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
