Tema 6 Radiactividad en el Laboratorio

Transcripción

1 Departamento de Física Universidad de Jaén Tema 6 Radiactividad en el Laboratorio Jose A. Moleón. Dpto. de Física 1

2 Características de la Radioactividad. Efectos biológicos. Protección y medidas de seguridad. Descontaminación. 2

3 a- Características de los Isótopos radiactivos. Introducción. Cadenas de desintegración. Radiactividad natural y artificial. 3

4 Introducción Átomo: electrones, protones (número atómico Z) y neutrones (N). Número de masa A = Z + N. Radio nuclear: R = R 0 A 1/3. R 0 = m. (a 0 = m). 4

5 Introducción Núcleo Atómico: protones (número atómico Z) y neutrones (N). Número de masa A = Z + N. Isótopos: igual Z, diferentes A y N. Hidrógeno, Deuterio, Tritio. Helio, 3 He, 4 He (partícula ). Fuerza entre nucleones: fuerza nuclear fuerte (o hadrónica). Muy fuerte y disminuye muy rápido con la distancia. 5

6 6

7 Introducción Energía de enlace por cada partícula del núcleo: la masa de un núcleo es menor que la masa de sus partes ( m=e/c 2 ). En núcleos grandes la energía va disminuyendo mientras que la repulsión eléctrica entre protones aumenta con Z 2, por tanto, se llegará a una fisión espontánea. 7

8 Ley de decaimiento radiactivo Los núcleos radiactivos se desintegran en otros por emisión de: fotones, electrones, neutrones o alfa. Velocidad de desintegración no es constante en el tiempo, disminuye exponencialmente (pues las desintegración es un proceso estadístico): R R 0 e t N N 0 e t R - velocidad de desintegración - Constante de desintegración N - número de núcleos radiactivos en cada instante de tiempo 8

9 Ley de decaimiento radiactivo Tiempo de vida media. Periodo de Semidesintegración t 1 ln2 1/

10 Actividad Radiactiva La unidad en SI de desintegración radiactiva es el Becquerel (Bq), equivale a 1 desintegración/seg. La radiación que un gramo de radio emite en un segundo se llama Curie (ci): 1 ci = Bq Cadena de desintegración: un núcleo emite diversos tipos de radiaciones (alfa, beta y gamma) hasta llegar a elementos estables. 10

11 Tipos de emisión radiactiva alfa, beta y gamma 11

12 Tipos de emisión radiactiva Desintegración Beta: Se produce en núcleos que tienen exceso o defecto de neutrones: - : neutrón = protón + electrón + neutrino (1957). Z =Z+1; E=0.782MeV - + : protón = neutrón + positrón + neutrino Z = Z

13 Tipos de emisión radiactiva Ejemplo de Desintegración : 14 C 14 N+ + energía. Periodo de semidesintegración: 5730 años. Datación por carbono 14: la cantidad de 14 C en un organismo vivo es fija dando 15.0 desintegraciones por minuto y gramo. Midiendo esta cantidad para un organismo muerto podemos datarlo. Ejemplo: 3.75 des./min gr. 15/2 7.5/ = años 13

14 Desintegración alfa: Los núcleos pesados (Z > 83) son teóricamente inestables y pueden emitir una partícula (2 protones y 2 neutrones): Z = Z -2; A = A -4. El núcleo resultante suele ser radiactivo y vuelve a emitir partículas o, transformándose de nuevo en otro elemento. Tipos de emisión radiactiva La partículas de fuentes radiactivas naturales tienen una energía entre 4-7 MeV. 14

15 Tipos de emisión radiactiva Desintegración gamma: Consiste en la emisión de un fotón por parte de un núcleo, que pasa de un estado de energía superior a otro inferior. Como no hay emisión de partículas los números atómico y de masa no cambian. Los cambios de energía son del orden de un MeV. Por tanto, = hc/e =1240 nm (en átomos y en enlaces químicos son del orden de ev). 15

16 Tipos de emisión radiactiva 16

17 Radiactividad natural y artificial Radiactividad Natural: Todos los elementos químicos se formaron en reacciones nucleares estelares, por tanto, los isótopos radiactivos ya estaban cuando se formó la Tierra (4 mil millones de años). Sólo quedan los que tienen una vida media mayor y sus descendientes, según sus series radiactivas naturales: Serie del torio (serie 4n, años). Serie del uranio-radio (serie 4n+2, 10 9 años). Serie del uranio-actinio (serie 4n+3, 10 8 años). Serie del Neptunio (serie 4n+1, 10 6 años, ya agotada ). Todas acaban en plomo. Sirven para datar la Tierra. 17

18 Radiactividad natural y artificial Las fuentes de radiactividad artificial son aquellas producidas como resultado de alguna actividad humana: obtención artificial de núcleos radiactivos por reacciones nucleares provocadas: a+x b+y; + 27 Al 13 n+ 30 P 15 El fósforo se desintegra por + en 2.5 min. Los reactores nucleares permiten obtener núcleos artificiales emisores, muy útiles en campos como metalurgia o medicina. 18

19 Radiactividad natural y artificial Dos tipos de reacciones nucleares: Fisión: división de un núcleo pesado en dos (radiactivos). Fusión: unión de dos núcleos ligeros. 19

20 b- Efectos biológicos de las radiaciones. Interacción de neutrones con la materia. Interacción de partículas cargadas. Interacción de fotones con la materia. 20

21 La emisiones, tanto corpusculares como electromagnéticas, tienen capacidad de penetrar en la materia e interaccionar con ella. Partículas: mayor poder ionizante. Radiación: mayor penetración. 21

22 Neutrones Los Neutrones solo interaccionan chocando con núcleos: Dispersión elástica Dispersión inelástica (captura y emisión) Captura (forma iótopos) Fisión (reacción en cadena) Tienen alta penetración: en agua 3.2 cm para 2 MeV Clasificación: Lentos (E < 1 ev) Intermedios (1 ev < E < 0.5 MeV) Rápidos (E > 0.5 MeV) 22

23 Partículas Cargadas Ceden energía por choques elásticos o inelásticos con átomos o núcleos (muy rara): Ionización de los átomos: primaria o secundaria. Excitación de los átomos: los electrones volverán a caer emitiendo radiación electromagnética. Radiación de frenado: depende de la desaceleración. Alcance: es la distancia que una partícula, con incidencia normal, puede penetrar en un material. 23

24 Partículas Cargadas Partículas alfa: núcleos de helio-4, q =2 e -,m=4u. Ionización: I = E Recorrido: R = E Si E = 5 MeV I = pares iónicos en aire. R =3.52 cm en aire; 0.44 mm en tejido biológico. Pierden su energía en un recorrido muy corto que será rectilíneo, por tanto, la densidad de pares producidos es muy elevada. 24

25 Partículas Cargadas Partículas beta: electrones, positrones, q =e -, m =0. Ionización: entre pares/cm con energías entre 1-5 MeV. Curva de absorción: I (x) = I 0 e - x coeficiente de absorción lineal. Espesor de semirreducción 25

26 Partículas Cargadas Partículas beta: alcance máximo Energía (MeV) Alcance aire (mm) Alcance agua (mm) Alcance aluminio (mm) 0, , , , ,

27 Fotones Interacciones entre materia y energía: emisión-absorción transiciones de la materia entre dos estados energéticos Rayos X en átomos, Rayos gamma en núcleos. E=hf 27

28 Fotones Procesos de interacción entre materia y energía: Efecto Fotoeléctrico: La energía cinética del electrón: E = h f - W 0 E e capa k = = MeV La extracción de un electrón interior provoca la reordenación del átomo con emisión secundaria de rayos X. 28

29 Fotones 29

30 Fotones Efecto Compton: Colisión elástica entre un fotón y un electrón libre o de capas externas. Producción de Pares: 30

31 Fotones Atenuación-absorción de radiación electromagnética I(x) I 0 e x I -> Intensidad del fotón; -> Coeficiente de atenuación, depende del tipo de material y de la energía del fotón. 2 Coeficiente másico de atenuación: m (cm / g) Probabilidad de interaccionar con la materia por unidad de recorrido: f Son excluyentes: f para bajas energías, C para medias y pp para altas (figuras página siguiente). C pp 31

32 Fotones 32

33 Fotones Ejemplo de atenuación: fotones 0.3 MeV en 2 cm de material. mal =0.1cm 2 /g Al =0.1cm 2 /g 2.7 g/cm 3 =0.27cm -1 I(L) = I 0 e cm = I % de la inicial. mpb =0.3cm 2 /g Al =0.1cm 2 /g g/cm 3 =3.4cm -1 I(L) = I 0 e cm = I 0 11 % de la inicial. Espesor de semirreducción x 1/2 (con decaimiento exponencial no se puede definir el alcance). Para un fotón de 1 MeV: agua cm, hormigón 4.65 cm, aluminio cm, plomo cm Espesor de atenuación En plomo para llegar a 1 % x = cm 1 I 0 x ln I(x ) 33

34 Actividad Radiactiva: unidades Magnitud y símbolo Unidad Equivalencia en SI Unidad especial antigua Exposición (X) C/Kg C/kg Roëntgen (R) Dosis absorbida (D) Dosis equivalente (H) Gray (Gy) J/kg rad (rad) Sievert (Sv) J/kg rem (rem) Actividad (A) Becquerelio (Bq) Curie (Ci) Actividad de 1 gr de radio puro 1 R = 2,58E-4 C/kg 1 C/kg = 3876 R 1 rad = 1E-2 Gy = 1cGy 1 Gy = 100 rad 1 rem = 1E-2 Sv = 1 csv 1 Sv = 100 rem 1 Ci = 3,7E10 Bq = 3,7G Bq 1 Bq = 2,70E-11 Ci = 27 pci 34

35 Actividad Radiactiva: unidades Exposición (X): Carga eléctrica de un mismo signo recolectada por unidad masa de aire en condiciones normales de P y T. Dosis absorbida (D): Energía absorbida por unidad de masa de medio irradiado. Dosis equivalente (H): Dosis de radiación que produce los mismos efectos biológicos que una dosis absorbida de Rayos X de 0.2 MeV. H = D*EBR (siendo el EBR la eficacia Biológica Relativa, factor adimensional que multiplicado por la dosis absorbida de Rayos X de 0.2 MeV, nos da la dosis de radiación necesaria para producir un determinado efecto biológico). Actividad (A): Número de desintegraciones por minuto de una muestra radiactiva. 35

36 Actividad Radiactiva: unidades 36

37 Actividad Radiactiva: unidades Estocástico: probabilístico, aleatorio 37

38 38

39 39

40 c- Proteción Radiológica. Real Decreto 783/ de julio, por el que se aprueba el reglamento de protección sanitaria contra radiaciones ionizantes. Real Decreto 815/ de julio, sobre justificación del uso de radiaciones ionizantes para la protección radiológica de las personas con ocasión de exposiciones médicas. Real Decreto 1132/ de septiembre, por el que se establecen medidas fundamentales de Protección Radiológica de las Personas sometidas a Exámenes y Tratamientos Médicos. (BOE 18 de sept). Real Decreto 1976/1999 de 23 de diciembre por el que se establecen los Criterios de Calidad en Radiodiagnóstico(B.O.E. nº 311, de 29 de dic.). Real Decreto 413/1997 de 21 de marzo, sobre protección operacional de los trabajadores externos con riesgo de exposición a radiaciones ionizantes por intervención en zona controlada (BOE nº 91, de 16 de abril). Real Decreto 1841/1997 de 5 de diciembre, por el que se establecen los Criterios de Calidad en Medicina Nuclear(BOE nº 303, de 19 de dic.). Real Decreto 1566/1998 de 17 de julio, por el que se establecen los Criterios de Calidad en Radioterapia (BOE nº 206, 28 de agosto). 40

41 Protección radiológica Control de Exposición 86 % Radiación natural, 10 % Rayos X, 4 % Medicina nuclear. a) Control de exposición interna: Usar guantes y prendas protectoras y no tocarse la piel. Usar mascarillas en caso de volatilidad del material usado. No comer, beber, etc. donde haya material radiactivo. No almacenar alimentos en estas áreas. Realizar semanalmente tests de radiación. b) Control de exposición externa: Minimizar el tiempo. Maximizar la distancia ( r -2 ). Utilizar blindajes (espesores según ya hemos visto). 41

42 Límites de Dosis: Protección radiológica Comisión Internacional de Protección Radiológica Ministerio de trabajo y asuntos sociales 42

43 Protección radiológica Derramamientos, accidentes, situaciones especiales: Desalojar inmediatamente. Prevenir la diseminación del material o del personal afectado. Notificar, solicitar ayuda y requerir instrucciones a los responsables correspondientes. Descontaminar al personal (ropa, usar agua y detergente). Descontaminar el área afectada y aislar todo el material contaminado. Controlar el área con detectores. 43

44 d- Medidas de seguridad y técnicas de trabajo. Utilización de dosímetros personales: film fotográfico, termoluminiscente o cámara de ionización de bolsillo. Señalización: signo internacional e indicaciones con texto. 44

45 Medidas de seguridad y técnicas de trabajo Instalaciones adecuadas. Calibraciones y mantenimiento periódico por personal autorizado. Personal técnico cualificado para el manejo de dispositivos de radiación. Formación continúa. 45

46 e- Descontaminación. Eliminación de contaminación externa: lavado con agua y detergentes específicos (Hipocloríto de sodio, alcohol) o incluso normales (jabón). (el agua debe tratarse después como residuo radiactivo). Eliminación de contaminación interna: por vías metabólicas normales o con algún medicamento para acelerar estos procesos. 46

47 e- Descontaminación. Eliminación de contaminación en instalaciones: blindaje con metales, hormigon, etc. Eliminación de contaminación en tierra: tiempo (?) o enterramiento (?). Fukushima: 2000 km 2, 100 mill. de m 3. Zonas marinas cercanas: dispersión o acumulación?? 47