Radiaciones, ser humano y medio ambiente

9/10/2014
Radiaciones, ser humano y medio ambiente
1‐ Núcleo atómico
2‐ Radiactividad
3‐ Modos de decaimiento
4‐ Cinética de decaimiento radioactivo
5‐Tabla de nucleidos
María Eugenia Pérez
Núcleo atómico
Fue descubierto por Rutherford en 1911
Núcleo
Experimentos:
Partícula  incide sobre una lámina de oro
Observó:
 la mayoría de las partículas atravesaban la lámina
Un Sistema cuántico
compuesto de
protones y neutrones
 algunas se desviaban
 muy pocas retrocedían
Esta experiencia implicaba:
- los átomos estaban casi
vacíos
- hay una zona cargada
positivamente,
responsable
de
las
desviaciones y de los
choques.
Número atómico (Z) : número de protones
Número de neutrones (N)
Número másico (A) = Z + N
El núcleo también se caracteriza por:
 Tamaño: rnúcleo = 1-10-15 m vs ratómico= x10-10 m
 Forma: algunos esféricos, elipsoidales, etc.
 Energía de union
 Momento angular
 Tiempo de vida media
NUCLEONES
Partículas de igual
masa y el mismo
momento angular
(spin) 1/2
Protón: 1 unidad de carga eléctrica positiva
Neutrón: sin carga eléctrica
NUCLEIDO
Tipo de átomo con un número definido de
protones y neutrones, distribuidos con un
determinado orden dentro del núcleo
Es la unidad en Radioquímica, así como el
elemento es la unidad en Química
Se conocen hasta el momento unos 117
elementos y mas de 2000 nucleidos
Solamente 275 son estables
Todo el resto son radiactivos
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Propiedades nucleares
Definimos
–
– 14C
32S – 35S
Isótopo
Isómero
2H
28 Ne
15P –
10
N = 18
33
64
28Ni-
99Tc
64
29Cu-
– 99mTc
Radio nuclear es la distancia al centro
para la cual la densidad de
empaquetamiento disminuye a la mitad
Mismo elemento
Diferente nº de neutrones
Diferente A (número másico)
12C
Isótono
Isóbaro
RADIO NUCLEAR
1H
64 Zn
30
Mismo nº de neutrones
Mismo número másico (A)
Diferente número atómico (Z)
Diferentes estados excitados de los núcleos
mX estado excitado
Sin m estado fundamental
La energía de unión de un núcleo es la energía que lo
mantiene unido
Varía de núcleo a núcleo – se incrementa cuando A aumenta
Representación del núcleo,
formado por protones y neutrones
densamente empacados
Repulsión
Energía del núcleo Atómico
 La distribución de los nucleones (protones+neutrones)
dentro del núcleo determina la energía de éste.
 Existe:
 un estado fundamental nuclear (mínima energía) y
estados excitados (estados alternativos de mayor energía).
 El pasaje de un núcleo excitado al estado fundamental
(desexcitación) va acompañada, al igual que la de los
electrones, por la emisión de radiación electromagnética
(radiación gamma).
UNIÓN DE LOS NUCLEONES
Acción de fuerzas nucleares: atractivas entre
los nucleones
Son de rango muy corto (~2x10-15 m)
Son extremadamente intensas (100 veces
mayores que las electromagnéticas y 1035
veces superiores a la gravedad)
Son independientes de la carga
Se producen por intercambio de partículas
virtuales
Energía del núcleo Atómico
Fuerzas nucleares
Las fuerzas nucleares se producen por intercambio de
gluones, partículas virtuales con masa y carga eléctricas
nulas y con spin igual a uno, intercambiadas entre los quarks
que constituyen a los nucleones.
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Energía del núcleo Atómico
Energía de ligadura
A pesar de la gran repulsión electrostática en los núcleos de
alto Z, el núcleo no se separa en las partículas que los
constituyen.
¿ POR QUÉ?
El camino por el cual el núcleo libera su exceso de energía
será el energéticamente más favorable.
Aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo
como tal es más favorable que la separación en los
nucleones que lo constituyen.
• La teoría de la relatividad establece que la masa
es una forma de energía y la teoría de
conservación de la energía se extiende a la
suma de ambas magnitudes.
• El equivalente entre masa y energía está dado
por
E = mc2
• Se cumple que:
E (MeV) = m (umas) x 931.5
EJEMPLOS
La masa de un átomo es siempre menor que la suma de las
masas de las partículas que lo constituyen.
Esa diferencia se denomina defecto de masa (∆m) y es
equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta en
mantener juntos a sus nucleones ( energía de ligadura).
La energía de ligadura/nucleón es una medida de la
estabilidad del núcleo.
12
6C
p+ =6; n=6; e- = 6
m 12C = 6 x (mp + mn + me) - 12.000 = 0.0989 umas.
El 12C = 92.166 MeV
El/nucleón 12C = 7.68 MeV/nucleón
14C
p+ =6; n=8; e- = 6
m 14C = 6 x (mp + me)+ 8 x + mn– 14.00324= 0.113034 umas.
El 14C = 105.29 MeV
El/nucleón 14C = 7.52 MeV/nucleón
Estabilidad nuclear
El núcleo es intrínsecamente inestable
debido a la repulsión electrostática entre los
protones.
El balance repulsión-atracción determina
si un nucleido es estable o radiactivo.
La relación entre N y Z es de fundamental
importancia en dicho balance.
Cada nucleido puede tener
varios nucleidos estables
Cinturón de estabilidad
Estudiando la relación N/Z del
nucleido:
Z  20
N/Z  1
20  Z  83
1  N/Z  1.5
Z  83 todos los nucleidos son
radiactivos
Cuando N/Z cae fuera del “cinturón
de estabilidad” el nucleido es
radiactivo
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El modo de decaimiento será aquel que acerque el radionucelido
a la estabilidad
Si N/Z  estabilidad
Emisión -
n --------  p+ + e-
--------  n +
de energía (estado excitado nuclear)
 Decae al estado fundamental por emisión 
 También existen otros modos de decaimiento:
Si N/Z  estabilidad
p+
 En la transformación el núcleo puede quedar con exceso
e+
`
p+ + e- ----------  n
Emisión +
 Fisión espontánea
Captura electrónica
 Emisión de protones
 Emisión de fragmentos pesados
Los radionucleidos con Z  83 deben disminuir rápidamente la cantidad
total de nucleones para acercarse a la estabilidad
A X
Z
--------  A-4Z-2Y + 42He
Partícula 
Radiactividad
 Es un proceso espontáneo de transformación de un
nucleido en otro con emisión de energía (radiación)
Tipos de decaimiento Radiactivo
Los más frecuentes e importantes son 3 y se denominan:
alfa (α), beta (β) y gamma (γ).
 El proceso de Decaimiento Radiactivo es al azar y la
probabilidad de ocurrencia es propia de cada nucleido y no
se ve afectada por las condiciones físicas o químicas en
las que el mismo se encuentre.
 Al radionucleido que experimenta el proceso se le
denomina "padre" (P) y al decaer se convierte en el
nucleido "hijo" (H), el cual puede ser estable en cuyo caso
permanecerá como tal o ser también radiactivo
convirtiéndose en un nuevo núcleo " nieto" , etc.

P → H + partículas o radiaciones + Energía
Proceso por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía
emitiendo partículas ionizantes o radiación electromagnética
Exceso de energía se libera como:
• Energía cinética de las partículas
• Radiación electromagnética
El decaimiento radioactivo es siempre
EXERGÓNICO
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Los nucleidos estables ocupan el fondo del valle de estabilidad nuclear (hidrógeno‐bismuto)
Ejemplo:
El 61Ni tiene la menor masa en la secuencia
Transición isobárica (línea con A constante)
La diferencia de masa es la “driving force”
Los neutrones se convierten en protones
Decaimiento ‐
Los protones se convierten en neutrones Decaimiento +
Ningún nucleido presente en la naturaleza emite positrones
Todos los nucleidos inestables al decaimiento ‐ se encuentran en el lado rico en neutrones
A X  A Y + 0 e + 
Z
Z+1
‐1
Junto con la emisión de la partícula  se emite una partícula neutra y de masa muy pequeña: ANTINEUTRINO
Las partículas  no son monoenergéticas
Presentan un espectro continuo de energía
∆E
+ E
Durante el proceso un neutrón es convertido en un protón y se libera un electrón
Emáx = ∆mc2
Un neutrón libre tiene una vida media de 10.2 min y decae por emisión beta
La energía del decaimiento es compartida entre las partículas en relación inversa
n  p+ + ‐ + 
Generalmente la energía de la partícula  se especifica como Emáx
El número atómico se incrementa (+1) y el nucleido
baja en el valle hacia una condición más estable Algunos ejemplos de emisores  puros:
Trazadores
La energía más probable es 1/3 de Emáx
Muchas transiciones  no van al estado de menor energía del núcleo del hijo, van a un estado excitado
3H
Desexcitación
Emisión de radiación 
14C
Ejemplo:
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Es muy común que haya más de una transición 
1 = (2505.7‐1332.5) = 1173.2 keV
2 = (1332.5‐0) = 1332.5 keV
Ambas radiaciones  están en cascada y pueden se coincidentes o no
Todos los nucleidos inestables al decaimiento + se encuentran en el lado deficiente en neutrones
A
+ E
Durante el proceso un protón es convertido en un neutrón y se libera un positrón
Del decaimiento + resulta un átomo hijo con una unidad menos de número atómico
64
Durante el proceso de decaimiento se emite un positrón (anti‐
electrón)
A
0
ZX  Z‐1Y + +1e + 
29Cu 
64
28Ni + 
+
+  (neutrino)
El positrón va siendo frenado hasta encontrar un electrón
Coexisten como un positronio
La energía se conserva con la aparición de un neutrino
El espectro del positrón es análogo al del electrón
ANIQUILACIÓN
Esta reacción requiere un electrón Para conservar el momento, los fotones son emitidos en direcciones opuestas
Producción de pares
El electrón se combina con un protón y se emite un positrón
(valor crítico de la energía 1022 keV)
Captura de un electrón de la capa K
Se da cuando la energía disponible no supera los 1022 keV
En nucleidos deficientes en neutrones cerca de la estabilidad
Captura de otras capas cuando
Energía de decaimiento La vacancia en la capa K es llenada por otro electrón de una capa más externa
(Posibilidad 1)
A
0
A
ZX + ‐1e  Z‐1Y + 
+ E
Un electrón es capturado por el núcleo para convertir el protón en un neutrón
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Cuando no se produce fluorescencia de rayos X
Electrones Auger
(Posibilidad 2)
Para los nucleidos deficientes en neutrones con energía potencial de decaimiento un poco por encima de 1022 keV
Electrón Auger
La emisión de rayos X aumenta cuando aumenta Z (el campo de fluorescencia es mayor)
L2,3
L1
Deacaimiento + y CE
Ejemplo:
El reacomodo electrónico se produce luego de la CE
K
Los rayos X emitidos son característicos del hijo
Es el modo de decaimiento de nucleidos de alto número atómico Z>83
La emisión de una partícula α es la emisón de un núcleo de 42He
Para bajos Z de decaimiento α, la emisión lleva a núcleos directamente al estado fundamental del hijo
Mientras para nucleidos más pesados el decaimiento α, puede llevar a estados excitados del hijo
Un ejemplo de ello es el 228Th
El núcleo pierde dos unidades de masa y dos unidades de carga A
ZX 
A‐4
4
Z‐2Y + 2He + E
La partícula α es monoenergética
(no existen neutrinos que lleven una fracción variable de energía)
Ejemplo:
226
88Ra
 22286Rn + 42He + E
Proceso de decaimiento natural Un núcleo pesado se divide espontáneamente en dos fragmentos de fisión
Se produce en núcleos con Z>90
La “driving force” es la liberación de energía (aprox. 200 MeV)
También puede estar inducida por bombardeo con neutrones
Se produce por efecto túnel
252
98Cf 
140
54Xe + 108
1
44Ru + 0n + E
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Cada fisión da lugar a dos fragmentos emitidos en dirección opuesta
Los fragmentos de fisión son iones positivos de peso medio
Distribución de masas característica
La fisión es predominantemente asimétrica:
Fragmentos agrupados en un “grupo liviano” y en un “grupo pesado”
Barrera de fisión: energía necesaria
Para deformar un núcleo esférico en dos casi esféricos
Cinética del decaimiento radiactivo
El decaimiento radiactivo es un proceso al azar
Sólo podemos establecer el número de átomos
desintegrados por unidad de tiempo.
La probabilidad de decaimiento es característica de cada
nucleido e independiente de las condiciones físicas y químicas.
Constante de decaimiento ( )
Número de núcleos que se desintegran por unidad de
tiempo (velocidad de desintegración)
N: número de núcleos radioactivos
: constante de decaimiento
 Probabilidad de que un átomo se desintegre en la unidad de tiempo.
 Es característico de cada radionucleido
El decaimiento radioactivo es un proceso espontáneo y al azar
Unidades de actividad:
• Curie (Ci) = 3.7 x 1010desintegraciones/segundo (dps)
Históricamente actividad de 1g de Ra
• Becquerel (Bq) = 1 dps o 2.703 x 10‐11Ci (SI)
Período de semidesintegración (t1/2)
Unidades
Inversa de tiempo ( s‐1, h‐1 , d‐1)
Gráfica de decaimiento radiactivo
 Tiempo en el cuál la actividad de la muestra o el número de átomos de la misma disminuye a la mitad.
 Es característico de cada radionucleido al igual que t1/2 = Ln 2/
Unidades
Unidades de tiempo ( s, d, h, a)
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A
B+X
Actividad por unidad de masa de una fuente
radioactiva
Ci/g, mCi/g, etc
Actividad contenida en una cierta unidad de
volumen
Ci/mL, mCi/L, etc
A= A0 ℮‐
t
Tabla de nucleidos
 Ordena en forma sistemática la información disponible
acerca de los nucleidos conocidos.
 Especie de gráfica de Z vs N
 Cada cuadrado en la Tabla representa un nucleido y
contiene información sobre modo de decaimiento, período
de semidesintegración, energía de la radiación, etc.
 Cada fila de la Tabla contiene todos los isótopos de un
mismo elemento y cada columna todos los isótonos.
http://www.nndc.bnl.gov/chart/
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