Tema 12. RADIACIONES Física, J.W. Kane, M. M. Sternheim, Reverté, 1989 Tema 12 Radiaciones Radiactividad y periodo de semidesintegración Desintegraciones radiactivas Radiación ionizante TS 31.7 Detección y medida de la radiación Caps. 30 y 31 Cap. 30, pp 687-690 Cap. 30, pp 699-701 Cap. 31, pp 718-736 Cap. 31, pp 737-738 Antonio J. Barbero Departamento de Física Aplicada Curso 2015-16 1 NÚCLEOS RADIACTIVOS. PROCESOS DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS , y A Z A 4 Z 2 X 4 2 Y He 2 A Z X Y e A Z 1 238 92 A Z U X* 99 m 43 234 90 Th A Z 228 88 99 43 228 89 Th El electronvoltio (eV), es la unidad de energía equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado en el vacío por una d.d.p. de 1 voltio. 1 eV = 1,602 × 10-19 J X Tc Ra Tc Múltiplos: 8 Energía de la radiación EM 3 10 m s c 34 E h f h 6.62 10 J s 10 7 m La radiación ionizante tiene < 0.1 m 1 keV = 103 eV 1 MeV = 106 eV -1 E 2 10 18 J 12.4 eV (energía de ionización del hidrógeno 13.6 eV) 2 NÚCLEOS RADIACTIVOS. PROCESOS DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS , y (cont.) CAPACIDAD DE PENETRACIÓN DE LAS RADIACIONES IONIZANTES 3 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. ACTIVIDAD Ley de la desintegración radiactiva: La desintegración de un núcleo radiactivo se produce al azar y por eso el número de núcleos que se desintegran en un intervalo de tiempo dt es proporcional a la amplitud temporal de ese intervalo y al número N de núcleos presentes. Así, la disminución con el tiempo del número de núcleos en una muestra es proporcional al número de núcleos que dicha muestra contiene y al intervalo de tiempo considerado. La constante de desintegración radiactiva se mide en unidades inversas de tiempo (s-1); es característica de cada núcleo radiactivo. Su inversa t =1/ es la vida promedio* del núcleo radiactivo. Disminución del número de núcleos Intervalo temporal dN N dt Número de núcleos radiactivos en el Constante de instante t (decrece desintegración según t crece) radiactiva t 1 La actividad de una muestra es el número de desintegraciones por segundo que experimenta, es decir la disminución del número de núcleos por unidad de tiempo (La actividad también se conoce como tasa de desintegración) Actividad dN N dt Unidades de actividad: S.I. → 1 becquerelio (Bq) = 1 desintegración /segundo 1 curio (Ci) = 3.71010 desintegraciones /segundo = 3.71010 Bq 1 g de radio presenta muy aproximadamente 3.71010 desintegraciones /segundo, por lo que 1 g de radio presenta una actividad de 1 Ci * Vida promedio t = 1/ es el tiempo promedio de vida de los núcleos antes de desintegrarse. En decaimiento exponencial es igual al tiempo transcurrido hasta que el número de núcleos remanente es igual a la fracción 1/e de su valor inicial. No confundir con tiempo de semidesintegración o semivida t1/2 (ver transparencia siguiente). 4 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. ACTIVIDAD (cont.) Evolución del número de núcleos en función del tiempo dN N dt N dN N dt dN dt N N0 Número de núcleos radiactivos que quedan pasado un tiempo t t t dN dt N ln N t N0 t 0 N N 0 exp t Tiempo de semidesintegración (semivida) ln Tiempo t ½ que ha de transcurrir para que un número N 0 N exp t 0 1/ 2 2 inicial de núcleos radiactivos se reduzca a la mitad 1 t1/ 2 2 t1/ 2 ln 2 Ejemplo. El periodo de semidesintegración del isótopo 226 del radio es 1600 años. ¿Qué fracción de átomos se habrá desintegrado y qué actividad tendrá una muestra de este isótopo al cabo de 6400 años? Tome como dato el hecho de que la actividad de 1 g de radio es 1 Ci. La constante de desintegración es ln 2 ln 2 año -1 t1/ 2 1600 Fracción remanente al cabo de 6400 años N ln 2 exp t exp( 6400) exp(4 ln 2) 0.0625 N0 1600 N 1 0.0625 0.9375 Fracción desintegrada 1 N0 Puesto que al cabo de 6400 años sólo queda 6.25% de la cantidad inicial, su actividad habrá disminuido en esa misma proporción, por lo que su valor será 0.0625 Ci/g (en este cálculo se tiene en cuenta sólo la actividad del isótopo 226Ra, omitiendo el efecto de sus descendientes radiactivos). 5 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. ACTIVIDAD (cont.) Relación entre actividad, tiempo de semidesintegración (semivida) y masa de material radiactivo dN N dt ln 2 t1/ 2 ln 2 m dN ln 2 ln 2 NA N n NA t1/ 2 M dt t1/ 2 t1 / 2 n → número de moles de material radiactivo m → masa del material radiactivo M → mol del material radiactivo NA → número de Avogadro Ejemplo. El 131I tiene una semivida de 8.1 días. ¿Cuál es la masa de una fuente de 1 Ci? 1 Ci 10 -6 3.7 1010 37000 Bq Ejemplo. En una instalación médica se utiliza una fuente de 60Co, cuya masa es 884 mg. ¿Cuál es su actividad? (La semivida del isótopo 60Co es 5.27 años). dN ln 2 m NA dt t1 / 2 M dN ln 2 m NA dt t1 / 2 M m M t1 / 2 dN ln 2 N A dt 131 g mol-1 8.1 dias 86400 s dia -1 m 37000 s -1 23 -1 ln 2 6.023 10 mol m 8.13 10 -12 g dN ln 2 0.884 g 6.023 10 23 mol-1 3.70 1013 s -1 1 -1 dt 5.27 año 31536000 s año 60 g mol dN 3.70 1013 Bq 1000 Ci dt 6 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. ACTIVIDAD (cont.) Ejemplo. Comparación entre vida promedio t de una muestra (tiempo característico) y su periodo de semidesintegración t1/2. Fracción de la cantidad inicial 1,1 1,0 N N 0 exp t N 0 exp t / t 0,9 0,8 0,7 1 0.2 (unidades de tiempo-1) t ln 2 t1/ 2 0,6 0.50 1 0.37 e 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Vida promedio t 0,0 0 1 2 3 t1/ 2 t ln 2 4 t 5 5 ln 2 3.47 semidesintegración o semivida t1/2 6 7 8 9 tiempo 10 (unidades arbitrarias) 7 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. ACTIVIDAD (cont.) Ejemplo: Determinación del tiempo de semidesintegración de una muestra conociendo su actividad en diferentes momentos, véase tabla adjunta (K&S p. 690) La actividad decae con el tiempo: dN N 0 exp t para determinar la semivida hay dt que ver cuál es el valor del tiempo cuando la actividad ha descendido dN log log N 0 log e t a la mitad de su valor inicial. 1000 dt 500 dN dt -(dN/dt) 400 Representación gráfica semilogarítmica 400 s -1 t (s) 0 2 4 6 8 10 12 14 400 336 280 230 194 162 131 110 t 0 300 La actividad se reduce a la mitad 200 100 dN dt 200 s -1 t T t1/2 = 7.6 s -2 0 2 4 6 8 t (s) 10 12 14 dN dt 16 8 t EJEMPLO. El periodo de semidesintegración del isótopo estroncio-90 (90Sr) es 29 años. a) Enunciar la ley de desintegración radiactiva y calcular la constante de desintegración del 90Sr. b) Calcular cuánto tiempo tardará la actividad de una muestra de 90Sr en reducirse hasta un 0.1% de su valor original. a) Ley de desintegración radiactiva: El número N de núcleos radiactivos que quedan (que no se han desintegrado) pasado un tiempo t es igual a N N 0 exp t Periodo de semidesintegración (semivida): tiempo t1/2 que ha de transcurrir para que un número inicial N0 de núcleos radiactivos se reduzca a la mitad ln 2 0.6931 2.39 ·10 2 año -1 t1/ 2 29 año dN b) La actividad es proporcional al número de núcleos radiactivos presentes: Actividad N dt Por lo tanto, para que la actividad se N0 N 0 exp t reduzca hasta una cierta fracción de su N Aprox 10 semividas 1000 valor original, el número de núcleos 1 ln 1000 6.9078 289 años presentes tendrá que reducirse hasta ln t t 1000 2.39 ·10 2 quedar en esa misma fracción N0 N 0 exp t1 / 2 2 ln 1 t1/ 2 2 (respecto al número inicial de núcleos). En este caso la fracción es 0.1 % = 1/1000. 9 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. EXPOSICIÓN y DOSIS ABSORBIDA Exposición a la radiación La exposición indica la radiación que llega a un material medida en términos de la ionización que produce sobre él. De forma más precisa, la exposición radiométrica es la carga total de iones (positivos) liberada por unidad de masa de aire seco en condiciones estándar de presión y temperatura. La unidad SI de exposición radiométrica es el culombio por kilogramo (C/kg). La exposición sólo se define para rayos X y rayos de energías menores que 3 MeV. Otras unidades de exposición: 1 Roentgen (1 R) = 2.5810-4 C/kg Ejemplo: Un haz de rayos produce 1016 iones positivos por kg de aire seco en condiciones normales de presión y temperatura. La carga de cada ión es +e = 1.6210-19 C. Determinar la exposición. (K&S p. 734) 16 Carga por kg de aire seco 10 1.62 10 19 3 1.62 10 C 1.60 10 3 6.20 R → Exposición 2.58 10 4 Dosis absorbida Es la energía suministrada por la radiación ionizante a una unidad de masa del material absorbente, y este concepto puede ser utilizado para cualquier tipo de radiación y para cualquier material. Se expresa en unidades de energía recibidas por unidad de masa del material. Unidades: 1 Rad = 10-2 J/kg Unidad S.I. 1 gray (1 Gy) = 100 Rad = 1 J/kg Una exposición de 1 R produce en tejidos blandos una dosis absorbida aproximada de 1 rad. 10 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. DOSIS EQUIVALENTE No todas las radiaciones tienen el mismo efecto biológico, incluso en condiciones de igual dosis absorbida. Por eso debe usarse la dosis equivalente, que describe el efecto sobre la materia viva de una dosis dada, y para calcularla hay que multiplicar la dosis absorbida por un factor de calidad (FC), propio de cada tipo de radiación. Unidades rem (rad equivalent man) → Dosis equivalente (rem) = Dosis absorbida (rad) FC Unidades S.I. Sievert (Sv) → Dosis equivalente (Sv) = Dosis absorbida (Gy) FC El FC es por definición igual a 1 para rayos X de 200 keV. En la tabla adjunta se presentan algunos valores típicos. Valores típicos de factor de calidad para distintos tipos de radiación (K&S p. 723) Rayos X 200 keV (referencia) FC 1 Rayos del 60Co (1.17 MeV y 1.33 MeV) Rayos (4 MeV) Rayos Protones (1 a 10 MeV) Neutrones Rayos 0.7 0.6 1.0 2 2 - 10 10 - 20 Tasa dosis equivalente = dosis equivalente unidad tiempo 1 rem (1 Sv) de cualquier radiación produce el mismo efecto biológico. Ejemplo. Una fuente de 60Co produce una dosis absorbida de 4000 rad/h. ¿Cuánto tiempo hay que irradiar los tejidos para que la dosis absorbida sea 300 rad? ¿Y cuanto tiempo es preciso irradiarlos para dar una dosis equivalente de 300 rem? (K&S p. 734) Tasa dosis absorbida = t DA = Tasa dosis absorbida FC dosis absorbida unidad tiempo 300 rad 0.075 h 4.5 min 4000 rad/h t DEq (Para esta radiación FC = 0.7) 300 rem 0.107 h 6.43 min 4000 rad/h 0.7 rem/h 11 DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. RESUMEN DE MAGNITUDES RELACIONADAS Actividad (desintegraciones / unidad de tiempo) Materiales muy activos: se desintegran rápidamente. Esto implica tiempos de vida media cortos. La actividad se relaciona con el número de núcleos a través de la ley de desintegración radiactiva C/kg, 1 R ( = 2.5810-4 C/kg) Exposición a la radiación Se cuantifica según la ionización producida los R X y R en el aire seco en condiciones normales Mide la ionización producida por la radiación en los materiales. Dosis absorbida: energía suministrada por la radiación al material absorbente Una exposición de 1 R produce en tejidos blandos una dosis absorbida aproximada de 1 rad. 1 Gy = 1 J/kg, 1 rad = 10-2 J/kg Tasa dosis absorbida = Dosis equivalente: energía suministrada por la radiación al material biológico La dosis equivalente en rem (Sv) se calcula multiplicando la dosis absorbida (rad (Gy) por el factor de calidad FC de la radiación Bq, 1 Ci ( = 3.71010 Bq) Tasa dosis equivalente = dosis absorbida unidad tiempo 1 Sv, 1 rem = 10-2 Sv dosis equivalente unidad tiempo = Tasa dosis absorbida FC 12 EFECTOS BIOLÓGICOS Efectos letales de la radiación. Dosis altas producen el síndrome de radiotoxemia (envenenamiento por radiación) Dosis cancerígenas. % Se considera que una dosis de alrededor de 300 rem (3 Sv) afectando a todo el cuerpo – dosis efectiva - provoca la muerte de la mitad de los individuos expuestos, en ausencia de tratamiento médico (dosis letal al 50%, DL50). Dosis del orden de 1000 rem resultan letales para un 100 %. Hipótesis lineal: proporcionalidad directa entre la dosis equivalente y la probabilidad de desarrollar un cáncer asociado a la irradiación. 100 2500 rem → dosis cancerígena (100%) Esta probabilidad a largo plazo es aditiva respecto a la probabilidad de contraer un cáncer por causas no relacionadas con la radiación, que en la población general puede estimarse en un 20% (aunque este porcentaje no es exactamente igual en todas las poblaciones). 80 60 40 DL50 = 300 rem Efectos biológicos de la radiación ionizante (Informe BEIR). Academia Nacional de Ciencias USA. 20 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Dosis (rem) 13 EFECTOS BIOLÓGICOS (cont.) Dosis cancerígenas. Ejemplo. Estimar a largo plazo el número de casos de cáncer asociado con la radiación en una muestra de 2500 individuos que han resultado irradiados con una dosis equivalente de 20 rem (aceptamos la hipótesis lineal).. 12 Probabilidad = 0.8 % % (leída sobre la gráfica) 10 Número de casos estimados: 8 2500 0.8 / 100 = 20 casos Si admitimos un porcentaje del 20% de casos por causas distintas de la radiación, el número total de casos esperados sería de 6 4 2 2500 0.2 + 20 = 520 casos 0.8 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Dosis (rem) 14 EFECTOS BIOLÓGICOS (cont.) Dosis cancerígenas. Hipótesis lineal con umbral. Se basa en la idea de que el cuerpo, por debajo de cierto valor umbral en la dosis equivalente, es capaz de reparar los daños provocados por la radiación, de manera que se eliminan los posibles efectos adversos a largo plazo. 12 4,0 % ¿Cuál sería el resultado del ejemplo anterior en cuanto al número estimado de casos si se tiene en cuenta un umbral de 6 rem? 10 3,5 3,0 8 2,5 6 2,0 4 1,5 1,0 2 Umbral 6 rem 0,5 0 0,0 0 0 20 40 10 60 80 20 100 120 30 140 160 40 180 200 50 220 60 Dosis (rem) 15 EFECTOS BIOLÓGICOS (cont.) Limitación de dosis Límites anuales de Límites anuales de dosis equivalente dosis equivalente PROFESIONALMENTE PÚBLICO GENERAL EXPUESTOS Exposición Límite Exposición Límite Exposición total y homogénea del organismo 50 mSv (*) Exposición total y homogénea del organismo 1 mSv (*) Cristalino 150 mSv Cristalino 15 mSv Piel 500 mSv Piel 50 mSv Mano, antebrazo, tobillo y pie 500 mSv Mano, antebrazo, tobillo y pie 50 mSv Cualquier otro órgano o tejido considerado individualmente 500 mSv Cualquier otro órgano o tejido considerado individualmente 50 mSv (*) En este caso se trata de dosis efectiva. Además, está limitada por un máximo de 100 mSv de dosis efectiva en un periodo de 5 años. Límites anuales de dosis equivalente ESPECIALES Mayores de 18 años como estudiantes y aprendices Igual que los profesionalmente expuestos Menores de 16 años Igual a los miembros del público Estudiantes y aprendices entre 16 y 18 años 6 mSv dosis efectiva al año 50 mSv dosis equivalente a cristalino 150 mSv dosis equivalente a piel 150 mSv dosis equivalente en manos, antebrazos, pies y tobillos Mujeres embarazadas y en periodo de lactancia Igual a los miembros del público (*) En este caso se trata de dosis efectiva. 16 GLOSARIO UNIDADES RADIACIÓN IONIZANTE Unidades Magnitud Definición Sistema Internacional Otros Actividad Nº de desintegraciones por unidad de tiempo 1 Becquerelio = 1 Bq = = 1 desintegración por segundo 1 Curio (Ci) 1 Ci = 3.7 1010 Bq Exposición Carga total dee iones liberada por unidad de masa de aire (válido en aire seco) 1 Culombio/kilogramo = 1 C/kg 1 Roentgen 1 R = 2.58 10-4 C/kg Tasa de exposición Exposición por unidad de tiempo 1 C/kg s 1 R/s, 1 R/h Dosis absorbida Energía depositada por unidad de masa de material (Análoga a la exposición pero para materiales) 1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 100 ergios/gramo 1Gy = 100 rad Tasa de dosis absorbida Dosis absorbida por unidad de tiempo 1 Gy/s rad/h, rad/min Dosis equivalente La dosis absorbida produce en la materia viva efectos distintos según el tipo de radiación, por eso se define la dosis equivalente que es independiente de la radiación que la haya producido. 1 Sievert = 1 Sv 1 rem , 1Sv = 100 rem Dosis efectiva Suma ponderada de las dosis equivalentes en los distintos órganos 1 Sievert = 1 Sv 1 rem 1 Sv = 100 rem 17 Fuente: http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/magnitudes.html CURIOSIDADES: no siempre la radiactividad tuvo tan mala fama … Radithor was a well known patent medicine that is possibly the best known example of radioactive quackery. It consisted of triple distilled water containing at a minimum 1 microcurie (37 kBq) each of the radium 226 and 228 isotopes. Radithor was manufactured from 1918-28 by the Bailey Radium Laboratories, Inc., of East Orange, New Jersey. The head of the laboratories was listed as Dr. William J. A. Bailey, not a medical doctor. It was advertised as "A Cure for the Living Dead" as well as "Perpetual Sunshine". These radium elixirs were marketed similar to the way opiates were commonly advertised with Laudanum an age earlier. The story of socialite Eben Byers's death from Radithor consumption and the associated radiation poisoning found its way into the Wall Street Journal under the title "The Radium Water Worked Fine Until His Jaw Came Off," which led to the strengthening of the Food and Drug Administration's powers and the demise of most radiation quack cures. From wikipedia 18 http://diabetesstop.wordpress.com/2008/07/20/el-escandalo-del-millonario-byers-y-la-medicina-blanda/ PROBLEMA 1 Una muestra de tecnecio-99m presenta una actividad de 32 Ci cuando se examina por primera vez en el laboratorio. Transcurridas 24 horas, su actividad ha decrecido hasta 2 Ci. (a) Determinar la constante de desintegración radiactiva y la semivida de este isótopo. (b) Calcular la masa de isótopo inicialmente presente en la muestra y la masa remanente cuando han transcurrido 24 h. (a) Puesto que una vez transcurridas t = 24 h la actividad ha disminuido hasta 2/32 = 1/16 de su valor inicial, el número de átomos radiactivos remanente debe ser también 1/16 del numero original. A partir de la ley de la desintegración radiactiva N N 0 exp t N 1 exp 24 N 0 16 t1/ 2 ln 2 ln 2 6h 0.1125 1 1 ln 24 16 0.1125 h 1 Para 99mTc M 0.099 kg·mol1 (b) Relación entre actividad y masa del isótopo N A 6,023 ·10 23 dN N dt ln 2 t1/ 2 1Ci 3.70 ·10 4 Bq En t = 0 m0 ln 2 m dN ln 2 ln 2 NA N n NA t1/ 2 M dt t1/ 2 t1 / 2 m t1/ 2 M dN ln 2 N A dt t1/ 2 M dN 6 · 3600 0.099 ·32 · 3.70 ·10 4 6.06 ·10 15 kg 6.06 pg 23 ln 2 N A dt 0 ln 2 6,023 ·10 1 Ci 37000 Bq En t = 24 h m0 t1/ 2 M dN ln 2 N A dt 0 6 · 3600 0.099 ·2 · 3.70 ·10 4 3.79 ·10 16 kg 0.38 pg 23 ln 2 6,023 ·10 19 PROBLEMA 2 Se ha estimado que la actividad del isótopo 14C en la biosfera es de 14 desintegraciones por minuto y por gramo de carbono (el profesor de la Universidad de Chicago Willard Libby recibió en 1960 el Nobel de Química por el establecimiento de este estándar de radiocarbono). (a) Calcular la actividad debida al radiocarbono 14C del cuerpo de una persona de 70 kg (el contenido promedio de carbono en el cuerpo humano es 18.5%, esto incluye los isótopos 12C, 13C y 14C ). (b) Otra especie radiactiva presente en el cuerpo humano es el potasio-40 (40K). Usando los datos tabulados al margen, comparar la actividad debida a este isótopo con la debida al radiocarbono que hemos calculado en el apartado (a). (a) Actividad por unidad de masa de carbono Actividad total 70 0.185 40 Elemento: Potasio. Isótopo: K Datos del elemento -1 0,03983 -1 Masa atómica isótopo M i (kg·mol ) = 0,03996 semivida isótopo t 1/2 (años) = 1,248E+09 contenido elemento en el cuerpo (tanto por uno en masa) a = abundancia isótopo y i (frac. molar) = 2,00E-03 1,17E-04 masa del sujeto m h (kg) = 70 número Avogadro N A = 6,02E+23 Masa atómica elemento M (kg·mol ) = 1 dN desint g 1 min Bq i 14 103 233 mC dt g·min kg 60 s kg 1 dN i 70 0.185 233 3022 Bq mC dt kg de carbono total 12C+ 13C+ 14C (b) Calcularemos la cantidad de potasio (total) presente en el cuerpo mK mh a 70 2·10 3 0.140 kg Moles de potasio (total) presente en el cuerpo nK mK 0.140 3.5149 mol M 0.03983 Moles de isótopo potasio-40 presente en el cuerpo ni yi nK 1.17·10 4 3.5149 4.11·10 4 mol Cantidad de isótopo potasio-40 presente en el cuerpo mi ni M i 4.11·10 4 0.03996 1.64·10 5 kg Actividad 40K dN i 4362 Bq dt dN i ln 2 mi ln 2 1.64·10 5 NA 6.023·10 23 9 dt t1/ 2 M i 1.248·10 365 86400 0.03996 20 FUENTES Y ENLACES DE INTERÉS Tiempo vida media https://en.wikipedia.org/wiki/Half-life Ejemplo desintegración radiactiva https://en.wikipedia.org/wiki/Caesium Videos radiactividad IGCSE (inglés) The Cambridge IGCSE Physics syllabus helps learners to understand the technological world in which they live https://www.youtube.com/watch?v=uqK2iYCw6WY https://www.youtube.com/watch?v=Qlb5Z8QBpcI https://www.youtube.com/watch?v=_cpu5Hm330w https://www.youtube.com/watch?v=DvzXqasziUE https://www.youtube.com/watch?v=VR4jDgiq35s https://www.youtube.com/watch?v=y5mO_uY0fI4 http://www.cie.org.uk/programmes-and-qualifications/cambridge-igcse-physics-0625/ 21