuclear como la anterior también suele escribirse de forma más abreviada como:

O p) ,( N 1714

en la que se escribe en primer lugar el símbolo del núcleo inicial o blanco, en un paréntesis el símbolo de la partícula incidente o proyectil y el de la partícula residual separados por una coma, y finalmente el símbolo del núcleo residual.

A continuación se describen los distintos tipos de reacciones nucleares.

8.1 Reacciones de dispersión

La forma más simple de interacción nuclear, es aquella en que se verifica una colisión mecánica entre la partícula proyectil y el blanco, en cuyo caso no se forma el núcleo compuesto. La dispersión elástica se caracterizada porque en ella se cumplen los principios de conservación de la cantidad de movimiento y energía cinética. Se produce una dispersión elástica cuando la energía que el núcleo blanco recibe en la colisión no alcanza el primer nivel excitado; el choque se produce entonces como el que tiene lugar entre dos bolas perfectamente elásticas. Un ejemplo de colisión elástica, es la dispersión de neutrones térmicos por núcleos ligeros, como el carbono.

Por el contrario, en la colisión inelástica se cumple el principio de conservación de la cantidad de movimiento, pero no el de conservación de la energía cinética, ya que una parte de ésta se consume en promover al núcleo colisionado a uno de sus niveles excitados. Un ejemplo típico es la colisión de neutrones de baja energía con núcleos pesados.

8.2 Captura radiativa

Una de las vías más utilizadas por el núcleo compuesto para disipar la energía de excitación, es la emisión inmediata de radiación gamma, bien en forma de un fotón único, o lo que suele ser más frecuente, una cascada de fotones que alcanzan el nivel fundamental del núcleo residual. Las reacciones de captura radiativa, del tipo por

ejemplo, (n, ), (p, ) etc., son siempre exoenergéticas

8.3 Emisión de partículas

En estas reacciones, la energía de excitación se disipa mediante emisión de partículas,


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tales como neutrones, deuterones, partículas alfa, protones, etc. La emisión de partículas cargadas es típica en reacciones nucleares con núcleos ligeros, ya que en los pesados la barrera culombiana, hace este canal de salida muy improbable.

8.4 Fotodesintegración

Las reacciones de fotodesintegración son aquellas en las que el proyectil es un fotón,

del tipo por ejemplo, ( , n), ( , p). Como el fotón carece de masa en reposo, el proyectil sólo aporta energía cinética por lo cual, como hay emisión de partícula, éstas son siempre endoérgicas.

8.5 Fisión

En estas reacciones, al absorberse el proyectil (usualmente un neutrón) se forma un núcleo compuesto muy inestable y altamente excitado, lo que tiene por consecuencia su escisión, ordinariamente en dos fragmentos asimétricos, liberándose en el proceso un cierto número de neutrones. Las reacciones de fisión son altamente exoérgicas.

8.6 Fusión

Las reacciones de fusión tienen lugar cuando varios núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado, por ejemplo, dos núcleos de deuterio para formar un núcleo de helio. Aunque el proceso de fusión es exoérgico, no se produce espontáneamente debido a la repulsión coulombiana de los núcleos ligeros que reaccionan, y la manera de lograrlo es calentar el gas reaccionante a muchos millones de grados, para que la energía media de agitación térmica alcance valores del orden de 1 keV.

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