Radiaciones, ser humano y medio ambiente. María Eugenia Pérez

Transcripción

1 Radiaciones, ser humano y medio ambiente María Eugenia Pérez

2 1- Núcleo atómico 2- Radiactividad 3- Modos de decaimiento 4- Cinética de decaimiento radioactivo 5-Tabla de nucleidos

3 Núcleo atómico Fue descubierto por Rutherford en 1911 Experimentos: Partícula a incide sobre una lámina de oro Observó: ü la mayoría de las partículas atravesaban la lámina ü algunas se desviaban ü muy pocas retrocedían Esta experiencia implicaba: - los átomos estaban casi vacíos - hay una zona cargada positivamente, responsable de las desviaciones y de los choques.

4 Núcleo Un Sistema cuántico compuesto de protones y neutrones NUCLEONES Partículas de igual masa y el mismo momento angular (spin) 1/2 Protón: 1 unidad de carga eléctrica positiva Neutrón: sin carga eléctrica

5 Número atómico (Z) : número de protones Número de neutrones (N) Número másico (A) = Z + N El núcleo también se caracteriza por: ü Tamaño: r núcleo = m vs r atómico = x10-10 m ü Forma: algunos esféricos, elipsoidales, etc. ü Energía de unión ü Momento angular ü Tiempo de vida media

6 NUCLEIDO ütipo de átomo con un número definido de protones y neutrones, distribuidos con un determinado orden dentro del núcleo ües la unidad en Radioquímica, así como el elemento es la unidad en Química üse conocen hasta el momento unos 117 elementos y mas de 2000 nucleidos üsolamente 275 son estables ütodo el resto son radiactivos

7 Definimos Isótopo 1 H 2 H 12 C 14 C 32 S 35 S Mismo elemento Diferente nº de neutrones Diferente A (número másico) Isótono P 28 10Ne N = 18 Mismo nº de neutrones Isóbaro 64 28Ni Cu Zn Mismo número másico (A) Diferente número atómico (Z) Isómero 99 Tc 99m Tc Diferentes estados excitados de los núcleos m X estado excitado Sin m estado fundamental

8 Propiedades nucleares RADIO NUCLEAR Radio nuclear es la distancia al centro para la cual la densidad de empaquetamiento disminuye a la mitad Representación del núcleo, formado por protones y neutrones densamente empacados Repulsión

9 La energía de unión de un núcleo es la energía que lo mantiene unido Varía de núcleo a núcleo se incrementa cuando A aumenta

10 Energía del núcleo Atómico ü La distribución de los nucleones (protones+neutrones) dentro del núcleo determina la energía de éste. ü Existe: ü un estado fundamental nuclear (mínima energía) y estados excitados (estados alternativos de mayor energía). ü El pasaje de un núcleo excitado al estado fundamental (desexcitación) va acompañada, al igual que la de los electrones, por la emisión de radiación electromagnética (radiación gamma).

11 üacción de fuerzas nucleares: atractivas entre los nucleones üson de rango muy corto (~2x10-15 m) üson extremadamente intensas (100 veces mayores que las electromagnéticas y 1035 veces superiores a la gravedad) üson independientes de la carga üse producen por intercambio de partículas virtuales UNIÓN DE LOS NUCLEONES

12 Energía del núcleo Atómico Fuerzas nucleares Las fuerzas nucleares se producen por intercambio de gluones, partículas virtuales con masa y carga eléctricas nulas y con spin igual a uno, intercambiadas entre los quarks que constituyen a los nucleones.

13 Energía del núcleo Atómico Energía de ligadura A pesar de la gran repulsión electrostática en los núcleos de alto Z, el núcleo no se separa en las partículas que los constituyen. POR QUÉ? El camino por el cual el núcleo libera su exceso de energía será el energéticamente más favorable. Aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo como tal es más favorable que la separación en los nucleones que lo constituyen.

14 La teoría de la relatividad establece que la masa es una forma de energía y la teoría de conservación de la energía se extiende a la suma de ambas magnitudes. El equivalente entre masa y energía está dado por E = mc 2 Se cumple que: E (MeV) = m (umas) x 931.5

15 La masa de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen. Esa diferencia se denomina defecto de masa ( m) y es equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta en mantener juntos a sus nucleones ( energía de ligadura). La energía de ligadura/nucleón es una medida de la estabilidad del núcleo.

16 EJEMPLOS 12 6 C p+ =6; n=6; e- = 6 Dm 12 C = 6 x (m p + m n + m e ) = umas. E l 12 C = MeV E l /nucleón 12 C = 7.68 MeV/nucleón 14 C p+ =6; n=8; e- = 6 Dm 14 C = 6 x (m p + m e )+ 8 x + m n = umas. E 14 l C = MeV E l /nucleón 14 C = 7.52 MeV/nucleón

17 Estabilidad nuclear üel núcleo es intrínsecamente inestable debido a la repulsión electrostática entre los protones. üel balance repulsión-atracción determina si un nucleido es estable o radiactivo. üla relación entre N y Z es de fundamental importancia en dicho balance.

18 Cada nucleido puede tener varios nucleidos estables Cinturón de estabilidad Estudiando la relación N/Z del nucleido: Z < < Z < 83 1 < N/Z < 1.5 Z > 83 todos los nucleidos son radiactivos Cuando N/Z cae fuera del cinturón de estabilidad el nucleido es radiactivo

19 El modo de decaimiento será aquel que acerque al radionucelido a la estabilidad Si N/Z > estabilidad n > p + + e - Emisión b - Si N/Z < estabilidad p > n + e + ` p + + e > n Emisión b+ Captura electrónica Los radionucleidos con Z > 83 deben disminuir rápidamente la cantidad total de nucleones para acercarse a la estabilidad A Z X > A-4 Z-2Y + 4 2He Partícula a

20 ü En la transformación el núcleo puede quedar con exceso de energía (estado excitado nuclear) ü Decae al estado fundamental por emisión g ü También existen otros modos de decaimiento: ü Fisión espontánea ü Emisión de protones ü Emisión de fragmentos pesados

21 Radiactividad ü Es un proceso espontáneo de transformación de un nucleido en otro con emisión de energía (radiación) ü El proceso de Decaimiento Radiactivo es al azar y la probabilidad de ocurrencia es propia de cada nucleido y no se ve afectada por las condiciones físicas o químicas en las que el mismo se encuentre. ü Al radionucleido que experimenta el proceso se le denomina "padre" (P) y al decaer se convierte en el nucleido "hijo" (H), el cual puede ser estable en cuyo caso permanecerá como tal o ser también radiactivo convirtiéndose en un nuevo núcleo " nieto", etc. ü P H + partículas o radiaciones + Energía

22 Tipos de decaimiento Radiactivo Los más frecuentes e importantes son 3 y se denominan: alfa (α), beta (β) y gamma (γ).

23 Proceso por el cual un núcleo atómico inestable pierde energía emitiendopartículas ionizantes o radiación electromagnética Exceso de energía se libera como: Energía cinética de las partículas Radiación electromagnética El decaimiento radioactivo es siempre EXERGÓNICO

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25 Todos los nucleidos inestables al decaimiento b - se encuentran en el lado rico en neutrones A Z X à A Z+1Y + 0-1e + n + E Durante el proceso un neutrón es convertido en un protón y se libera un electrón Un neutrón libre tiene una vida media de 10.2 min y decae por emisión beta n à p + + b - + n El número atómico se incrementa (+1) y el nucleido baja hacia una condición más estable

26 Junto con la emisión de la partícula b se emite una partícula neutra y de masa muy pequeña: ANTINEUTRINO Las partículas b no son monoenergéticas Presentan un espectro continuo de energía E máx = mc 2 La energía del decaimiento es compartida entre las partículas en relación inversa Generalmente la energía de la partícula b se especifica como E bmáx La energía más probable es 1/3 de E máx

27 Algunos ejemplos de emisores b puros: Trazadores 3 H 14 C

28 Muchas transiciones b no van al estado de menor energía del núcleo del hijo, van a un estado excitado Desexcitación Ejemplo: Emisión de radiación g

29 Es muy común que haya más de una transición g g 1 = ( ) = kev g 2 = ( ) = kev Ambas radiaciones g están en cascada y pueden se coincidentes o no

30 Todos los nucleidos inestables al decaimiento b + se encuentran en el lado deficiente en neutrones A Z X à A Z-1Y e + n + E Durante el proceso un protón es convertido en un neutrón y se libera un positrón Del decaimiento b + resulta un átomo hijo con una unidad menos de número atómico Cu à 64 28Ni + b + + n (neutrino)

31 Durante el proceso de decaimiento se emite un positrón (antielectrón) La energía se conserva con la aparición de un neutrino El espectro del positrón es análogo al del electrón Esta reacción requiere un electrón Producción de pares El electrón se combina con un protón y se emite un positrón (valor crítico de la energía 1022 kev)

32 El positrón va siendo frenado hasta encontrar un electrón Coexisten como un positronio ANIQUILACIÓN Para conservar el momento, los fotones son emitidos en direcciones opuestas

33 Se da cuando la energía disponible no supera los 1022 kev En nucleidos deficientes en neutrones cerca de la estabilidad A Z X + 0-1e à A Z-1Y + n + E Un electrón es capturado por el núcleo para convertir el protón en un neutrón

34 Captura de un electrón de la capa K Captura de otras capas cuando Energía de decaimiento La vacancia en la capa K es llenada por otro electrón de una capa más externa (Posibilidad 1)

35 Cuando no se produce fluorescencia de rayos X Electrones Auger (Posibilidad 2) L 2,3 L 1 Electrón Auger La emisión de rayos X aumenta cuando aumenta Z (el campo de fluorescencia es mayor) K El reacomodo electrónico se produce luego de la CE Los rayos X emitidos son característicos del hijo

36 Para los nucleidos deficientes en neutrones con energía potencial de decaimiento un poco por encima de 1022 kev Ejemplo: Deacaimiento b + y CE

37 Es el modo de decaimiento de nucleidos de alto número atómico Z>83 La emisión de una partícula α es la emisión de un núcleo de 4 2He El núcleo pierde dos unidades de masa y dos unidades de carga A Z X à A-4 Z-2Y + 4 2He + E La partícula α es monoenergética (no existen neutrinos que lleven una fracción variable de energía) Ejemplo: Ra à Rn + 4 2He + E

38 Para bajos Z de decaimiento α, la emisión lleva a núcleos directamente al estado fundamental del hijo Mientras para nucleidos más pesados el decaimiento α, puede llevar a estados excitados del hijo Un ejemplo de ello es el 228 Th

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40 Proceso de decaimiento natural Un núcleo pesado se divide espontáneamente en dos fragmentos de fisión Se produce en núcleos con Z>90 La driving force es la liberación de energía (aprox. 200 MeV) También puede estar inducida por bombardeo con neutrones Se produce por efecto túnel Cf à Xe Ru + 1 0n + E

41 Cada fisión da lugar a dos fragmentos emitidos en dirección opuesta Los fragmentos de fisión son iones positivos de peso medio Distribución de masas característica La fisión es predominantemente asimétrica: Fragmentos agrupados en un grupo liviano y en un grupo pesado Barrera de fisión: energía necesaria Para deformar un núcleo esférico en dos casi esféricos

42 Cinética del decaimiento radiactivo El decaimiento radiactivo es un proceso al azar Sólo podemos establecer el número de átomos desintegrados por unidad de tiempo. La probabilidad de decaimiento es característica de cada nucleido e independiente de las condiciones físicas y químicas.

43 Número de núcleos que se desintegran por unidad de tiempo (velocidad de desintegración) N: número de núcleos radioactivos l: constante de decaimiento El decaimiento radioactivo es un proceso espontáneo y al azar Unidades de actividad: Curie (Ci) = 3.7 x desintegraciones/segundo (dps) Históricamente actividad de 1g de Ra Becquerel (Bq) = 1 dps o x Ci (SI)

44 Constante de decaimiento (λ) ü Probabilidad de que un átomo se desintegre en la unidad de tiempo. ü Es característico de cada radionucleido Unidades Inversa de tiempo ( s -1, h -1, d -1 )

45 Período de semidesintegración (t 1/2 ) ü Tiempo en el cuál la actividad de la muestra o el número de átomos de la misma disminuye a la mitad. ü Es característico de cada radionucleido al igual que λ t 1/2 = Ln 2/ λ Unidades Unidades de tiempo ( s, d, h, a)

46 Gráfica de decaimiento radiactivo

47 A λ B + X A= A0 -λt

48 Actividad por unidad de masa de una fuente radioactiva µci/g, mci/g, etc Actividad contenida en una cierta unidad de volumen µci/ml, mci/l, etc

49 Tabla de nucleidos ü Ordena en forma sistemática la información disponible acerca de los nucleidos conocidos. ü Especie de gráfica de Z vs N ü Cada cuadrado en la Tabla representa un nucleido y contiene información sobre modo de decaimiento, período de semidesintegración, energía de la radiación, etc. ü Cada fila de la Tabla contiene todos los isótopos de un mismo elemento y cada columna todos los isótonos.

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