PRINCIPIOS FÍSICOS DE LAS RADIACIONES IONIZANTES CONCEPTOS
SOBRE FÍSICA ATÓMICA Y NUCLEAR ÁTOMO
NÚCLEO NUBE DE ELECTRONES r = 10-14m r = 10-10m Masa
pequeña comparada con el núcleo Ocupan gran parte
del espacio Protones Neutrones Nucleones Carga + (1,60×10-19C)
Sin carga Carga – (1,60×10-19C) Masa ~1900 veces la del e-
Los átomos difieren unos de otros por la
constitución de su núcleo y el número y
arreglo de sus electrones. Z Número Atómico
Número de protones en el núcleo (o número de
electrones) Un átomo queda completamente especificado por:
A Número Másico Número de nucleones. X
Simbolo químico del elemento El número de
electrones y de protones es el mismo para que el átomo sea
electricamente neutro.
ISÓTOPOS Átomos con el mismo número de
protones pero diferente número de neutrones
ISÓTONOS Átomos con el mismo número de
neutrones pero diferente número de protones.
ISÓMEROS Átomos con el mismo número de
protones y el mismo número de neutrones, pero difieren en
el estado de energía del núcleo. ISÓBAROS
Átomos con el mismo número de nucleones pero
diferente número de protones. Ciertas combinaciones de
neutrones y protones resultan en nucleidos estables, es decir no
radioactivos, que otras.
RADIOACTIVIDAD La radioactividad fue descubierta por Henri
Becquerel en 1896. Es el fenómeno por el cual el
núcleo de un elemento emite radiación. Esta
radiación puede ser en forma de partículas,
radiación electromagnética o ambas. Un
núcleo radioactivo tiene exceso de energía que es
constantemente redistribuida entre los nucleones mediante
colisiones entre ellos. Una de estas partículas puede
ganar suficiente energía como para escapar del
núcleo, permitiendo que éste alcance un estado de
menor energía. Puede suceder que, aún emitiendo una
partícula, el núcleo permanezca en un estado
excitado, por lo que seguira emitiendo partículas o rayos
? hasta alcanzar la estabilidad o el estado de menor
energía.
RADIOACTIVIDAD NATURAL En los núcleos estables, ninguna
partícula adquiere suficiente energía como para
escapar. En los núcleos radioactivos, es probable, que las
partículas ganen suficiente energía como para
escapar. Esta emisión de partículas es totalmente
probabilística y no se puede saber cuándo
ocurrirá. Proceso de Desintegración Se emiten
partículas a, partículas ? y/o rayos ? Elementos
con: Z < 82 Tiene al menos una configuración estable Z
> 82 Son radioactivos y se desintegran hasta llegar a un
isótopo del Pb estable. Tres series para los elementos
radioactivos naturales: Serie del Uranio, Actinio y Torio
SERIE DEL URANIO
RADIOACTIVIDAD ARTIFICIAL Nuevos isótopos se producen
bombardeando nucleos estables con n, p de alta energía,
deuterones, partículas a o rayos ?. Estos núcleos
deben bombardearse por períodos de tiempo largos, y en un
haz intenso, ya que la probabilidad de que ocurra una
colisión es muy pequeña. Dispositivos que se usan
para esto: Ciclotrón, betatrón, generador Van de
Graaff, acelerador lineal, reactor nuclear Ejemplos: Co-60 (n),
Li-7 (n), Cu-62 (?), B-10 (H-2 deuterón)
EJEMPLOS DE REACCIONES NUCLEARES Reacción a, p Es una
reacción en la cual una partícula a
interactúa con un núcleo, para formar un
núcleo compuesto, el cual se desintegrará emitiendo
un protón p, dando origen a un nuevo núcleo. Q es
la energía absorbida o liberada en la reacción.
Reacción a, n Es la reacción en la cual se
bombardea un núcleo con partículas a, con la
subsecuente emisión de neutrones n. Bombardeo con p La
reacción más común es la captura de un p por
el núcleo y la emisión de un rayo ?,
reacción p, ?.
ACTIVACIÓN DE NUCLEIDOS Los elementos pueden transformarse
en radioativos mediante numerosas reacciones nucleares. Que se
lleve a cabo una reacción nuclear depende de varios
parámetros: Número de partículas que
bombardean el núcleo Número de núcleos
blanco Probabilidad de ocurrencia de la reacción nuclear o
sección eficáz. (Este último depende del
núcleo blanco y del tipo de pertícula con la que se
lo bombardea). Otro aspecto importante, es que cuando un
isótopo es activado, aumenta su actividad
exponencialmente.
DECAIMIENTO EXPONENCIAL El proceso de decaimiento radioactivo o
desintegración es un fenómeno estadístico.
Sin embargo, se puede predecir en forma precisa, de un grupo de
átomos, la proporción de átomos que se
desintegrará en un período de tiempo.
Matemáticamente: El número de átomos que se
desintegra por unidad de tiempo (?N/?t), es proporcional al
número de átomos radioactivos presente (N). o ? es
una constante de proporcionalidad CONSTANTE DE DECAIMIENTO El
signo – indica que el número de átomos
radioactivos decrece con el tiempo.
Si ?N y ?t son suficientemente pequeños, pueden
reemplazarse por los respectivos diferenciales dN y dt y
así se obtiene la ecuación diferencial. Que tiene
como solución, la Ecuación de Decaimiento
Radioactivo Donde N0 es el número inicial de átomos
radioactivos, t es el tiempo transcurrido y ? es la constante de
decaimiento del elemento.
EJEMPLO Estimar el número de átomos presentes luego
de 60 días, si inicialmente había 108 átomos
de Au–198 en la fuente. ? = 2,7 días (Au-198) N0 =
108 átomos t = 60 días ? = 0,257 1/días
átomos
ACTIVIDAD La Actividad, A, se define como la tasa de decaimiento
de un material radioactivo. Si se reemplaza ?N/?t por A en la
ecuación Se obtiene Y se puede expresar Donde A es la
actividad al tiempo t y A0 es la actividad original igual a ?N0.
Unidades 1Ci (Curie) = 3,7×1010 desint./seg. (dps) 1Bq
(Becquerel) = 1dps = 2,7×10-11 Ci (SI)
EJEMPLO Calcular la constante de decaimiento del Co-60 (? = 5,26
años) en meses Calcular la actividad de una fuente de 5000
Ci de Co-60 luego de 4 años a) b) ? = 5,26 años =
63,12 meses ? = 1,0979×10-2 1/meses Luego y t = 4 años =
48 meses
TIEMPO DE VIDA MEDIA El tiempo de vida media, ? o T1/2, de un
elemento radioactivo se define como el tiempo requerido para que,
tanto la Actividad (A) como el Número de Átomos
(N), decaiga a la mitad de su valor inicial. Entonces, si o Para
t = ? se obtiene, de las ecuaciones de decaimiento exponencial
o
NIVELES DE ENERGÍA ATÓMICOS Se representan los
niveles de energía de los electrones orbitales que
componen el átomo mediante un Diagrama de Niveles de
Energía
La energía de ligadura de los electrones en las diferentes
capas atómicas depende de la magnitud de la fuerza
coulombiana de atracción entre el núcleo y los
electrones orbitales. Para átomos de Z grande, las
energías de ligadura son mayores debido a la gran carga
nuclear. Los electrones de valencia, son los responsables de las
reacciones químicas y los enlaces de los átomos y
ocupan generalmente las capas más externas. Si se imparte
energía a los electrones de valencia suficiente como para
que pasen a un nivel más alto de energía, el
átomo quedará en un estado de inestabilidad. El
electrón volverá a su estado normal emitiendo una
cantidad de energía igual a la diferencia de
energía entre las capas en las cuales la transición
tuvo lugar. Rayos X característicos
