CSN-2012

TEMA 1

INTRODUCCIN A LAS RADIACIONES IONIZANTES.

NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIN. INTERACCIN DE LA RADIACIN CON LA MATERIA.

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NDICE:

1.- INTRODUCCIN A LAS RADIACIONES IONIZANTES.

2.- NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIN

2.1. Estructura atmica y nuclear

2.2. Radiacin electromagntica

2.3. Radiactividad y reacciones nucleares

3.- INTERACCIN DE LA RADIACIN IONIZANTE CON LA MATERIA

3.1. Interaccin de partculas cargadas con la materia.

3.2. Interaccin de fotones con la materia.

3.3. Interaccin de neutrones con la materia.

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1.- INTRODUCCIN A LAS RADIACIONES IONIZANTES. 1.1.- INTRODUCCIN

En el ao 1896 H. Becquerel, trabajando sobre los rayos X, descubiertos un ao antes por W. K. Rentgen, sospech que debera de haber una relacin 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 fotogrfica y coloc encima del sobre algunas lminas de sulfato doble de uranio y potasio, sal cuya fluorescencia haba estudiado detalladamente. A continuacin, expuso este dispositivo a la accin 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 emita una radiacin capaz de atravesar el sobre e impresionar la placa fotogrfica.

Para repetir el experimento, Becquerel prepar idntico dispositivo, pero al observar que el cielo estaba nublado, lo coloc en un cajn junto con la sal fluorescente. Al cabo de tres das el tiempo permiti una nueva exposicin, pero Becquerel sustituy la placa por una nueva, revelando la primera para verificar su calidad. Totalmente sorprendido encontr que la placa presentaba un intenso ennegrecimiento: el uranio emita espontneamente una radiacin desconocida.

Despus 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 radiacin muy superior a la que esperaban encontrar, en funcin del uranio que contiene. Tratando toneladas de pechblenda lograron concentrar un nuevo elemento radiactivo, que denominaron polonio, y ms tarde otro, que llamaron radio (1898). Desde entonces se han descubierto muchas ms sustancias radiactivas, es decir, sustancias que emiten radiacin.

El hombre ha estado siempre expuesto a fuentes naturales de radiaciones ionizantes: Rayos csmicos (de origen extraterrestre); materiales radiactivos que se hallan en la corteza terrestre, muchos de los cuales estn incorporados a materiales de construccin, 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 radiacin es variable y depende de diversos factores como:

La altura sobre el nivel del mar, ya que parte de la radiacin es retenida por la atmsfera.

Contenido de material radiactivo en el suelo o materiales de construccin utilizados (las zonas granticas contienen material radiactivo elevado).

La evolucin tecnolgica modifica la exposicin del hombre a las radiaciones (en la combustin del carbn se liberan trazas de material radiactivo natural a la atmsfera; el uso de fertilizantes fosfatados aumenta la irradiacin debido a los radionucleidos naturales que contienen, etc.).

Adems de la radiacin de fondo natural, el hombre est expuesto a fuentes de radiaciones

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que l mismo ha creado; aplicaciones de radionucleidos en medicina, industria e investigacin, produccin de energa elctrica, ensayos nucleares realizados en la atmsfera y todos los materiales residuales que estas actividades comportan. Estas dosis de radiacin provocan un aumento en la dosis a la que est sometida la poblacin. 2.- NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIN

2.1.- ESTRUCTURA ATMICA Y NUCLEAR

Estructura atmica de la materia.

A lo largo de los siglos se han identificado una serie de sustancias, que hoy llamamos elementos qumicos, elementos simples o sencillamente elementos, que aparecen en la composicin de las dems sustancias llamadas compuestos o combinaciones qumicas, pero que no pueden considerarse constituidas por otras sustancias ms sencillas. As, por ejemplo, el agua es un compuesto qumico formado por hidrgeno y oxgeno, que son elementos simples. El estudio de las propiedades de los elementos qumicos y de las leyes que regulan las reacciones entre ellos y que dan lugar a la formacin de los compuestos qumicos condujo a las siguientes conclusiones fundamentales:

- Toda la materia est constituida por individualidades, llamadas tomos, que conservan su identidad en las reacciones qumicas.

- Los tomos de cada elemento son iguales entre s, pero distintos de los de otros

elementos, de los que difieren, al menos, en el peso.

- Las sustancias compuestas o compuestos qumicos se forman por la combinacin de los tomos de sus constituyentes, segn proporciones sencillas y definidas formando molculas.

En la actualidad se conocen algo ms de un centenar de elementos qumicos distintos. La mayor

Energa Nuclear

Mdicas

Precipitacin

Naturales

0,02 mSv

0,4 mSv

0,001 mSv

2 mSv

DOSIS ( mSv) MEDIA ANUAL PROCEDENTE DE FUENTES NATURALES Y

ARTIFICIALES

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parte de ellos se encuentran en la naturaleza y solamente unos pocos han sido obtenidos artificialmente. Esto quiere decir que existen ms de un centenar de especies de tomos. Cada elemento qumico o especie atmica se designa con un nombre y un smbolo qumico: hidrgeno (H), helio (He), carbono (C), oxgeno (O), azufre (S), potasio (K), etc. Los diferentes tipos de tomos se combinan para formar estructuras ms complejas que reciben el nombre de molculas. Una molcula es el menor constituyente de una sustancia que conserva las propiedades qumicas de la misma. Las molculas de los elementos simples o elementos qumicos estn constituidas por tomos de la misma especie. As, la molcula de hidrgeno, H2, est constituida por dos tomos de hidrgeno; la molcula de oxgeno, O2, est constituida por dos tomos de oxgeno. Las molculas de algunos elementos, como las de los llamados gases nobles, estn constituidas por tomos aislados. Las molculas de las sustancias compuestas estn constituidas por tomos de especies diferentes. As, la molcula de agua H2O est constituida por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno; la de dixido de carbono CO2 consta de un tomo de carbono y dos de oxgeno. Existen sustancias orgnicas cuyas molculas son muy complicadas y pueden llegar a tener miles de tomos. Todas las molculas de una misma sustancia compuesta o combinacin qumica son iguales entre s. As, todas las molculas de agua H2O estn constituidas por dos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno unidos de una misma forma. Sus propiedades fsicas y qumicas suelen ser muy diferentes de las de los elementos que la componen; por ejemplo las propiedades del agua son muy distintas de las del hidrgeno y del oxgeno.

Numerosos experimentos desde finales del siglo XIX y comienzos del XX pusieron de manifiesto que los tomos no son entidades indivisibles sino que tienen una estructura interna. Sin entrar en detalles acerca de la evolucin histrica de los descubrimientos ni de las teoras existentes, un tomo, cuyo tamao caracterstico es del orden de 10-10 m tiene un ncleo muy pequeo, del orden de 10-15 m, donde se concentra la mayor parte de su masa. El ncleo est formado por dos tipos de partculas llamadas protones (con carga elctrica positiva) y neutrones (sin carga elctrica o neutras) que se mantienen unidas debido a la denominada interaccin fuerte (una fuerza de atraccin muy intensa y de muy corto alcance que es capaz de vencer la repulsin elctrica entre las cargas positivas de los protones). Los protones y los neutrones reciben el nombre genrico de nucleones, por ser ambos los constituyentes de los ncleos atmicos. En torno al ncleo se encuentran los electrones, partculas con carga elctrica negativa y mucho ms ligeras que los protones y neutrones del ncleo (la masa del protn o de neutrn son muy parecidas y aproximadamente 1.840 veces la masa del electrn).

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Figura 1: El tomo

El nmero de protones se denomina nmero atmico del elemento en cuestin (Z) y determina sus propiedades qumicas. En un tomo neutro (sin carga elctrica), este nmero coincide con el nmero de electrones aunque no es as en el caso de tomos con carga elctrica (iones). Los nmeros atmicos de los elementos existentes en la naturaleza comprenden todos los nmeros enteros, desde Z = 1 para el hidrgeno hasta Z = 92 para el uranio, a excepcin del Tecnecio (Tc) y el Prometio (Pm) que son obtenidos artificialmente y son radiactivos. A stos hay que aadir los elementos artificiales generados por el hombre desde el descubrimiento de la energa nuclear, como son el plutonio, Z = 94, el americio, Z = 95, el californio, Z = 96, etc., todos ellos radiactivos. Los elementos de nmero atmico superior a Z=82 (Pb) son radiactivos. A cada elemento qumico le corresponde un nmero atmico que coincide con su lugar de colocacin en el Sistema Peridico de los Elementos, en el que se ordenan en sentido creciente respecto a sus pesos atmicos, presentando un conjunto de regularidades que permiten clasificarlos en diversos grupos afines. (Figura 2).

Figura 2. Sistema Peridico de los Elementos.

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La imagen del tomo como un sistema planetario en miniatura, donde los electrones se mueven en rbitas circulares o elpticas alrededor del ncleo, fue abandonada por la fsica con el desarrollo de la denominada mecnica cuntica a partir de 1930 debido a las numerosas incongruencias de dicho modelo. Sin embargo, para una mayor comprensin de los temas, la representacin atmica seguir este modelo sencillo, que en primera aproximacin da buenos resultados. Los modelos actuales consideran que los electrones se distribuyen alrededor del ncleo en distintos niveles de energa, que son caractersticos de los tomos de cada elemento qumico. As, el tomo de hidrgeno es el ms simple de la naturaleza y est constituido por un solo protn en su ncleo y un electrn (el nmero atmico del hidrgeno es por tanto Z=1). El tomo de helio tiene dos protones y dos neutrones en su ncleo, as como dos electrones en su periferia (por tanto, su nmero atmico es Z=2). El tomo de carbono tiene seis protones y seis neutrones en su ncleo mas seis electrones en distintos niveles de energa (el nmero atmico del carbono es Z=6). Es posible cambiar la distribucin de los electrones en los distintos niveles de energa suministrndoles de alguna forma la energa necesaria para efectuar el salto. Se dice entonces que el tomo queda en estado excitado. Dicho tomo puede volver despus espontneamente a su estado anterior (denominado estado fundamental), liberndose la correspondiente energa mediante la emisin de radiacin electromagntica que en unos u otros casos resulta ser luz visible, ultravioleta o rayos X. As mismo, para separar un electrn del tomo es necesario comunicarle una cantidad de energa llamada energa de enlace o de ligadura del electrn al ncleo. Si se suministra dicha cantidad de energa, entonces es posible separar completamente un electrn del tomo al que perteneca, el cual queda entonces convertido en un ion o tomo ionizado. De esta forma, el tomo primitivo, elctricamente neutro, da lugar a dos cargas elctricas libres: el ion positivo y el electrn negativo. Este proceso, llamado ionizacin, 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 ncleo atmico

El nmero de protones y neutrones que constituyen un determinado ncleo se denomina nmero de masa o nmero msico de ese ncleo y se representa por A. El nmero de neutrones que existen en un ncleo se representa por N. Se tiene la relacin:

A = Z + N luego N = A - Z

A los diferentes ncleos atmicos que existen en la naturaleza o que pueden producirse artificialmente se les llama, en general, nucleidos y se les designa mediante el smbolo:

X A

Z

siendo X el smbolo del elemento qumico correspondiente y A y Z el nmero msico y el nmero atmico, respectivamente. Todos los tomos que poseen el mismo nmero de protones en su ncleo tienen el mismo nmero atmico y pertenecen al mismo elemento.

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Los nucleidos que poseen el mismo nmero de protones (igual nmero atmico Z), de modo que corresponden a un mismo elemento qumico, pero distinto nmero de neutrones (distinto nmero msico A) reciben el nombre de istopos del elemento en cuestin. Los tomos a que dan lugar los istopos de un mismo elemento poseen las mismas propiedades qumicas, ya que stas slo dependen del nmero de electrones en la corteza (Z).

CARBONO: Z=6; A=12 CARBONO: Z=6; A=14

Figura 3: Istopos del Carbono (14C es un radioistopo del 12C) Por ejemplo, los tomos con 6 protones son todos tomos de carbono, los cuales tendrn normalmente 6 electrones. Puede haber, o pueden producirse, tomos de carbono conteniendo cada uno 4, 5, 6, 7, 8 9 neutrones en su ncleo. Sern, por tanto, tomos de carbono con nmero msico 10, 11, 12, 13, 14 15 respectivamente. A todos ellos se les llama istopos del carbono y tienen las mismas propiedades qumicas pero suelen tener distintas propiedades nucleares. Por ejemplo, unos se desintegran espontneamente, son radiactivos, y otros no. A los istopos radiactivos de cualquier elemento se les llama radioistopos. Se conocen tres istopos distintos del hidrgeno: el hidrgeno ordinario, cuyo ncleo 1H est constituido por un simple protn; el deuterio 2H, constituido por un protn y un neutrn y el tritio 3H, constituido por un protn 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 molculas contienen deuterio en lugar de hidrgeno ordinario, recibe el nombre de agua pesada; sus propiedades qumicas y biolgicas son las mismas que las del agua ordinaria, pero sus propiedades nucleares son muy diferentes. De entre los elementos naturales, el ms pesado es el uranio que tiene siempre 92 protones en su ncleo y, por tanto, 92 electrones en su periferia cuando se halla en estado neutro. El uranio natural est formado por mezcla de dos istopos, el 99,27% est constituido por uranio 238 (238U) con 146 neutrones en su ncleo mientras que el 0,73% restante lo constituye el uranio 235 (235U) con tres neutrones menos. Segn se ha dicho, las propiedades qumicas de uno y otro son las mismas, pero las propiedades nucleares son bien distintas. Los isbaros son nucleidos que poseen el mismo nmero msico A (igual nmero de nucleones) pero distinto nmero atmico Z (distinto nmero de protones). Por lo tanto tambin tienen

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distinto nmero de neutrones. Al tener diferente nmero atmico Z, corresponden a diferentes elementos. Por ejemplo:

40K Potasio-40 y 40Ca Calcio-40

60Co Cobalto-60 y 60Ni Nquel-60 Y los istonos son los que tienen igual el nmero de neutrones N = A-Z. Equivalencia entre masa y energa

En el transcurso de los procesos que tienen lugar en la naturaleza, existen ciertas magnitudes fsicas cuyo valor permanece invariable, dando lugar a los principios de conservacin. La fsica y qumica clsicas parecan regirse con toda exactitud por dos principios fundamentales: el principio de conservacin de la masa, segn el cual en todo sistema aislado, y en cualquier proceso que en l tuviera lugar, la masa total que participa debera permanecer constante, y el principio de conservacin de la energa, que establece que sta ni se crea ni se destruye, sino que slo se transforma. En 1905 Einstein public su primer trabajo sobre la Teora de la Relatividad en el que apareci como principio fundamental la equivalencia entre masa y energa segn la expresin:

E = m c2 donde m es la masa de la partcula y c la velocidad de la luz en el vaco, aproximadamente c = 3x108 m/s. Esta equivalencia est hoy en da plenamente demostrada por mltiples experimentos suficientemente precisos. Se puede crear masa a expensas de energa pura (creacin de pares electrn-positrn) y tambin puede tener lugar la desaparicin de masa que estar acompaada de una aparicin de energa equivalente (fenmenos de aniquilacin materia-antimateria).

Para expresar las MASAS de los tomos y de las partculas que los constituyen no se utilizan las unidades del Sistema Internacional (SI) al tener estas masas valores sumamente pequeos comparados con la unidad del SI (kilogramo). En su lugar, se adopta la unidad de masa atmica definida como "la doceava parte de la masa del tomo de 126C" (que es el ms abundante). Su valor en gramos es:

1 u.m.a. = 1,66 AAAA 10-27 kg.

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PROTNMASA ~ 1,007 u.m.a.

1,673 10 -27 kg.

CARGA ELCTRICA POSITIVA

NEUTRN

CARGA ELCTRICA NEUTRA

ELECTRN

CARGA ELCTRICA NEGATIVA

MASA ~ 1,008 u.m.a.1,675 10 -27 kg.

MASA ~ 1/1836 u.m.a.9,11 10 -31 kg.

En fsica atmica, se utiliza como unidad de ENERGA el electronvoltio (eV). La unidad del Sistema Internacional tiene un valor demasiado alto, por lo que resultara engorroso trabajar con ella. Se define el electronvoltio como la energa cintica que adquiere un electrn, 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 electrnvoltio es demasiado pequeo, por lo que se utilizan sus mltiplos:

Nombre Smbolo Equivalencia

Kiloelectronvoltio

keV

1.000 eV

Megaelectronvoltio

MeV

106 eV

Gigaelectronvoltio

GeV

109 eV

2.2.- RADIACIN ELECTROMAGNTICA.

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 propagacin de una onda electromagntica. Es decir, de campos elctrico y magntico oscilantes que se propagan a travs del espacio. La velocidad de propagacin en el vaco de tales ondas, c, resulta ser una constante fundamental, cuyo valor es aproximadamente

c = 3 x 108 m/s

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Figura 4: Onda electromagntica El carcter ondulatorio de la radiacin electromagntica es necesario para explicar una serie de fenmenos, tales como difraccin, interferencia, refraccin y polarizacin. Sin embargo, la descripcin puramente ondulatoria, resulta del todo INSUFICIENTE para explicar los fenmenos de interaccin de la radiacin con la materia, tales como el efecto fotoelctrico, y en general todos los procesos de absorcin y emisin de energa de tomos o ncleos. Tales fenmenos fueron correctamente interpretados por Planck y Einstein a principios del siglo XX. Para ello, hubo de admitirse que las ondas electromagnticas estn constituidas por minsculos paquetes de energa, llamados cuantos de radiacin o fotones. El fotn puede ser considerado como una partcula de masa en reposo nula y con una energa dada. La intensidad de emisin de la radiacin electromagntica depende del nmero de fotones por unidad de superficie en el punto de medida. La representacin de la radiacin electromagntica como onda o como corpsculo, constituye dos aspectos complementarios de una misma realidad, que se manifiesta en una u otra forma segn el tipo de fenmenos que se consideren. La luz se comporta como si fuera una onda en fenmenos de refraccin, difraccin, interferencia, etc. En cambio en procesos de intercambio de energa con tomos y ncleos, acta como si fuera un corpsculo. 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 hiptesis, hoy bien comprobada experimentalmente, todas las partculas deben exhibir comportamiento ondulatorio en condiciones adecuadas. Las ondas electromagnticas conocidas se extienden sobre una amplia gama de longitudes de onda, que comprenden desde las ondas radioelctricas ms largas, del orden del km hasta la radiacin gamma ms dura, que se extiende hasta el femtometro (10-15 m). En la Figura 5 puede observarse por ejemplo que la luz visible cubre una porcin sumamente reducida del espectro electromagntico, que se extiende desde los 780 nm para la luz roja, hasta los 380 nm del violeta. Los lmites de separacin entre las distintas zonas, no presentan valores ntidos y existe siempre un cierto margen de solapamiento.

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Rayos

Rayos X1 Anstron, A

UHF

Onda media

TV FM

Nombre de la

radiacin

Energa

eV

Frecuencia

Hz

Longitud de

onda m.

10- 14

10- 12

10- 10

10- 8

10- 6

102

100

10- 2

104

10- 4

10

10

10

10

10

10

10

10- 10

10

10- 8

108

10

10- 6

106

10

102

10- 2

104

10- 4

1 1 Micrn,

1 Metro, m

1 kilmetro, km

Onda larga

Onda corta

Infrarrojo

Ultravioleta

Visible

1 Centmetro, cmTelefona

mvil

N

O

I

ON

I

Z

A

NT

E

S

IO

N

I

Z

AN

T

E

S

Figura 5. Espectro de la radiacin electromagntica

2.3.- RADIACTIVIDAD Y REACCIONES NUCLEARES

1. Ncleos estables e inestables

La mayora de los elementos que se encuentran en la naturaleza poseen ncleos estables cuya constitucin, es decir el nmero de protones y de neutrones que contienen, no vara con el tiempo a no ser que artificialmente se les someta al bombardeo de otras partculas nucleares. Los elementos naturales, desde el hidrgeno (H) de nmero atmico Z = 1 hasta el plomo (Pb) de nmero atmico Z = 82 estn compuestos por uno o varios istopos con ncleos estables. Los elementos naturales con Z superior al del plomo hasta llegar al uranio (U) tienen ncleos ms o menos inestables que tienden, a lo largo del tiempo y con mayor o menor rapidez, a modificar su composicin mediante la emisin espontnea de algunas de las partculas que los constituyen. A este fenmeno de transformacin nuclear espontnea se le llama radiactividad, y a los tomos que as se comportan, radionucleidos. El ritmo o rapidez de transformacin espontnea es caracterstico de cada radionucleido y viene expresado por la llamada constante de desintegracin (). La estabilidad o inestabilidad de los ncleos depende nicamente de la estructura del ncleo, siendo independiente de factores externos a ste como pudieran ser la temperatura, la presin o el estado qumico. Muchos ncleos son inestables y alteran su composicin espontneamente mediante la emisin de partculas; este proceso implica una desintegracin nuclear. Cuando un ncleo inestable experimenta un proceso de desintegracin radiactiva, se transforma en otro ncleo que posee o que conducir a una configuracin ms estable. En los procesos radiactivos en

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los que se emiten partculas cargadas (radiactividad alfa y radiactividad beta), el ncleo residual pertenece a una especie nuclear distinta de la del ncleo original. En los procesos en que tan slo se emite radiacin electromagntica (radiactividad gamma) el ncleo residual pertenece a la misma especie nuclear que el originario. 2 Desintegracin radiactiva

La velocidad con que un determinado istopo radiactivo se transforma en otro nucleido se expresa por la fraccin de tomos que se desintegran por segundo mediante la constante de desintegracin (), caracterstica de cada radionucleido. Dicha constante representa la probabilidad de que un determinado ncleo se desintegre en la unidad de tiempo subsiguiente a un instante inicial arbitrario. Es la misma para todos los ncleos de una misma especie y es independiente de los factores externos al ncleo, tanto fsicos (presin, temperatura, ...), como qumicos. Adems, es constante en el tiempo, lo que significa que es independiente de la "edad" del ncleo; esto quiere decir que el ncleo radiactivo no "envejece" en el mismo sentido en que lo hace un ser vivo, cuya probabilidad de morir aumenta con la edad. El nmero de tomos de un determinado radionucleido presentes en una masa de sustancia radiactiva ir disminuyendo continuamente con el transcurso del tiempo y con mayor o menor rapidez, segn sea mayor o menor el valor de su constante de desintegracin. Al cabo de un cierto intervalo de tiempo, el nmero de tomos del radionucleido en cuestin se habr reducido a la mitad. A dicho intervalo de tiempo se le llama perodo de semidesintegracin, o simplemente perodo. Se representa por T1/2 o simplemente por T. El perodo o tiempo que tarda una cantidad inicial cualquiera de un radionucleido en reducirse a la mitad al transformarse por desintegracin en otra especie nuclear puede tener valores muy distintos de uno a otro radionucleido, y por ello se suele expresar en segundos, minutos, horas, das o aos; para el polonio-211 es de 0,52 segundos, para el torio-231 de 25,6 horas, para el radio-226 de 1.620 aos, y para el uranio-238 de 4,5 x 109 aos. Existe una relacin sencilla entre la constante de desintegracin () y el perodo de semidesintegracin (T)

Por tanto, cuanto mayor sea la constante de desintegracin, ms rpidamente se desintegrar el radistopo y menor ser su perodo. La desintegracin radiactiva obedece a una ley de decrecimiento exponencial, caracterstica de todo proceso de naturaleza estadstica, que queda expresado por la frmula:

siendo:

0,693 =

2 = TLn

e N = Nt-

0

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N0 el nmero de tomos radiactivos iniciales. N el nmero de tomos presentes al cabo de un tiempo t por no haberse desintegrado todava. la constante de desintegracin.

Si expresamos el tiempo en perodos de semidesintegracin, la representacin grfica de la disminucin con el tiempo de la cantidad presente de un istopo radiactivo, correspondiente a esta expresin matemtica, es la que se muestra en la Figura 6.

0 T 2T 3T 4T 5T 6T

Tiempo (en periodos)

0

0,5

1Numero relativo de tomos (N/N0)

Figura 6. Decrecimiento por desintegracin de un radionucleido. Podemos observar cmo 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 radiacin emitida, existen tres tipos fundamentales de procesos radiactivos: radiactividad alfa, radiactividad beta y radiactividad gamma. Desintegracin alfa () Las partculas alfa son partculas iguales a los ncleos de helio, formadas por dos protones y dos neutrones fuertemente ligados. Se trata, por tanto, de partculas pesadas cargadas doblemente con carga positiva. Cuando un ncleo emite una partcula alfa, su nmero atmico Z disminuye en dos unidades y su nmero msico A disminuye en cuatro unidades. El proceso puede simbolizarse del siguiente modo:

+ YXA

Z

A

Z

42

Figura 7: Desintegracin alfa

DESINTEGRACIN DESINTEGRACIN

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Por ejemplo:

+ RnRa 2228422686

La mayora de los radionucleidos que emiten partculas alfa son ncleos pesados, con nmero msico A mayor de 140 y el fenmeno es consecuencia de la repulsin elctrica entre los protones del ncleo atmico. El espectro energtico de las partculas es un espectro discreto; es decir, las partculas se emiten con una energa o energas determinadas, caractersticas del radionclido considerado. Desintegracin beta () La desintegracin beta agrupa tres procesos: la desintegracin - o emisin de un electrn, la desintegracin + o emisin de un positrn y la captura electrnica (CE) o captura de un electrn por el ncleo atmico. Los ncleos que experimentan este tipo de desintegracin alteran su nmero atmico Z pero no su nmero msico A, de forma que los ncleos residuales son isbaros del originario. La desintegracin - es el resultado de la desintegracin de un neutrn del ncleo que se transforma en un protn dando lugar a la emisin de un electrn y un antineutrino. Se da principalmente en ncleos que poseen un nmero excesivo de neutrones. El ncleo inicial se transforma entonces en otro ncleo atmico diferente que tiene el mismo nmero msico que el originario pero su nmero atmico es una unidad mayor. El espectro energtico de los electrones emitidos por un determinado radionucleido emisor - es un espectro continuo; es decir, los electrones emitidos en la desintegracin - presentan una distribucin continua en energas, abarcando desde cero hasta una energa mxima Emax que es caracterstica del ncleo en particular.

DESINTEGRACIN DESINTEGRACIN ++++++++DESINTEGRACIN DESINTEGRACIN

Figura 8: Desintegracin beta

La desintegracin + consiste en la emisin de positrones por los ncleos atmicos. El positrn es la antipartcula del electrn: su masa es igual a la del electrn pero su carga elctrica es

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positiva. La desintegracin + es el resultado de la transformacin de un protn del ncleo en un neutrn, con la emisin de un positrn y un neutrino. El ncleo residual tendr el mismo nmero msico que el originario pero su nmero atmico se ver reducido en una unidad.

La captura electrnica (CE). En este proceso, el ncleo captura un electrn, transformando un protn del ncleo en neutrn y un neutrino. El ncleo residual tiene el mismo nmero de nucleones que el originario, pero su nmero atmico disminuye en una unidad. El proceso queda representado por:

YeX AZA

Z 1 +

Por ejemplo:

MneFe5525

5526 +

Desintegracin gamma La emisin de rayos gamma () representa para el ncleo un medio para desprenderse de su energa de excitacin. Un ncleo que acaba de experimentar una desintegracin alfa o beta puede quedar en un estado excitado; se desexcitar emitiendo un fotn . Este proceso se representa por:

+ XX AZA

Z

* en donde el asterisco nos indica que el ncleo estaba en un estado excitado. A los istopos emisores de positrones se les debe considerar en la prctica como emisores de radiacin gamma ya que por ser los positrones partculas inestables, se unen a electrones teniendo lugar la aniquilacin de ambas partculas y convirtindose la masa en energa que aparece en forma de dos fotones de radiacin gamma de 0,511 MeV de energa cada uno. Adems, las desintegraciones y suelen ir acompaadas de emisin , al quedar el ncleo residual en estado excitado o de mayor energa.

Figura 9: Desintegracin gamma

3.3 Reacciones nucleares

Las reacciones nucleares son procesos en los que un ncleo reacciona con otro ncleo, partcula o fotn, para producirse uno o ms ncleos y partculas. La partcula inductora de la reaccin se denomina "proyectil" y el ncleo bombardeado, "ncleo blanco". Como consecuencia de la

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reaccin entre el proyectil y el blanco, se genera un ncleo intermedio que por formarse en un estado excitado tiende a la emisin de partculas o radiacin, quedando finalmente un ncleo residual que en muchas ocasiones es radiactivo:

QYPX AZA

Z ++''

abreviadamente se escribe de la forma siguiente:

YQPX AZA

Z

''),(

3.- INTERACCIN DE LA RADIACIN IONIZANTE CON LA MATERIA

Se denominan radiaciones ionizantes a todas aquellas partculas (electrones, neutrones, protones, partculas alfa, fotones) que tienen la propiedad de penetrar en la materia y producir ionizacin en los tomos constituyentes de la misma. En el caso de los fotones (radiacin electromagntica) slo aquellos con suficiente energa para extraer electrones de los tomos (rayos X y radiacin gamma) son radiaciones ionizantes. La comprensin de los principales procesos de interaccin de las radiaciones con la materia que atraviesan, es importante para poder proceder al estudio de los detectores de radiacin, de las magnitudes y unidades asociadas con la radiacin, de los efectos biolgicos que producen al incidir sobre la materia viva y del diseo de los blindajes apropiados para cada tipo de radiacin. Las radiaciones ionizantes constituidas por partculas cargadas (electrones, protones, partculas ) son radiaciones directamente ionizantes ya que la ionizacin del medio est producida por la propia partcula. La radiacin electromagntica (fotones) y la constituida por partculas neutras (neutrones) tambin producen ionizacin en el medio en el que penetran. Pero esta ionizacin en su mayora no es directa, sino indirecta, por intermedio de otras partculas cargadas. Por esta razn, la radiacin electromagntica y los neutrones se consideran como radiaciones indirectamente ionizantes. 3.1 Interaccin de partculas cargadas con la materia

Cuando una partcula cargada penetra en la materia, experimenta la accin de fuerzas electrostticas de ncleos y sobre todo, de electrones, lo que supone una accin paulatina de frenado que concluye con la detencin de la partcula. Las partculas cargadas pierden su energa al interaccionar con la materia a travs de tres tipos de interacciones, fundamentalmente: - Colisin elstica. La partcula choca con los tomos del medio desvindose de su trayectoria

y cediendo una cierta cantidad de energa en forma de energa cintica. No se produce alteracin atmica ni nuclear en el medio.

- Colisin inelstica. La partcula choca con los tomos del medio modificando la estructura

electrnica de los mismos produciendo excitaciones: movimiento de electrones a niveles

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energticos menos ligados o ionizaciones arrancando electrones del tomo. - Colisin radiativa. La partcula cargada se frena o se desva en su interaccin con los tomos

del medio y, como resultado, emite ondas electromagnticas (emite radiacin, de ah el nombre de colisin radiativa), sin modificar la estructura del tomo. Este proceso, a nivel elemental se produce con mayor probabilidad en las proximidades del ncleo atmico como consecuencia de pequeas desviaciones de la partcula incidente. Es la radiacin de frenado y recibe el nombre de bremsstrahlung.

El predominio de uno u otro mecanismo depende de la naturaleza y energa de la partcula cargada incidente y de la naturaleza del medio natural atravesado. Por ejemplo, si la transferencia de energa de la partcula cargada al electrn atmico del medio material que atraviesa es suficiente, es decir, superior a la energa de enlace del electrn en el tomo al que pertenece, el electrn abandona el tomo y ste queda ionizado. Se crea as un par de iones: un in positivo constituido por el tomo ionizado y un in negativo constituido por el electrn expulsado. Este tipo de ionizacin, originado por la transferencia de energa de la partcula cargada incidente a los electrones atmicos, recibe el nombre de ionizacin primaria. Si estos electrones disponen de energa suficiente para, a su vez, producir nuevas ionizaciones en otros tomos, liberando nuevos electrones atmicos, tiene lugar la ionizacin secundaria. Ambas ionizaciones contribuyen a la ionizacin total. La ionizacin es la interaccin fundamental de las partculas alfa con la materia. Cuando en la colisin de la partcula incidente con un electrn atmico, se transfiere una cantidad de energa menor que la energa de ionizacin correspondiente, el electrn no puede ser arrancado del tomo al que pertenece, pero s puede pasar a ocupar un nivel superior de energa. El efecto producido entonces es una excitacin. El tomo excitado volver inmediatamente a su estado fundamental mediante la emisin de radiacin electromagntica. La radiacin de frenado o bremsstrahlung resulta ser de mucha menor importancia, prcticamente despreciable, para partculas cargadas e iones pesados (protones, deuterones, partculas alfa, ...) que para los electrones que atraviesan un medio material. Adems, para los electrones, la radiacin de frenado tiene una gran importancia cuando su energa es superior a algunos MeV, en especial si el medio material tiene un elevado nmero atmico Z. 3.2 Interaccin de fotones con la materia.

La radiacin X y gamma son radiaciones electromagnticas cuya interaccin directa con la materia da lugar a la liberacin de electrones secundarios que sern los que producirn fundamentalmente excitacin e ionizacin de los tomos y molculas de la materia que atraviesan. Son por tanto radiaciones indirectamente ionizantes. La interaccin directa tiene lugar a travs de alguno de los tres procesos siguientes: - Efecto Fotoelctrico. El fotn es completamente absorbido y toda su energa transferida a un

electrn, el cual escapa del tomo al que estaba ligado con una energa cintica igual a la diferencia entre la energa del fotn incidente y la de ligadura al tomo. Se puede interpretar

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como una transferencia total de la energa del fotn a un electrn ligado en un tomo. Como el tomo residual queda con un electrn menos, se producir emisin de radiacin electromagntica caracterstica al ocupar dicha vacante otro electrn del mismo tomo, situado en un nivel energtico superior.

- Efecto Compton. El fotn slo cede al electrn con el que interacciona una parte de su

energa, convirtindose en otro fotn de menor energa y desvindose de la trayectoria inicial. La energa cedida al electrn vara dependiendo del ngulo de dispersin del fotn saliente respecto a la direccin inicial.

- Creacin de pares. El fotn gamma al acercarse a un ncleo atmico se transforma

materializndose en un electrn y un positrn. Puesto que se trata de una conversin de energa en materia. y la suma de las masas del electrn y positrn equivale a una energa de 1,02 MeV, sta tendr que ser la energa mnima del fotn incidente para que pueda tener lugar la creacin de pares.

Al incidir un haz de fotones sobre la materia, la probabilidad de que se produzca un efecto u otro depende de la energa de los fotones y de la naturaleza de la sustancia atravesada. El efecto fotoelctrico es el ms importante para la absorcin de fotones de baja energa. El efecto Compton es el proceso que prevalece en la absorcin de fotones X o gamma de energa intermedia. A partir de un valor mnimo de 1,02 MeV, la produccin de pares aumenta con la energa de los fotones incidentes y es el proceso que predomina a energas altas. En la absorcin de la radiacin electromagntica, las contribuciones del efecto fotoelctrico y del de creacin de pares aumentan notablemente con el nmero atmico Z del elemento que constituye la materia absorbente. La contribucin del efecto Compton depende en menor grado de dicho nmero atmico. El paso de la radiacin electromagntica a travs de la materia se caracteriza por una ley de atenuacin exponencial. Esto es as porque en la interaccin de un haz de fotones con la materia que atraviesan, estos son eliminados del haz a ttulo individual, mediante los procesos descritos anteriormente. 3.3 Interaccin de neutrones con la materia

Los neutrones son partculas que no tienen carga y no pueden interaccionar con la materia a travs de fuerzas coulombianas. Interaccionan con algunos ncleos del material absorbente, que representan un pequeo volumen frente al volumen del tomo, por lo que son muy penetrantes. Como resultado de la interaccin, el neutrn puede desaparecer (absorcin) y ser reemplazado por una o ms radiaciones secundarias, o bien, cambiar significativamente su energa o direccin (dispersin). La probabilidad de que se produzca un tipo de interaccin u otro es funcin de la energa de los neutrones as como del tipo de material con el que interacciona. Las interacciones ms significativas son las siguientes: - Dispersiones elsticas con los ncleos del material absorbente. La mxima transferencia

media de energa tiene lugar cuando chocan los neutrones con ncleos de masa similar, por ejemplo ncleos de hidrgeno, los cuales se convierten en los llamados protones de

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retroceso. Estos pierden seguidamente la energa recibida en el choque ionizando los tomos que encuentran en su camino. Como consecuencia de estos choques los neutrones van perdiendo energa hasta alcanzar la energa cintica media de los tomos o molculas del medio. A estos neutrones de baja energa se les llama neutrones trmicos y al proceso moderacin.

- Dispersiones inelsticas. Tienen lugar cuando el ncleo despus del choque queda en estado

excitado y emite la energa en exceso por emisin, en general, de un fotn gamma. El neutrn cambia significativamente su energa, su direccin o ambas cosas.

- Absorcin o captura del neutrn por un ncleo del material absorbente. Se producen

reacciones nucleares de diversos tipos, como captura radiativa, emisin de partculas o fisin. Entre estas reacciones se encuentran las siguientes:

6Li (n, ) 3He 10B (n, ) 7Li 27Al (n, ) 28Al 27Al (n, p) 27Mg 27Al (n, ) 24Na 27Al (n, 2n) 26Al 113Cd (n, ) 114Cd Los neutrones libres tienen un gran poder de penetracin a travs de la materia, incluso para materiales muy densos. No existen materiales eficaces para la absorcin de neutrones rpidos, pero s algunos, como el Cadmio o el Boro que por su gran capacidad de capturar neutrones con menor energa, segn las reacciones descritas anteriormente, son utilizados como absorbentes para este tipo de neutrones trmicos (lentos). La forma ms eficaz para detener un haz de neutrones rpidos (de mayor energa) consiste en convertirlos previamente en neutrones lentos, interponiendo en su camino un espesor conveniente de agua, parafina o plstico, seguido de unos milmetros de Cadmio o unos centmetros de Boro. El cuerpo humano contiene un gran porcentaje de hidrgeno y por tanto es muy probable que, si inciden neutrones sobre el mismo, tengan lugar dispersiones elsticas producindose protones de retroceso que a su vez producirn daos biolgicos. Por tanto, el neutrn es una partcula de gran peligrosidad desde el punto de vista de la radioproteccin.