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Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR) MÓDULO BÁSICO. TEXTOS
Curso de SUPERVISORES de
Instalaciones Radiactivas (IR).
MÓDULO BÁSICO.
TEXTOS
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Curso de SUPERVISORES de instalaciones radiactivas (IR) MÓDULO BÁSICO
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:
A
Z
XN
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.
Z
Radionucleidos
conocidos
Distribución de nucleidos
estables
N
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P29
4,6 s
15
P30
2,5 m
P31
100
P32
14,3 d
3,5...
Si28
92,21
Si27
5s
-
3,5
1,28; 2,42
Si29
4,70
Si30
3.09
14
-
Al25
7,3 s
Al28
2,3 m
-
2,87
3
Mg24
78,8
Mg23
12 s
1,78
Mg25
10,1
Mg26
11,1
12
3,0
11
1,48
Na23
100
1,8
1,28
11
-
Mg27
9,6 m
-
17
Al29
6,6 m
2,5; 1,4
Desplazamientos provocados
por desintegraciones
artificiales
1,2; 2,3
16
, 3n
1,80; 0,9
,n
, 2n
1,01; 0,84
Na22
2,6 a
0,54;
0,28
18
?
Al27
100
Al26
6,5 s
13
-
1,70
Si31
2,6 h
3,5
Al24
2,3 s
P33
25 d
12
Na24
15,0 h
-
1,39; 4,2
1,38; 2,75;
3,7
13
Na25
60 s
-
15
p, n
p,
, np
d,n
3,7; 2,7
,n
> 0,5
n , 2n
14
Núcleo
original
n,
d,p
Z
Z
, pn
A-Z
,p
n,p
n,
A-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):
E b = c 2· 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 E b 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 126C" (que es el más abundante). Su valor en gramos es:
1 u.m.a. = 1,66  10-27 kg.
CARGA ELÉCTRICA POSITIVA
MASA ~ 1,007 u.m.a.
1,673 ∙ 10 -27 kg.
PROTÓN
CARGA ELÉCTRICA NEUTRA
MASA ~ 1,008 u.m.a.
1,675 ∙ 10 -27 kg.
NEUTRÓN
CARGA ELÉCTRICA NEGATIVA
MASA ~ 1/1836 u.m.a.
9,11 ∙ 10 -31 kg.
ELECTRÓN
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
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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.
y
O
Z
X
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:
E=h· =
h·c
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
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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:
m=
E
h ·
c
c
=
2
2
h
· c
=
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.
Frecuencia
Hz
10
10
10
10
10
10
10
10
10
1
10
Telefonía
móvil
Energía
eV
10
8
6
10
4
Rayos X
10
10
2
10
Ultravioleta
10
10
10
-2
Infrarrojo
Visible
10
-4
UHF
Onda corta
10
-8
10
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10
Rayos
-6
10
Longitud de
onda m.
Nombre de la
radiación
10
TV
10
- 12
- 10
-8
-6
1 Micrón,
-4
-2
1 Centímetro, cm
0
1 Metro, m
FM
10
Onda m edia
- 10
10
10
I
O
N
I
Z
A
N
T
E
S
- 14
10
Onda larga
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2
4
1 kilómetro,
km
N
O
I
O
N
I
Z
A
N
T
E
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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:
N
·t
N0 ·e
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:
T=
ln 2
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:
dN =
· N · dt
resultando:
=
1
N0
t ·d N =
0
1
N0
t · N0 ·
· e-
·t
0
t · e-
· dt =
·t
· dt =
1
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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A
Z
X
A 4
Z 2
Y + 24He
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.
Núcleo
Z
A
A-4
4
X -->
Y +
He
Z
Z-2
2
Núcleo con dos
protones y dos
neutrones menos
Z-2
Partícula
alfa
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,
4
Q = [M(A , Z) M(A 4 , Z - 2) - M ( He)] c2
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
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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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Número relativ o de partículas beta, N(T)
energía máxima o límite superior que depende del radionucleido estudiado (tal como
se ilustra en la Figura 8 para el espectro beta del 210Bi).
10
9
8
7
6
5
4
Límite
superior
3
2
1
0
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)
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
n
+
p + e- +
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
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representarse por
A
Z
0
n
+
p
+
-
X
A
Z 1
Y+
-
+
Núcleo
(Z)
-
Partícula
(Electrón)
-
Antineutrino
(
)
Núcleo con un
neutrón menos
y un protrón mas
(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:
Q = [M(A, Z) M(A , Z + 1)] c2
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.
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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,
p
n + e+ +
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,
A
Z
X
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,
Q + = [M(A , Z) M(A , Z 1 ) 2 m0 ] c2
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.
Núcleo
(Z)
p+
n0
+
+
Partícula
(positrón)
+
Neutrino
( )
Núcleo con un
neutrón mas
y un protón menos
(Z - 1)
Figura 10. Representación gráfica de la desintegración beta positiva.
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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
+
p + e-
n+
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
A
Z
X + e-
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A
Z 1
Y+
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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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O
N
N
M
M
M
L
L
L
L
K
K K K K
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).
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RAYOS X
CATODO
ANODO
BAJA
TENSION
(-)
(+)
ALTA TENSION
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
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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,
14
7
N + 24He
18
9
F
17
8
O + 11H
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:
14
N ( , p) 17O
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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