¿Qué es la radiactividad ambiental? ¿Por qué controlar los niveles radiactivos ambientales? ¿Cuáles son las fuentes? ¿Cómo se dispersa en los ecosistemas? ¿Cómo se detecta/mide? ¿Cuando y cómo se descubre la radiactividad? La fecha: marzo de 1896 El descubridor: Henri Becquerel La investigación: velado de placa fotográfica por sales de uranio que emiten fluorescencia inducida por la luz solar. La fluorescencia se relacionaba con la emisión de rayos-X (descubiertos 4 meses antes por Roentgen). El hecho fortuito: las sales de uranio velan la película fotográfica sin haber sido expuestas a la luz solar. Es decir sin que se induzca la fluorescencia. La interpretación: las sales de uranio emiten una radiación de naturaleza desconocida La búsqueda de elementos radioactivos Julio-diciembre de 1898. Los investigadores: Pierre y Marie Curie El método: la radiactividad emitida por las sales de uranio provoca la descarga de un electroscopio. Pierre Curie diseñó un electroscopio muy sensible ante el se situaban las sustancias para estudiar sus propiedades radioactivas. Las sustancias: sales de uranio y sales de torio La evidencia: la radioactividad de las sales era superior a la de los elementos uranio y torio. La interpretación: debían existir elementos desconocidos responsables de la radioactividad. Marie Curie logra aislar de la pechblenda el polonio (400 veces mas activo que el uranio) y el radio (un millón de veces mas activo que el uranio). 1899 Debierne: actinio. 1899 Rutherford y Soddy: radón (en asociación con el torio, radio y actinio) ¿Qué propiedades observaron? Descargan un electroscopio: tienen carga eléctrica. Es una fuente de energía: el calor desprendido en la desintegración de 1 g de radio es de 420 J (100 calorías) por hora, continuamente (la combustión de 1 g de C produce 34000 J = 8000 calorías). Fenómeno asociado a los átomos: independiente de su estado físico o químico. Componentes de la radiación Efectos de campos magnéticos sobre la radiación: F = q vxB Rutherford •Dos tipos de radiación con carga + y -, respectivamente cuya trayectoria se ve afectada por B. α Radiación alfa: α (+) Radiación beta: β(−), β(+) α = He++ β− = eβ+ = e+ •Un tipo de radiación sin carga cuya trayectoria no se ve afectada por B Radiación gamma: γ He (luz) V Componentes de la radiación Significado de la radioactividad Æ desarrollo de la teoría nuclear 1911: los rayos alfa permiten desentrañar la estructura de la materia (experiencias de Geiger y Marsen) α Au Pb α MODELO DE THOMSON α + MODELO DE RUTHERFORD Se diferencian los fenómenos atómicos de los nucleares Significado de la radioactividad Æ desarrollo de la teoría nuclear 1913: Moseley estudia los espectros de rayos-X e identifica Z = nº eZ es el nº de orden de la clasificación de Mendeleiev El núcleo de be tener una carga Z(+) 1913: Bohr introduce la cuantificación del modelo atómico e introduce el concepto de orbital, completado posteriormente por Sommerfeld 1919: Rutherford realiza la primera transmutación artificial: 14 N 7 + 42He Æ (189F) Æ 178O + 11H 1920: Rutherford postula la existencia del neutrón 1932: Chadwik descubre experimentalmente el neutrón 1933: Irene y Frederic Joliot-Curie descubren la radiactividad artificial 27 Al 13 + 42He Æ 3015P + 10n 30 PÆβ+ 15 La radiactividad natural puso de manifiesto la estructura compleja del núcleo, encajando con las teorías postuladas para su constitución. Si en la naturaleza unos núcleos se transformaban en otros, la radiactividad artificial abrió la posibilidad de inducir la transmutación de núcleos estables por la acción humana. Fermi y otros físicos y químicos, basándose en todo lo precedente consiguieron la fisión nuclear y crear isótopos radioactivos inexistentes en la naturaleza. La radiactividad es la propiedad que presentan algunos átomos de transformarse espontáneamente, originando un átomo de otro elemento y emitiendo radiación α, β o γ. MAGNITUDES DEL NUCLEO ATOMICO ATOMO : CORTEZA Æ Z electrones NÚCLEO Æ Z protones + N neutrones protón, neutrón Æ nucleón Z: número atómico A: número másico = Z+N DIMENSIONES A X N Z Radio atómico: 10-10 m = 1 Angstrom (Å) Radio nuclear : 10-15 m = 1 Fermi Masa protón: 1,672·10-27 kg = 1,00758 u.m.a = 938 MeV Masa neutrón: 1,675·10-27 kg = 1,00893 u.m.a = 939 MeV Masa electrón: 9,108·10-31 kg = 0,00055 u.m.a = 0,5116 MeV 1 u.m.a = masa (12C) / 12 = 1,6605·10-27 kg = 931,5 MeV 1 MeV = 1,602· 10-13 J Carga protón: +1,602·10-19 C Carga electrón: -1,602·10-19 C Carga neutrón: sin carga ESTRUCTURA NUCLEAR ¿Cómo pueden permanecer unidos los protones y neutrones en el núcleo? Int. Relativa Gravitación 10-38 Débil 10-13 E.M. 10-2 Fuerte 1 Alcance grande <10-18m grande <10-15m La estabilidad nuclear se explica a partir de: a) Fuerzas de Unión Æ Fuerza Nuclear Fuerte b) Energía de Enlace Fuerza Nuclear Fuerte: mantiene unidos a los quarks (partículas constituyentes de los neutrones y protones) en el reducido volumen del núcleo. V(r) r (Fermi) •Corto alcance •Independiente de la carga eléctrica •Atractivas •Repulsivas por debajo de 10-15 m •No centrales •Son fuerzas saturadas •Muy intensas (~ MeV) p+ n p+ p+ n n La FNF supera la repulsión de la carga eléctrica de los protones y origina un núcleo estable que sólo se puede romper con un aporte externo de energía. Defecto de Masa (Δm) - Energía de Enlace (ΔE) : Midiendo la variación entre la suma de la masa de los protones y neutrones cuando están separados y su masa cuando están juntos formando el núcleo, se puede deducir la energía de enlace entre ellos. ΔE = Δm·c2 CLASIFICACIÓN DE LOS NUCLEIDOS CURVA DE ESTABILIDAD Isótopos: = Z ≠ A Isóbaros: ≠ Z = A Abundancia: 90 elementos naturales 13 elementos artificiales 1525 isótopos: ~ 325 naturales ~ 1200 artificiales ~ 274 estables ~ 1251 radioactivos RADIACTIVIDAD Radiación Núcleo inestable Núcleo estable ¿Qué tipo de radiación se emite? Corpuscular: Partículas alfa: α 4 He ++ 2 2 4 α 2 2 Electrones: β- 0 e -1 1 Positrones: β+ Electromagnética: Radiación gamma γ 0 e 1 -1 0 β-1 1 0 β+ 1 -1 ¿Qué cambios se producen en la desintegración radiactiva de un núcleo? A Alfa 4 α 2 2 X N Z 0 A Beta- X N Z n Æ p+ + e- + ν A Beta+ X N Z A Gamma X* N Z β- -1 1 A-4 Y Z-2 N-2 + + 0 p+ Æ n + e+ + ν + + β -1 1 γ + A Y Z+1 N-1 A Y Z-1 N+1 A X N Z DESINTEGRACIÓN ALFA 234 92U142 Æ α + 23090Th140 DESINTEGRACIÓN BETA 204 81Tl123 Æ β− + 20482Pb122 204 Tl 81 β− 204 Pb 82 βmax = 0.766 MeV DESINTEGRACIÓN GAMMA 60 27Co*33 Æ γ + 6027Co33 ¿Qué magnitudes caracterizan la radiactividad? ACTIVIDAD: A número de desintegraciones por unidad de tiempo Unidades: desintegración/s = Becquerelio = Bq CONSTANTE DE DESINTEGRACIÓN: λ Probabilidad por unidad de tiempo de que se produzca la desintegración Unidades: segundos-1, horas-1, años-1, … (tiempo-1) PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: T1/2 Tiempo que tiene que transcurrir para que se haya desintegrado la mitad de la población de núcleos radiactivos de la muestra. Unidades: segundos, horas, años, … (tiempo) Supongamos que el isótopo amarillo se desintegra transformándose en el violeta y que su periodo de semidesintegración es de 5750 años. Veamos cómo afecta el paso del tiempo: 17 250 años 5750 11 500 años ¿Cúal es el tratamiento matemático? Número de desintegraciones Actividad = Tiempo A0(desintegraciones) /s -λt A(t) =A0e λ = (ln2/T1/2) constante de desintegración T1/2: periodo de semidesintegración A0/2 T1/2 =300s 0 500 1000 t (segundos) 1500 2000 EQUILIBRIO RADIOACTIVO EQUILIBRIO SECULAR EQUILIBRIO TRANSITORIO 1,0 1,0 0,9 0,8 A(Ra) A(Rn) 0,8 0,7 A(Ba) A(La) A/A0 A/A0 0,6 0,5 0,4 0,6 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,0 0,0 0 500 1000 1500 2000 0 10 20 30 40 Æ 14056La + β- 306,5 h 40,27 h 60 70 80 t (dias) t (h) 140 Ba 56 50 226 Ra 88 Æ 22286Rn + α 1601 años 3,82 días 90 100 Propuesta: Calcular numérica y gráficamente “tm” y representar en una misma gráfica las curvas de actividad A1, A2 y A1+A2 en función de t/T, considerando la serie 1Æ 2 Æ 3 (estable): Para: a) T1=T y T2=T/2 b) T1=T y T2=2T c) T1=100T y T2=T d) T1=4T y T2=T