tema 1 introducción a las radiaciones ionizantes. naturaleza y tipos
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TEMA 1 INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES. NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA. © CSN-2012 ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES. 2.- NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN 2.1. Estructura atómica y nuclear 2.2. Radiación electromagnética 2.3. Radiactividad y reacciones nucleares 3.- INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA MATERIA 3.1. Interacción de partículas cargadas con la materia. 3.2. Interacción de fotones con la materia. 3.3. Interacción de neutrones con la materia. © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 2/20 1.- INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES. 1.1.- INTRODUCCIÓN En el año 1896 H. Becquerel, trabajando sobre los rayos X, descubiertos un año antes por W. K. Röentgen, sospechó que debería de haber una relación entre la fluorescencia que presentaban algunas sales irradiadas con luz solar y la debida a los rayos X. En el interior de un sobre de papel negro, opaco a la luz, Becquerel introdujo una placa fotográfica y colocó encima del sobre algunas láminas de sulfato doble de uranio y potasio, sal cuya fluorescencia había estudiado detalladamente. A continuación, expuso este dispositivo a la acción de la luz solar y, una vez que hubo revelado la placa, pudo observar unas manchas oscuras poco intensas, es decir, que la sal de uranio emitía una radiación capaz de atravesar el sobre e impresionar la placa fotográfica. Para repetir el experimento, Becquerel preparó idéntico dispositivo, pero al observar que el cielo estaba nublado, lo colocó en un cajón junto con la sal fluorescente. Al cabo de tres días el tiempo permitió una nueva exposición, pero Becquerel sustituyó la placa por una nueva, revelando la primera para verificar su calidad. Totalmente sorprendido encontró que la placa presentaba un intenso ennegrecimiento: el uranio emitía espontáneamente una radiación desconocida. Después de descubrir Becquerel la radiactividad natural, los esposos Curie orientaron sus investigaciones a buscar sustancias radiactivas distintas del uranio. Entre las sustancias que estudiaron, descubrieron que la pechblenda presentaba una radiación muy superior a la que esperaban encontrar, en función del uranio que contiene. Tratando toneladas de pechblenda lograron concentrar un nuevo elemento radiactivo, que denominaron polonio, y más tarde otro, que llamaron radio (1898). Desde entonces se han descubierto muchas más sustancias radiactivas, es decir, sustancias que emiten radiación. El hombre ha estado siempre expuesto a fuentes naturales de radiaciones ionizantes: Rayos cósmicos (de origen extraterrestre); materiales radiactivos que se hallan en la corteza terrestre, muchos de los cuales están incorporados a materiales de construcción, al aire, a los alimentos, e incluso sustancias radiactivas que se encuentran en el interior del organismo humano (Potasio, Carbono, etc.). La dosis debida a fuentes naturales de radiación es variable y depende de diversos factores como: • La altura sobre el nivel del mar, ya que parte de la radiación es retenida por la atmósfera. • Contenido de material radiactivo en el suelo o materiales de construcción utilizados (las zonas graníticas contienen material radiactivo elevado). • La evolución tecnológica modifica la exposición del hombre a las radiaciones (en la combustión del carbón se liberan trazas de material radiactivo natural a la atmósfera; el uso de fertilizantes fosfatados aumenta la irradiación debido a los radionucleidos naturales que contienen, etc.). Además de la radiación de fondo natural, el hombre está expuesto a fuentes de radiaciones © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 3/20 que él mismo ha creado; aplicaciones de radionucleidos en medicina, industria e investigación, producción de energía eléctrica, ensayos nucleares realizados en la atmósfera y todos los materiales residuales que estas actividades comportan. Estas dosis de radiación provocan un aumento en la dosis a la que está sometida la población. DOSIS ( mSv) MEDIA ANUAL PROCEDENTE DE FUENTES NATURALES Y ARTIFICIALES Precipitación 0,02 mSv Médicas 0,4 mSv Energía Nuclear 0,001 mSv Naturales 2 mSv 2.- NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN 2.1.- ESTRUCTURA ATÓMICA Y NUCLEAR Estructura atómica de la materia. A lo largo de los siglos se han identificado una serie de sustancias, que hoy llamamos elementos químicos, elementos simples o sencillamente elementos, que aparecen en la composición de las demás sustancias llamadas compuestos o combinaciones químicas, pero que no pueden considerarse constituidas por otras sustancias más sencillas. Así, por ejemplo, el agua es un compuesto químico formado por hidrógeno y oxígeno, que son elementos simples. El estudio de las propiedades de los elementos químicos y de las leyes que regulan las reacciones entre ellos y que dan lugar a la formación de los compuestos químicos condujo a las siguientes conclusiones fundamentales: - Toda la materia está constituida por individualidades, llamadas átomos, que conservan su identidad en las reacciones químicas. - Los átomos de cada elemento son iguales entre sí, pero distintos de los de otros elementos, de los que difieren, al menos, en el peso. - Las sustancias compuestas o compuestos químicos se forman por la combinación de los átomos de sus constituyentes, según proporciones sencillas y definidas formando moléculas. En la actualidad se conocen algo más de un centenar de elementos químicos distintos. La mayor © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 4/20 parte de ellos se encuentran en la naturaleza y solamente unos pocos han sido obtenidos artificialmente. Esto quiere decir que existen más de un centenar de especies de átomos. Cada elemento químico o especie atómica se designa con un nombre y un símbolo químico: hidrógeno (H), helio (He), carbono (C), oxígeno (O), azufre (S), potasio (K), etc. Los diferentes tipos de átomos se combinan para formar estructuras más complejas que reciben el nombre de moléculas. Una molécula es el menor constituyente de una sustancia que conserva las propiedades químicas de la misma. Las moléculas de los elementos simples o elementos químicos están constituidas por átomos de la misma especie. Así, la molécula de hidrógeno, H2, está constituida por dos átomos de hidrógeno; la molécula de oxígeno, O2, está constituida por dos átomos de oxígeno. Las moléculas de algunos elementos, como las de los llamados gases nobles, están constituidas por átomos aislados. Las moléculas de las sustancias compuestas están constituidas por átomos de especies diferentes. Así, la molécula de agua H2O está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; la de dióxido de carbono CO2 consta de un átomo de carbono y dos de oxígeno. Existen sustancias orgánicas cuyas moléculas son muy complicadas y pueden llegar a tener miles de átomos. Todas las moléculas de una misma sustancia compuesta o combinación química son iguales entre sí. Así, todas las moléculas de agua H2O están constituidas por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno unidos de una misma forma. Sus propiedades físicas y químicas suelen ser muy diferentes de las de los elementos que la componen; por ejemplo las propiedades del agua son muy distintas de las del hidrógeno y del oxígeno. Numerosos experimentos desde finales del siglo XIX y comienzos del XX pusieron de manifiesto que los átomos no son entidades indivisibles sino que tienen una estructura interna. Sin entrar en detalles acerca de la evolución histórica de los descubrimientos ni de las teorías existentes, un átomo, cuyo tamaño característico es del orden de 10-10 m tiene un núcleo muy pequeño, del orden de 10-15 m, donde se concentra la mayor parte de su masa. El núcleo está formado por dos tipos de partículas llamadas protones (con carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga eléctrica o neutras) que se mantienen unidas debido a la denominada interacción fuerte (una fuerza de atracción muy intensa y de muy corto alcance que es capaz de vencer la repulsión eléctrica entre las cargas positivas de los protones). Los protones y los neutrones reciben el nombre genérico de nucleones, por ser ambos los constituyentes de los núcleos atómicos. En torno al núcleo se encuentran los electrones, partículas con carga eléctrica negativa y mucho más ligeras que los protones y neutrones del núcleo (la masa del protón o de neutrón son muy parecidas y aproximadamente 1.840 veces la masa del electrón). © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 5/20 Figura 1: El átomo El número de protones se denomina número atómico del elemento en cuestión (Z) y determina sus propiedades químicas. En un átomo neutro (sin carga eléctrica), este número coincide con el número de electrones aunque no es así en el caso de átomos con carga eléctrica (iones). Los números atómicos de los elementos existentes en la naturaleza comprenden todos los números enteros, desde Z = 1 para el hidrógeno hasta Z = 92 para el uranio, a excepción del Tecnecio (Tc) y el Prometio (Pm) que son obtenidos artificialmente y son radiactivos. A éstos hay que añadir los elementos artificiales generados por el hombre desde el descubrimiento de la energía nuclear, como son el plutonio, Z = 94, el americio, Z = 95, el californio, Z = 96, etc., todos ellos radiactivos. Los elementos de número atómico superior a Z=82 (Pb) son radiactivos. A cada elemento químico le corresponde un número atómico que coincide con su lugar de colocación en el Sistema Periódico de los Elementos, en el que se ordenan en sentido creciente respecto a sus pesos atómicos, presentando un conjunto de regularidades que permiten clasificarlos en diversos grupos afines. (Figura 2). Figura 2. Sistema Periódico de los Elementos. © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 6/20 La imagen del átomo como un sistema planetario en miniatura, donde los electrones se mueven en órbitas circulares o elípticas alrededor del núcleo, fue abandonada por la física con el desarrollo de la denominada mecánica cuántica a partir de 1930 debido a las numerosas incongruencias de dicho modelo. Sin embargo, para una mayor comprensión de los temas, la representación atómica seguirá este modelo sencillo, que en primera aproximación da buenos resultados. Los modelos actuales consideran que los electrones se “distribuyen” alrededor del núcleo en distintos niveles de energía, que son característicos de los átomos de cada elemento químico. Así, el átomo de hidrógeno es el más simple de la naturaleza y está constituido por un solo protón en su núcleo y un electrón (el número atómico del hidrógeno es por tanto Z=1). El átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones en su núcleo, así como dos electrones en su periferia (por tanto, su número atómico es Z=2). El átomo de carbono tiene seis protones y seis neutrones en su núcleo mas seis electrones en distintos niveles de energía (el número atómico del carbono es Z=6). Es posible cambiar la distribución de los electrones en los distintos niveles de energía suministrándoles de alguna forma la energía necesaria para efectuar el salto. Se dice entonces que el átomo queda en estado excitado. Dicho átomo puede volver después espontáneamente a su estado anterior (denominado estado fundamental), liberándose la correspondiente energía mediante la emisión de radiación electromagnética que en unos u otros casos resulta ser luz visible, ultravioleta o rayos X. Así mismo, para separar un electrón del átomo es necesario comunicarle una cantidad de energía llamada energía de enlace o de ligadura del electrón al núcleo. Si se suministra dicha cantidad de energía, entonces es posible separar completamente un electrón del átomo al que pertenecía, el cual queda entonces convertido en un ion o átomo ionizado. De esta forma, el átomo primitivo, eléctricamente neutro, da lugar a dos cargas eléctricas libres: el ion positivo y el electrón negativo. Este proceso, llamado ionización, puede alterar algunas propiedades de la materia en la que tiene lugar. Por ejemplo, puede hacer parcialmente conductor de la electricidad a un gas que en condiciones normales es un buen aislante. El núcleo atómico El número de protones y neutrones que constituyen un determinado núcleo se denomina número de masa o número másico de ese núcleo y se representa por A. El número de neutrones que existen en un núcleo se representa por N. Se tiene la relación: A = Z + N luego N = A - Z A los diferentes núcleos atómicos que existen en la naturaleza o que pueden producirse artificialmente se les llama, en general, nucleidos y se les designa mediante el símbolo: A Z X siendo X el símbolo del elemento químico correspondiente y A y Z el número másico y el número atómico, respectivamente. Todos los átomos que poseen el mismo número de protones en su núcleo tienen el mismo número atómico y pertenecen al mismo elemento. © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 7/20 Los nucleidos que poseen el mismo número de protones (igual número atómico Z), de modo que corresponden a un mismo elemento químico, pero distinto número de neutrones (distinto número másico A) reciben el nombre de isótopos del elemento en cuestión. Los átomos a que dan lugar los isótopos de un mismo elemento poseen las mismas propiedades químicas, ya que éstas sólo dependen del número de electrones en la corteza (Z). CARBONO: Z=6; A=12 CARBONO: Z=6; A=14 Figura 3: Isótopos del Carbono (14C es un radioisótopo del 12C) Por ejemplo, los átomos con 6 protones son todos átomos de carbono, los cuales tendrán normalmente 6 electrones. Puede haber, o pueden producirse, átomos de carbono conteniendo cada uno 4, 5, 6, 7, 8 ó 9 neutrones en su núcleo. Serán, por tanto, átomos de carbono con número másico 10, 11, 12, 13, 14 ó 15 respectivamente. A todos ellos se les llama isótopos del carbono y tienen las mismas propiedades químicas pero suelen tener distintas propiedades nucleares. Por ejemplo, unos se desintegran espontáneamente, son radiactivos, y otros no. A los isótopos radiactivos de cualquier elemento se les llama radioisótopos. Se conocen tres isótopos distintos del hidrógeno: el hidrógeno ordinario, cuyo núcleo 1H está constituido por un simple protón; el deuterio 2H, constituido por un protón y un neutrón y el tritio 3 H, constituido por un protón y dos neutrones. Los dos primeros son estables y se encuentran en la naturaleza en las proporciones de 99,985% y 0,014% respectivamente. El tritio es inestable. El agua cuyas moléculas contienen deuterio en lugar de hidrógeno ordinario, recibe el nombre de agua pesada; sus propiedades químicas y biológicas son las mismas que las del agua ordinaria, pero sus propiedades nucleares son muy diferentes. De entre los elementos naturales, el más pesado es el uranio que tiene siempre 92 protones en su núcleo y, por tanto, 92 electrones en su periferia cuando se halla en estado neutro. El uranio natural está formado por mezcla de dos isótopos, el 99,27% está constituido por uranio 238 (238U) con 146 neutrones en su núcleo mientras que el 0,73% restante lo constituye el uranio 235 (235U) con tres neutrones menos. Según se ha dicho, las propiedades químicas de uno y otro son las mismas, pero las propiedades nucleares son bien distintas. Los isóbaros son nucleidos que poseen el mismo número másico A (igual número de nucleones) pero distinto número atómico Z (distinto número de protones). Por lo tanto también tienen © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 8/20 distinto número de neutrones. Al tener diferente número atómico Z, corresponden a diferentes elementos. Por ejemplo: 40 60 K Potasio-40 y Co Cobalto-60 y 40 Ca Calcio-40 60 Ni Níquel-60 Y los isótonos son los que tienen igual el número de neutrones N = A-Z. Equivalencia entre masa y energía En el transcurso de los procesos que tienen lugar en la naturaleza, existen ciertas magnitudes físicas cuyo valor permanece invariable, dando lugar a los principios de conservación. La física y química clásicas parecían regirse con toda exactitud por dos principios fundamentales: el principio de conservación de la masa, según el cual en todo sistema aislado, y en cualquier proceso que en él tuviera lugar, la masa total que participa debería permanecer constante, y el principio de conservación de la energía, que establece que ésta ni se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma. En 1905 Einstein publicó su primer trabajo sobre la Teoría de la Relatividad en el que apareció como principio fundamental la equivalencia entre masa y energía según la expresión: E = m c2 donde m es la masa de la partícula y c la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente c = 3x108 m/s. Esta equivalencia está hoy en día plenamente demostrada por múltiples experimentos suficientemente precisos. Se puede crear masa a expensas de energía pura (creación de pares electrón-positrón) y también puede tener lugar la desaparición de masa que estará acompañada de una aparición de energía equivalente (fenómenos de aniquilación materia-antimateria). 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 A 10-27 kg. © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 9/20 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. -19 Equivale a: 1 eV = 1,6 x 10 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 2.2.- RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. A partir de las investigaciones de Maxwell en 1870 y hasta comienzos del siglo XX, se aceptaba generalmente que la luz era el resultado de la propagación de una onda electromagnética. Es decir, de campos eléctrico y magnético oscilantes que se propagan a través del espacio. La velocidad de propagación en el vacío de tales ondas, c, resulta ser una constante fundamental, cuyo valor es aproximadamente c = 3 x 108 m/s © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 10/20 Figura 4: Onda electromagnética 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. Tales 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 cuantos de radiación o fotones. El fotón puede ser considerado como una partícula de masa en reposo nula y con una energía dada. La intensidad de emisión de la radiación electromagnética depende del número de fotones por unidad de superficie en el punto de medida. 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 se extiende 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, que se extiende 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. © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 11/20 Frecuencia Hz 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1 10 Telefonía móvil Energía eV 10 10 10 10 Nom bre de la radiación 8 6 Longitud de onda m . 10 Rayos 10 4 Rayos X 10 2 10 Ultravioleta 10 10 10 10 10 -2 Infrarrojo Visible 10 -4 UHF -6 -8 Onda corta TV Onda media Onda larga - 12 - 10 10 10 1 Anstron, A -8 -6 1 Micrón, µ -4 -2 1 Centímetro, cm 0 10 FM - 10 10 10 - 14 I O N I Z A N T E S 1 Metro, m 2 4 N O I O N I Z A N T E S 1 kilómetro, km Figura 5. Espectro de la radiación electromagnética 2.3.- RADIACTIVIDAD Y REACCIONES NUCLEARES 1. Núcleos estables e inestables La mayoría de los elementos que se encuentran en la naturaleza poseen núcleos estables cuya constitución, es decir el número de protones y de neutrones que contienen, 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. 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 (λ λ). 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. 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 © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 12/20 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. 2 Desintegración radiactiva La velocidad con que un determinado isótopo radiactivo se transforma en otro nucleido se expresa por la fracción de átomos que se desintegran por segundo mediante la constante de desintegración (λ λ), característica de cada radionucleido. Dicha constante representa la probabilidad de que un determinado núcleo se desintegre en la unidad de tiempo subsiguiente a un instante inicial arbitrario. Es la misma para todos los núcleos de una misma especie y es independiente de los factores externos al núcleo, tanto físicos (presión, temperatura, ...), como químicos. Además, es constante en el tiempo, lo que significa que es independiente de la "edad" del núcleo; esto quiere decir que el núcleo radiactivo no "envejece" en el mismo sentido en que lo hace un ser vivo, cuya probabilidad de morir aumenta con la edad. El número de átomos de un determinado radionucleido presentes en una masa de sustancia radiactiva irá disminuyendo continuamente con el transcurso del tiempo y con mayor o menor rapidez, según sea mayor o menor el valor de su constante de desintegración. Al cabo de un cierto intervalo de tiempo, el número de átomos del radionucleido en cuestión se habrá reducido a la mitad. A dicho intervalo de tiempo se le llama período de semidesintegración, o simplemente período. Se representa por T1/2 o simplemente por T. El período o tiempo que tarda una cantidad inicial cualquiera de un radionucleido en reducirse a la mitad al transformarse por desintegración en otra especie nuclear puede tener valores muy distintos de uno a otro radionucleido, y por ello se suele expresar en segundos, minutos, horas, días o años; para el polonio-211 es de 0,52 segundos, para el torio-231 de 25,6 horas, para el radio-226 de 1.620 años, y para el uranio-238 de 4,5 x 109 años. Existe una relación sencilla entre la constante de desintegración (λ) y el período de semidesintegración (T) T= Ln 2 λ = 0,693 λ Por tanto, cuanto mayor sea la constante de desintegración, más rápidamente se desintegrará el radisótopo y menor será su período. La desintegración radiactiva obedece a una ley de decrecimiento exponencial, característica de todo proceso de naturaleza estadística, que queda expresado por la fórmula: N = N 0 · e - λ ·t siendo: © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 13/20 N0 el número de átomos radiactivos iniciales. N el número de átomos presentes al cabo de un tiempo t por no haberse desintegrado todavía. λ la constante de desintegración. Si expresamos el tiempo en períodos de semidesintegración, la representación gráfica de la disminución con el tiempo de la cantidad presente de un isótopo radiactivo, correspondiente a esta expresión matemática, es la que se muestra en la Figura 6. 1 Numero relativo de átomos (N/N0) 0,5 0 0 T 2T 3T 4T 5T 6T Tiempo (en periodos) Figura 6. Decrecimiento por desintegración de un radionucleido. Podemos observar cómo la cantidad de radionucleido se reduce a la mitad de la inicial cuando transcurre un tiempo t = T, a la cuarta parte para t = 2T, a la octava parte cuando t = 3T, etc. De acuerdo con la naturaleza de la radiación emitida, existen tres tipos fundamentales de procesos radiactivos: radiactividad alfa, radiactividad beta y radiactividad gamma. Desintegración alfa (α α) Las partículas alfa son partículas iguales a los núcleos de helio, formadas por dos protones y dos neutrones fuertemente ligados. Se trata, por tanto, de partículas pesadas cargadas doblemente con carga positiva. Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico Z disminuye en dos unidades y su número másico A disminuye en cuatro unidades. El proceso puede simbolizarse del siguiente modo: A Z X → DESINTEGRACIÓN α A−4 Z −2 Y +α Figura 7: Desintegración alfa © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 14/20 Por ejemplo: 226 86 Ra → 222 84 Rn + α La mayoría de los radionucleidos que emiten partículas alfa son núcleos pesados, con número másico A mayor de 140 y el fenómeno es consecuencia de la repulsión eléctrica entre los protones del núcleo atómico. El espectro energético de las partículas α es un espectro discreto; es decir, las partículas se emiten con una energía o energías determinadas, características del radionúclido considerado. Desintegración beta (β) La desintegración beta agrupa tres procesos: la desintegración β- o emisión de un electrón, la desintegración β+ o emisión de un positrón y la captura electrónica (CE) o captura de un electrón por el núcleo atómico. Los núcleos que experimentan este tipo de desintegración alteran su número atómico Z pero no su número másico A, de forma que los núcleos residuales son isóbaros del originario. La desintegración β- es el resultado de la desintegración de un neutrón del núcleo que se transforma en un protón dando lugar a la emisión de un electrón y un antineutrino. Se da principalmente en núcleos que poseen un número excesivo de neutrones. El núcleo inicial se transforma entonces en otro núcleo atómico diferente que tiene el mismo número másico que el originario pero su número atómico es una unidad mayor. El espectro energético de los electrones emitidos por un determinado radionucleido emisor β- es un espectro continuo; es decir, los electrones emitidos en la desintegración β- presentan una distribución continua en energías, abarcando desde cero hasta una energía máxima Emax que es característica del núcleo en particular. DESINTEGRACIÓN β+ DESINTEGRACIÓN β− Figura 8: Desintegración beta La desintegración β+ consiste en la emisión de positrones por los núcleos atómicos. El positrón es la antipartícula del electrón: su masa es igual a la del electrón pero su carga eléctrica es © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 15/20 positiva. La desintegración β+ es el resultado de la transformación de un protón del núcleo en un neutrón, con la emisión de un positrón y un neutrino. El núcleo residual tendrá el mismo número másico que el originario pero su número atómico se verá reducido en una unidad. La captura electrónica (CE). En este proceso, el núcleo captura un electrón, transformando un protón del núcleo en neutrón y un neutrino. El núcleo residual tiene el mismo número de nucleones que el originario, pero su número atómico disminuye en una unidad. El proceso queda representado por: X + e− → A Z −1 Fe + e − → 55 25 A Z Y Por ejemplo: 55 26 Mn Desintegración gamma La emisión de rayos gamma (γ) representa para el núcleo un medio para desprenderse de su energía de excitación. Un núcleo que acaba de experimentar una desintegración alfa o beta puede quedar en un estado excitado; se desexcitará emitiendo un fotón γ. Este proceso se representa por: A * → ZAX + γ Z X en donde el asterisco nos indica que el núcleo estaba en un estado excitado. A los isótopos emisores de positrones se les debe considerar en la práctica como emisores de radiación gamma ya que por ser los positrones partículas inestables, se unen a electrones teniendo lugar la aniquilación de ambas partículas y convirtiéndose la masa en energía que aparece en forma de dos fotones de radiación gamma de 0,511 MeV de energía cada uno. Además, las desintegraciones β y α suelen ir acompañadas de emisión γ, al quedar el núcleo residual en estado excitado o de mayor energía. Figura 9: Desintegración gamma 3.3 Reacciones nucleares Las reacciones nucleares son procesos en los que un núcleo reacciona con otro núcleo, partícula o fotón, para producirse uno o más núcleos y partículas. La partícula inductora de la reacción se denomina "proyectil" y el núcleo bombardeado, "núcleo blanco". Como consecuencia de la © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 16/20 reacción entre el proyectil y el blanco, se genera un núcleo intermedio que por formarse en un estado excitado tiende a la emisión de partículas o radiación, quedando finalmente un núcleo residual que en muchas ocasiones es radiactivo: A Z X +P → A' Z' Y +Q abreviadamente se escribe de la forma siguiente: A Z X ( P, Q) ZA''Y 3.- INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA MATERIA Se denominan radiaciones ionizantes a todas aquellas partículas (electrones, neutrones, protones, partículas alfa, fotones) que tienen la propiedad de penetrar en la materia y producir ionización en los átomos constituyentes de la misma. En el caso de los fotones (radiación electromagnética) sólo aquellos con suficiente energía para extraer electrones de los átomos (rayos X y radiación gamma) son radiaciones ionizantes. La comprensión de los principales procesos de interacción de las radiaciones con la materia que atraviesan, es importante para poder proceder al estudio de los detectores de radiación, de las magnitudes y unidades asociadas con la radiación, de los efectos biológicos que producen al incidir sobre la materia viva y del diseño de los blindajes apropiados para cada tipo de radiación. Las radiaciones ionizantes constituidas por partículas cargadas (electrones, protones, partículas α) son radiaciones directamente ionizantes ya que la ionización del medio está producida por la propia partícula. La radiación electromagnética (fotones) y la constituida por partículas neutras (neutrones) también producen ionización en el medio en el que penetran. Pero esta ionización en su mayoría no es directa, sino indirecta, por intermedio de otras partículas cargadas. Por esta razón, la radiación electromagnética y los neutrones se consideran como radiaciones indirectamente ionizantes. 3.1 Interacción de partículas cargadas con la materia Cuando una partícula cargada penetra en la materia, experimenta la acción de fuerzas electrostáticas de núcleos y sobre todo, de electrones, lo que supone una acción paulatina de frenado que concluye con la detención de la partícula. Las partículas cargadas pierden su energía al interaccionar con la materia a través de tres tipos de interacciones, fundamentalmente: - Colisión elástica. La partícula choca con los átomos del medio desviándose de su trayectoria y cediendo una cierta cantidad de energía en forma de energía cinética. No se produce alteración atómica ni nuclear en el medio. - Colisión inelástica. La partícula choca con los átomos del medio modificando la estructura electrónica de los mismos produciendo excitaciones: movimiento de electrones a niveles © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 17/20 energéticos menos ligados o ionizaciones arrancando electrones del átomo. - Colisión radiativa. La partícula cargada se frena o se desvía en su interacción con los átomos del medio y, como resultado, emite ondas electromagnéticas (emite radiación, de ahí el nombre de colisión radiativa), sin modificar la estructura del átomo. Este proceso, a nivel elemental se produce con mayor probabilidad en las proximidades del núcleo atómico como consecuencia de pequeñas desviaciones de la partícula incidente. Es la radiación de frenado y recibe el nombre de bremsstrahlung. El predominio de uno u otro mecanismo depende de la naturaleza y energía de la partícula cargada incidente y de la naturaleza del medio natural atravesado. Por ejemplo, si la transferencia de energía de la partícula cargada al electrón atómico del medio material que atraviesa es suficiente, es decir, superior a la energía de enlace del electrón en el átomo al que pertenece, el electrón abandona el átomo y éste queda ionizado. Se crea así un par de iones: un ión positivo constituido por el átomo ionizado y un ión negativo constituido por el electrón expulsado. Este tipo de ionización, originado por la transferencia de energía de la partícula cargada incidente a los electrones atómicos, recibe el nombre de ionización primaria. Si estos electrones disponen de energía suficiente para, a su vez, producir nuevas ionizaciones en otros átomos, liberando nuevos electrones atómicos, tiene lugar la ionización secundaria. Ambas ionizaciones contribuyen a la ionización total. La ionización es la interacción fundamental de las partículas alfa con la materia. Cuando en la colisión de la partícula incidente con un electrón atómico, se transfiere una cantidad de energía menor que la energía de ionización correspondiente, el electrón no puede ser arrancado del átomo al que pertenece, pero sí puede pasar a ocupar un nivel superior de energía. El efecto producido entonces es una excitación. El átomo excitado volverá inmediatamente a su estado fundamental mediante la emisión de radiación electromagnética. La radiación de frenado o bremsstrahlung resulta ser de mucha menor importancia, prácticamente despreciable, para partículas cargadas e iones pesados (protones, deuterones, partículas alfa, ...) que para los electrones que atraviesan un medio material. Además, para los electrones, la radiación de frenado tiene una gran importancia cuando su energía es superior a algunos MeV, en especial si el medio material tiene un elevado número atómico Z. 3.2 Interacción de fotones con la materia. La radiación X y gamma son radiaciones electromagnéticas cuya interacción directa con la materia da lugar a la liberación de electrones secundarios que serán los que producirán fundamentalmente excitación e ionización de los átomos y moléculas de la materia que atraviesan. Son por tanto radiaciones indirectamente ionizantes. La interacción directa tiene lugar a través de alguno de los tres procesos siguientes: - Efecto Fotoeléctrico. El fotón es completamente absorbido y toda su energía transferida a un electrón, el cual escapa del átomo al que estaba ligado con una energía cinética igual a la diferencia entre la energía del fotón incidente y la de ligadura al átomo. Se puede interpretar © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 18/20 como una transferencia total de la energía del fotón a un electrón ligado en un átomo. Como el átomo residual queda con un electrón menos, se producirá emisión de radiación electromagnética característica al ocupar dicha vacante otro electrón del mismo átomo, situado en un nivel energético superior. - Efecto Compton. El fotón sólo cede al electrón con el que interacciona una parte de su energía, convirtiéndose en otro fotón de menor energía y desviándose de la trayectoria inicial. La energía cedida al electrón varía dependiendo del ángulo de dispersión del fotón saliente respecto a la dirección inicial. - Creación de pares. El fotón gamma al acercarse a un núcleo atómico se transforma materializándose en un electrón y un positrón. Puesto que se trata de una conversión de energía en materia. y la suma de las masas del electrón y positrón equivale a una energía de 1,02 MeV, ésta tendrá que ser la energía mínima del fotón incidente para que pueda tener lugar la creación de pares. Al incidir un haz de fotones sobre la materia, la probabilidad de que se produzca un efecto u otro depende de la energía de los fotones y de la naturaleza de la sustancia atravesada. El efecto fotoeléctrico es el más importante para la absorción de fotones de baja energía. El efecto Compton es el proceso que prevalece en la absorción de fotones X o gamma de energía intermedia. A partir de un valor mínimo de 1,02 MeV, la producción de pares aumenta con la energía de los fotones incidentes y es el proceso que predomina a energías altas. En la absorción de la radiación electromagnética, las contribuciones del efecto fotoeléctrico y del de creación de pares aumentan notablemente con el número atómico Z del elemento que constituye la materia absorbente. La contribución del efecto Compton depende en menor grado de dicho número atómico. El paso de la radiación electromagnética a través de la materia se caracteriza por una ley de atenuación exponencial. Esto es así porque en la interacción de un haz de fotones con la materia que atraviesan, estos son eliminados del haz a título individual, mediante los procesos descritos anteriormente. 3.3 Interacción de neutrones con la materia Los neutrones son partículas que no tienen carga y no pueden interaccionar con la materia a través de fuerzas coulombianas. Interaccionan con algunos núcleos del material absorbente, que representan un pequeño volumen frente al volumen del átomo, por lo que son muy penetrantes. Como resultado de la interacción, el neutrón puede desaparecer (absorción) y ser reemplazado por una o más radiaciones secundarias, o bien, cambiar significativamente su energía o dirección (dispersión). La probabilidad de que se produzca un tipo de interacción u otro es función de la energía de los neutrones así como del tipo de material con el que interacciona. Las interacciones más significativas son las siguientes: - Dispersiones elásticas con los núcleos del material absorbente. La máxima transferencia media de energía tiene lugar cuando chocan los neutrones con núcleos de masa similar, por ejemplo núcleos de hidrógeno, los cuales se convierten en los llamados protones de © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 19/20 retroceso. Estos pierden seguidamente la energía recibida en el choque ionizando los átomos que encuentran en su camino. Como consecuencia de estos choques los neutrones van perdiendo energía hasta alcanzar la energía cinética media de los átomos o moléculas del medio. A estos neutrones de baja energía se les llama neutrones térmicos y al proceso moderación. - Dispersiones inelásticas. Tienen lugar cuando el núcleo después del choque queda en estado excitado y emite la energía en exceso por emisión, en general, de un fotón gamma. El neutrón cambia significativamente su energía, su dirección o ambas cosas. - Absorción o captura del neutrón por un núcleo del material absorbente. Se producen reacciones nucleares de diversos tipos, como captura radiativa, emisión de partículas o fisión. Entre estas reacciones se encuentran las siguientes: 6 Li (n, α) 3He 10 27 27 Al (n, γ) 28Al Al (n, p) 27Mg 27 27 B (n, α) 7Li Al (n, α) 24Na Al (n, 2n) 26Al 113 Cd (n, γ) 114Cd Los neutrones libres tienen un gran poder de penetración a través de la materia, incluso para materiales muy densos. No existen materiales eficaces para la absorción de neutrones rápidos, pero sí algunos, como el Cadmio o el Boro que por su gran capacidad de capturar neutrones con menor energía, según las reacciones descritas anteriormente, son utilizados como absorbentes para este tipo de neutrones térmicos (lentos). La forma más eficaz para detener un haz de neutrones rápidos (de mayor energía) consiste en convertirlos previamente en neutrones lentos, interponiendo en su camino un espesor conveniente de agua, parafina o plástico, seguido de unos milímetros de Cadmio o unos centímetros de Boro. El cuerpo humano contiene un gran porcentaje de hidrógeno y por tanto es muy probable que, si inciden neutrones sobre el mismo, tengan lugar dispersiones elásticas produciéndose protones de retroceso que a su vez producirán daños biológicos. Por tanto, el neutrón es una partícula de gran peligrosidad desde el punto de vista de la radioprotección. © CSN-2012 IR-OP-BA-TX_T01 20/20
