Soldadura mal hecha por falta de penetración (línea negra) Imagen radiográfica de una soldadura bien hecha

Transcripción

1 Rayos X Hace algo más de un siglo, en 1895, Wilhelm Conrad Röntgen ( ), científico alemán de la Universidad de Würzburg, descubrió una radiación (entonces desconocida y de ahí su nombre de rayos X) que tenía la propiedad de penetrar los cuerpos opacos Los rayos X son invisibles a nuestros ojos, pero producen imágenes visibles cuando usamos placas fotográficas o detectores especiales para ello. Imagen radiográfica de una soldadura bien hecha Soldadura mal hecha por falta de penetración (línea negra) De casi todos son conocidas las aplicaciones de los rayos X en el campo de la Medicina para realizar radiografías, angiografías (estudio de los vasos sanguíneos) o las llamadas tomografías computarizadas. Y el uso de los rayos X se ha extendido también a la detección de fallos en metales o análisis de pinturas. Históricamente hablando, pasaron muchos años desde el descubrimiento de los rayos X en 1895, hasta que el descubrimiento de esta radiación revolucionó los campos de la Física, la Química y la Biología. La potencialidad de su aplicación en estos campos vino indirectamente de la mano de Max von Laue ( ), profesor sucesivamente en las Universidades Munich, Zurich, Frankfurt, Würzburg y Berlín, quien pretendiendo demostrar la naturaleza ondulatoria de esta nueva radiación usó un cristal de blenda frente a los rayos X, obteniendo la confirmación de su hipótesis y demostrando al mismo tiempo la naturaleza periódica de los cristales. Laue recibió por ello el Premio Nobel de Física de Pero quienes realmente sacaron provecho del descubrimiento de los alemanes fueron los británicos Bragg (padre e hijo), William H. Bragg ( ) y William L. Bragg ( ), quienes en 1915 recibieron el Premio Nobel de Física al demostrar la utilidad del fenómeno que había descubierto von Laue para obtener la estructura interna de los cristales. Pero todo esto será objeto de apartados posteriores. Los rayos X son radiaciones electromagnéticas, como lo es la luz visible, o las radiaciones ultravioleta e infrarroja, y lo único que los distingue de las demás radiaciones electromagnéticas es su llamada longitud de onda, que es del orden de m (equivalente a la unidad de longitud que conocemos como Angstrom). Los rayos X que más interesan en el campo de la Cristalografía de rayos X son aquellos que disponen de una longitud de onda próxima a 1 Angstrom (fundamentalmente los denominados rayos X "duros" ) y corresponden a una frecuencia de aproximadamente 3 millones de THz (tera-herzios) y a una energía de 12.4 kev (kilo-electrón-voltios), que a su vez equivaldría a una 1

2 temperatura de unos 144 millones de grados. Estos rayos X se producen en los laboratorios de Cristalografía o en las llamadas grandes instalaciones de sincrotrón (como el ESRF: European Synchrotron Radiation Facility). Los equipos que se utilizan en los laboratorios de Cristalografía para producir estos rayos X son relativamente sencillos. Disponen de un generador de alta tensión (unos voltios), que se suministra al llamado tubo de rayos X, que es realmente donde se produce la radiación. Esos 50 kv se suministran como diferencia de potencial (alto voltaje) entre un filamento incandescente (por el que se hace pasar una corriente i de bajo voltaje, unos 5 A a unos 12 V) y un metal puro (normalmente cobre o molibdeno), estableciéndose entre ambos una corriente de unos 30 ma de electrones libres. Desde el filamento incandescente (cargado negativamente) saltan electrones hacia el ánodo (cargado positivamente) provocando, en los átomos de este último, una reorganización electrónica en sus niveles de energía Estado energético de los electrones en un átomo del ánodo que va a ser alcanzado por un electrón del filamento Estado energético de los electrones en un átomo del ánodo después del impacto con un electrón del filamento Electrones que vuelven a su estado inicial, emitiendo esta energía en forma de rayos X llamados característicos Esquema sobre la producción de rayos X característicos de un metal. Un electrón de alta energía puede producir la salida de un electrón cercano al núcleo. La vacante así producida se rellena por el salto de otro electrón de una capa superior, con mayor energía. Esa diferencia de energía entre niveles (característica del átomo) se transforma en radiación X característica, con una longitud de onda (energía) determinada. Animación tomada de En las grandes instalaciones de sincrotrón, la generación de los rayos X es distinta. Una instalación sincrotrónica contiene un anillo muy grande (del orden de kilómetros) por el que se hacen circular electrones a altísima velocidad en el interior de canales rectilíneos que de vez en 2

3 cuando se quiebran para adaptarse a la curvatura del anillo. A estos electrones se les hace cambiar de dirección para pasar de un canal a otro usando campos magnéticos de gran energía. Y es en ese momento, en el cambio de dirección, cuando los electrones emiten una radiación muy energética denominada radiación sincrotrónica. Esa radiación está compuesta por un contínuo de longitudes de onda que abarcan desde las microondas hasta los llamados rayos X duros. Esquema del punto de giro entre dos segmentos rectilíneos en un sincrotrón. Imagen adaptada según aparece en el ESRF Detalle de cómo se producen los rayos X en las curvaturas de la trayectoria de los electrones en un sincrotrón. Imagen adaptada según aparece en el ESRF Los rayos X que se obtienen en las instalaciones de sincrotrón tienen dos grandes ventajas para la Cristalografía de rayos X: 1) la longitud de onda se puede modular a voluntad, y 2) su brillo es un billón de veces (10 12 ) superior a la de los rayos X convencionales. 3

4 La Radiactividad El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel en Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad. Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. En 1898 descubren dos nuevas sutancias radiactivas: el radio y el polonio, mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad natural. Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford, quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres componentes que denominó: alfa, beta y gamma. 4

5 Como se observa en la Figura, las partículas son desviadas levemente por la presencia de placas eléctricas, hacia el polo (- ), las partículas se desviaban bastante en la dirección del polo (+) de manera similar al electrón, con las mismas características de masa, etc. Finalmente, los rayos simplemente no eran afectados por la presencia de campos externos. Aplicando entonces las mismas ecuaciones a las descritas anteriormente para electrones y Espectros de Masas, se logró determinar para cada una lo siguiente: La radiación es un haz de electrones provenientes del núcleo del átomo. Los rayos consisten de partículas cargadas positivamente en la cantidad 2+. Las partículas son comparativamente de mucho mayor masa que las partículas. La medición de su masa dio por resultado que correspondía a ser iones de Helio, He++. Los rayos no transportan carga, no poseen masa medible, son de alta energía y su movimiento es semejante al de los rayos X; corresponden a partículas. Los rayos son de baja penetrabilidad: los detiene una hoja de papel. En cambio, los rayos son alrededor de 100 veces más penetrante y los rayos son 1000 veces más penetrante en la materia. La figura muestra de manera gráfica esta capacidad de cada una de las radiaciones planteadas, junto a una tabla de sus características. Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida, prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los rayos X, recien descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por su querido radio, Mme Curie murió a los 60 años de leucemia en Su hija Irene continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel. Radiactividad El calor natural de la Tierra que calienta a las aguas termales, o que proporciona energía a los géiseres o a un volcán proviene de las reacciones químicas nucleares que son producidas por la radiactividad de los minerales del interior de la Tierra. La radiactividad libera energía, pero no ha llegado a ser una fuente importante. En pequeña escala, la radiactividad se usa para alimentar pequeñas fuentes de energía en los vehículos espaciales y hace que se caliente una muestra de radio. A gran escala no 5

6 funde rocas y es la fuente de energía geotérmica que proviene del interior de la Tierra. Las reglas de la radiactividad están regidas por la equivalencia entre la masa y la energía. Las partículas se desintegran sólo si los productos combinados tienen menos masa después de la desintegración que antes. La masa de un neutrón es ligeramente mayor que la masa total de un protón más un electrón (y el antineutrino). Cuando un neutrón se desintegra la masa final es menor que la masa inicial. Uno de los factores que limitan el número de núcleos atómicos estables diferentes que pueden existir es la inestabilidad del neutrón. No se produce una desintegración espontánea en las reacciones químicas nucleares en las que la masa final es mayor que la masa inicial. EL nucleo es una pequeña región central del átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones. La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción eléctrica. Es más, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración. El hecho de que en el núcleo existan protones y neutrones es un indicador de que debe existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama nuclear y es la que predomina en el núcleo. Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los núcleos, es necesario analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene una masa y está cargado electricámente. Además, tiene un tamaño que se puede medir por su radio. Los nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones mutuas y la intensidad de sus interacciones se puede medir por su energía de enlace o energía de ligadura nuclear. Los nucleidos se clasifican en: Isótopos: núcleos con igual número de protones, pero distinto número de neutrones, y por tanto distinto número másico. Isótonos: núcleos con igual número de neutrones, pero distinto número de protones, y por tanto distinto número másico. Isóbaros: núcleos con distinto número de protones y distinto número de neutrones, pero igual número másico. Un núcleo se considera estable si no se transmuta(desintegra) en años, si bien puede transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones. Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el resto ha sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 nucleidos, de los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los nucleidos son radiactivos. Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el tiempo formando otros nucleidos. ENERGIA DE ENLACE NUCLEAR Se define como la energía necesaria para separar los nucleones de un núcleo, o bien como la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el núcleo. El origen de la energía de ligadura o de enlace nuclear reside en la desaparición de una parte de la masa de los nucleones que se combinan para formar el núcleo. Esta diferencia de masa recibe el nombre de defecto másico, y se transforma en energía cuyo cálculo se puede realizar por la ecuación de Einstein, E=m.c 2 Si a la suma de las masas de los nucleones y electrones de un átomo le restamos la masa medida experimentalmente a través del espectrógrafo de masas, obtenemos el defecto másico, y podemos calcular la energía total de enlace. La energía de enlace o de ligadura será equivalente a la energía liberada en la formación de un núcleo. 6

7 La u.m.a. se define como la doceava parte de la masa del átomo 6 C 12 y 1 u.m.a.=1' Kg, por lo que sustituyendo en la ecuación de Einstein, E=m.c 2, E = MeV, es decir, 1 u.m.a. libera 931'5 MeV. Por tanto, la energía liberada (B) en la formación de un núcleo será: B = defecto másico 931 MeV. CARACTERISTICAS DE LAS FUERZAS NUCLEARES Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de gran intensidad dado el tamaño de los núcleos y su enorme densidad, que predominan en el núcleo venciendo la repulsión electrostática entre los protones. Son de corto alcance, es decir, cada nucleón interacciona con los nucleones más próximos, si bien a distancias muy cortas, las fuerzas nucleares se hacen repulsivas lo que explica que los nucleones permanezcan a distancias medias constantes y que el volumen por nucleón sea constante. La fuerza de interacción entre dos nucleones es independiente de la carga, por lo que la fuerza entre dos nucleones, bien sean protón-protón, neutrón-neutrón o protón-neutrón, es aproximadamente la misma Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos diferentes de los que cerca de 300 son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del tiempo. La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los elementos químicos ligeros, por ejemplo, los isótopos 6 12 C, 7 14 N y 8 16 O son estables. Al graficar el número de neutrones contra el número de protones de los isótopos se obtiene la zona conocida como el cinturón de estabilidad 7

8 . N= neutrones Z=PROTONES Los isótopos estables tienen una relación neutrones/protones que cae dentro del cinturón de estabilidad. Para isótopos ligeros de peso atómico pequeño, la relación estable es de 1.0 y para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1.5. No existen isótopos estables para elementos químicos de número atómico mayor a 83 (el bismuto). Los isótopos que tienen una relación neutrones/protones mayor o menor al cinturón de estabilidad son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear que se llama radiactividad. A medida que aumenta el número atómico Un núcleo inestable produce una reacción química llamada descomposición radiactiva o desintegración. En la naturaleza existen sólo unos pocos núcleos inestables y su descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad natural. En el laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial. La radiactividad natural emite tres radiaciones que se conocen como radiaciones alfa ( ), beta ( ) y gamma ( ), y nunca se emiten positrones. La radiación alfa ( ) consiste en la emisión de partículas con carga positiva de +2 y con una masa de 4 uma. Estas partículas son idénticas a los núcleos de los átomos de helio ordinario 2 4 He +2. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen muchos protones y la repulsión eléctrica es muy fuerte p n, por lo que tienden a obtener N aproximadamente igual a Z, y para ello emite una partícula alfa. En el proceso se 8

9 desprende mucha energía que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, es decir que estas partículas salen con velocidades muy altas. En el proceso un núcleo cualquiera de número másico A y número atómico Z, se convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nºatómico Z-2, y se emite una partícula alfa. Z A X ----> Z-2 A-4 H + 4 He 2+ Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico disminuye en 2 unidades y su masa atómica disminuye en 4 unidades. Por ejemplo, si un átomo de uranio de número atómico 92 y número de masa 238, emite una partícula alfa se produce un isótopo de torio de número atómico 90 y número de masa 234. El proceso nuclear se representa mediante la ecuación química nuclear: U ---> Th + radiación alfa + radiación gamma. Como partículas alfa son núcleos de helio, 2 4 He 2+, contienen 2 protones y 2 neutrones, y una carga de +2, pero por convención la ecuación anterior se representa como: U ---> Th He Esta ecuación química es una ecuación química nuclear típica en la que se conservan tanto los números de masa como los números atómicos, es decir, el número de masa del reactivo (238) es igual a la suma de los números de masa de los productos ( ) y el número atómico (92) es igual a la suma de los números atómicos de los productos (90 + 2) La radiación beta ( ) consiste de una emisión de partículas cargadas negativamente, de propiedades idénticas a las de los electrones. La emisión de partícula (m=0, carga = -1) transforma a un neutrón (masa = 1, carga = 0) del núcleo en un protón (masa = 1, carga = +1). Por lo tanto, la emisión de radiación no cambia el número de masa, pero el número atómico aumenta en una unidad Aparece para cualquier tipo de núcleo, pero es típica de núcleos con exceso de neutrones, es decir n>p. Es un mecanismo usado por los núcleos para llegar a la línea de estabilidad (N aproximadamente igual Z) La radiación Beta - consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos, pero en el núcleo sólo hay protones y neutrones, cómo puede emitir electrones? En 1934 Fermi explicó esta radiación suponiendo que en la desintegración beta menos, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino mediante la reacción: n > p + + e - + antineutrino 9

10 La emisión beta menos da como resultado otro núcleo distinto con un protón más, la reacción sería: Z A X ----> Z+1 A Y + e - + antineutrino.un ejemplo de emisión de radiación es la desintegración radiactiva del torio-234 (90 protones y 144 neutrones) a protactinio-234 (91 protones y 143 neutrones) más radiación, que se representa mediante la ecuación química nuclear: RADIACIÓN BETA positiva Th ---> Pa e Mediante este mecanismo un núcleo emite espontáneamente positrones, e +, antipartículas del electrón de igual masa pero con carga eléctrica opuesta. Lo que ocurre es que un protón del núcleo se desintegra dando lugar a un neutrón, un positrón o partícula Beta + y un neutrino. Así el núcleo se desprende de los protones que le sobran y se acercan a la línea de estabilidad N = Z. Por ello se da en núcleos con exceso de protones. la reacción sería: Algunos ejemplos son: p + nº +e + Z A X ----> Z-1 A Y + e + + neutrino 30 P ----> 30 Si + e + 40 K ----> 40 Ar + e + Captura electrónica Se da en núcleos con exceso de protones. El núcleo captura un electrón de la corteza electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón. La radiación gamma ( ) p + + e > n 0 + neutrino Z A X + e > Z-1 A Y + neutrino 10

11 Consiste en una emisión de fotones de alta energía y de longitud de onda muy corta ( = a 0.1 nm). La emisión de radiación gamma acompaña a casi todas las reacciones nucleares. Se produce debido a un cambio de energía en el núcleo. Un núcleo excitado, procedente de la emisión de partículas o, emite a su vez un fotón, descendiendo a un estado energético más bajo y más estable. La radiación no produce ningún cambio en el número atómico ni en el número de masa. Esta es la razón por la que suele no escribirse en las ecuaciones de las reacciones nucleares. Es una radiación muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética, de los tres tipos de radiación es la más peligrosa. Ley de desintegración radiactiva Z A X * ----> Z A X + Rad gamma En 1902 Ernest Rutherford y Frederick Soddy, sugirieron que el ritmo con que una sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el tiempo. La desintegración radiactiva tiene lugar cuando un elemento se transforma en otro cambiando el número de nucleones que forman el núcleo. Es un fenómeno probabilístico que sigue la ley de Poisson. De forma natural sólo ciertos isótopos son adiactivos. Cuando se transforman en otros elementos se dice que decaen. El elemento de partida se llama isótopo radiactivo, radioisótopo o isótopo padre, y aquel en el que se transforma se conoce como elemento hijo o isótopo radiogénico. Para caracterizar el decaimiento radiactivo de un material se utiliza el periodo de semidesintegración, T1/2. Es el tiempo que debe transcurrir para que se desintegren la mitad de los isótopos dados. La cantidad de radioisótopo N que permanece sin desintegrar transcurrido un tiempo dado se relaciona con la cantidad inicial No a través de la ley de decaimiento radiactivo:donde N es el número de núcleos que quedan sin desintegrar, N 0 es el número de núcleos iniciales, y N 0 - N es el número de núcleos desintegrados. La constante lambda λes la constante de desintegración. N=No e -λ.t El fenómeno de la radiactividad es aleatorio sujeto a una cierta probabilidad de desintegración. Por eso lambda es la probabilidad por unidad de tiempo de que los núcleos pertenecientes a esa población se desintegren. 11

12 Semivida o periodo de desintegración, T 1/2, es el tiempo que tarda una muestra radiactiva en reducirse a la mitad. no depende de la cantidad de nucleos (tiene una cinetica de 1er orden) Se define también la vida media como el tiempo que tarda un núcleo en desintegrarse: En la tabla siguiente aparecen los periódos de semidesintegración de algunos isótopos radiactivos. Berilio-8 Polonio-213 Aluminio-28 Yodo-131 Estroncio-90 Radio-226 Carbono-14 Rubidio s s 2.25 min 8 días 28 años 1600 años 5730 años años 12

13 Series Radiactivas Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del inicial(núcleo padre) forman una serie o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o familias radiactivas, tres de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los radionúclidos primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que sobreviven en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es comparable a la edad de la Tierra. Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac-227, la otra serie radiactiva es laa del Np-297, que debería haberse extinguido, pero las pruebas nucleares relizadas han liberado estos núcleos y por lo tanto ha vuelto aparecer esta cadena radiactiva. En cada serie todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232, por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series radiactivas. Series radiactivas NºMásico Cadena del Padre Semivida (años) Producto final 4n Torio Th Pb-208 4n+1 Neptunio Np Pb-209 4n+2 Uranio-Radio U Pb-206 4n+3 Uranio-Actinio U Pb-208 Magnitudes y unidades radiológicas Magnitud Definición Unidad Sistema Internacional Otros Actividad Nº de desintegraciones por 1 Becquerelio = 1 Bq = 1 Curio = 1 Ci 13

14 unidad de tiempo 1 d.p.s(desintegración por segundo) = Bq Exposición Carga total dee iones liberada por unidad de masa de aire (válido en aire seco) 1 Culombio/kilogramo = 1 C/kg 1 Roentgen = 1 R = C/kg Tasa de exposición Exposición por unidad de tiempo 1 C/kg s 1 R/s, 1 R/h Dosis absorvida Energía depositada por unidad de masa de material (Análoga a la exposición pero para materiales) 1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 100 ergios/gramo 1Gy = 100 rad Tasa de dosis absorvida Dosis aabsorvida por unidad de tiempo 1 Gy/s rad/h, rad/min Dosis equivalente La dosis absorvida produce efectos distintos según el tipo de radiación, por eso se define la dosis equivalente que es independiente de la radiación que la haya producido. 1 Sievert = 1 Sv 1 rem, 1Sv = 100 rem Dosis efectiva Suma ponderada de las dosis equivalentes en los distintos órganos 1 Sievert = 1 Sv 1 rem 1 Sv = 100 rem Radiactividad artificial o inducida. Reacciones de bombardeo. En los últimos 50 años se han obtenido en el laboratorio más de 1200 isótopos radiactivos. El número de isótopos por elemento químico varía desde uno (hidrógeno y boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se obtienen por reacciones de bombardeo, en las que un núcleo estable se transforma en radiactivo. Una reacción típica de bombardeo se produce, por ejemplo, cuando se bombardea el isótopo estable del aluminio Al con neutrones, al absorber un neutrón se transforma en el isótopo Al que es inestable y se desintegra con emisión de un electrón formando un isótopo estable de silicio, Si. Este proceso se representa mediante las ecuaciones nucleares: Al n ---> Al, para la reacción de bombardeo con neutrones Al ---> Si e, para reacción de desintegración. 14

15 Los primeros isótopos radiactivos artificiales fueron elaborados, en 1934 por Irene Curie ( ) y Frédéric Joliot ( ), bombardeando isótopos estables con -30 radiactivo y se libera un neutrón, se representa mediante la ecuación nuclear: Al He ---> P n El fósforo-30, que es radiactivo, se desintegra emitiendo una partícula llamada positrón, que tiene la misma masa que un electrón pero con carga +1 ( 1 0 e, e + ), este proceso se representa mediante la ecuación nuclear: P ---> Si e se emiten positrones pero es frecuente en la desintegración en la radiactividad inducida. Se puede observar en la ecuación de desintegración del fósforo-30, que el resultado de la emisión de un positrón es la transformación de un protón del núcleo en un neutrón (el P tiene 15 protones y 15 neutrones y el Si tiene 14 protones y 16 neutrones). La emisión de positrones se produce en los isótopos ligeros con núcleos poco estables, debido al bajo contenido de neutrones. Por ejemplo, el isótopo del carbono-11, 6 11 C, (tiene 6 protones y 5 neutrones) se desintegra formando el boro ( 5 11 B) y con la emisión de un positrón, dicho proceso de desintegración se representa mediante la ecuación nuclear siguiente: 6 11 C ---> 5 11 B e 6 14 C ---> 7 14 N e Una aplicación de las reacciones de bombardeo es la obtención de elementos químicos muy pesados. Quienes más han contribuido en este campo son los norteamericanos Glenn Theodore Seaborg (1912- ), Albert Ghiorso y sus colaboradores y el grupo ruso dirigido por G. N. Flerov. Seaborg propuso el uso de núcleos muy pesados como partículas de bombardeo para sintetizar elementos químicos de número atómico mucho más grande que cualquier otro conocido. Para utilizar este procedimiento se requiere de grandes aceleradores y por este método se sintetizaron elementos químicos con números atómicos más grandes que el del uranio (del 93 al 106). El bombardeo con neutrones es efectivo para sintetizar los siguientes elementos químicos al uranio, pero el rendimiento decrece rápidamente al aumentar el número atómico. Por lo que, para sintetizar elementos químicos muy pesados es necesario bombardear blancos apropiados con iones positivos de alta energía, acelerados a velocidades muy altas. Es posible conseguir un aumento grande del número atómico, utilizando como partícula de bombardeo el carbono-12. Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con neutrones. 15

16 Uranio > Neptunio-239: U n ---> U ---> Np Neptunio > Plutonio-239: Np ---> Pu e Plutonio > Americio-241: Pu n ---> Pu ---> e Am Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con iones positivos. Plutonio > Curio-242: Pu He ---> Cm n Curio > Californio-245: Cm He ---> Cf n Uranio > Californio-246: U C ---> Cf n Californio > Elemento 104: Cf C ---> Unq n Californio > Elemento 105: Cf N ---> Unp n Californio > Elemento 106: Cf O ---> Unh n Nota. Los investigadores Estadounidenses propusieron los nombres de Rutherfordium y Hahnium para los elementos químicos 104 respectivamente y los investigadores rusos propusieron Bohrium y Kurchatovium. La Unión Internacional de Química Aplicada propuso los nombres de Unnilquadium, Unq; Unnilpentium, Unp; y Unnilhexium, Unh, para los elementos químicos 104, 105 y 106 respectivamente.los isótopos de los elementos muy pesados tienen un periodo de vida media muy cortos. La mayor parte de ellos han sido sintetizados en cantidades muy pequeñas, en algunos casos sólo unos pocos átomos. Uno de los grandes logros de los investigadores de estos elementos químicos es su habilidad para estudiar sus propiedades con muestras inferiores a los microgramos. Las evidencias químicas y físicas de los elementos químicos del 89 (Actino, Ac) al 102 (Nobelio, No) forman una serie de tierras raras, al ir completando el subnivel 5f. El elemento químico 103 forma una nueva serie de elementos químicos de transición.. 16