Física Nuclear página 1 de 8. Radiactividad

Transcripción

1 Física Nuclear págia de 8 Radiactividad La radiactividad es u feómeo atural o provocado por el que ciertos elemetos, emite partículas o radiacioes electromagéticas que provoca la impresió de las placas fotográficas, ioiza gases, atraviesa objetos e icluso puede provocar alteracioes e el comportamieto de las células de los seres vivos. Estas emisioes radiactivas fuero descubiertas por Hery Becquerel que observó como uos trozos de pechbleda le estropearo uas placas fotográficas que teía almaceadas debajo de ellos. Resultaba sumamete curioso que este mieral presetase ua actividad mayor que el uraio puro. El trabajo de búsqueda y aislamieto de los elemetos que acompañaba al uraio. Este trabajo fue ecargado a Pierre y Marie Curie, después de remover ocho toeladas de este mieral, lograro aislar u gramo de cloruro de radio, además de descubrir el poloio. Estos cambios se produce e el úcleo atómico (reaccioes ucleares). Las emisioes radiactivas puede ser de distitos tipos y por ello sus efectos será diferetes. El úcleo de uraio 238 emite ua partícula α (alfa) que es simplemete u úcleo de helio y se trasforma e u úcleo de thorio 234. A cotiuació el thorio puede emitir ua partícula β (u electró) que se produce e el úcleo por trasformació de u eutró e u protó y u electró. Es cosecuecia de la iteracció débil que se produce e el úcleo atómico se cosidera que las partículas portadoras so los bosoes Z, W + y W.

2 Física Nuclear págia 2 de 8 A veces, tras la emisió de partículas α o β, para alcazar ua situació más estable, el úcleo debe emitir radiació electromagética de alta eergía (radiació γ gamma) Se llama radiacioes ioizates aquellas que tiee la capacidad de producir ioes e el aire. Las radiacioes α tiee carga positiva puesto que so desviadas e u campo eléctrico hacia el electrodo egativo, por el cotrario la radiació β tiee carga egativa, siedo atraída por el electrodo positivo e el seo de u campo eléctrico, por último la radiació γ o se desvía e el seo de u campo eléctrico lo que implica que o tiee carga. La capacidad de peetració de las emisioes radiactivas varía siedo la mayor para la radiació γ que solo es deteida por ua gruesa capa de hormigó, u meor para la radiació β que es deteida por ua lámia metálica y muchísimo meor para la radiació α que es deteida por u papel o uestra propia piel. Así la peligrosidad para uestro orgaismo de u emisor radiactivos cuado está fuera de uestro cuerpo es de mayor a meor γ, β y α por el cotrario si el emisor está detro de uestro orgaismo la peligrosidad es la iversa α, β y γ. Radiactividad atural La radiactividad se debe a la iestabilidad de alguos isótopos. Estos isótopos trata de llegar a ua situació de mayor estabilidad cambiado su composició uclear o emitiedo eergía e forma de radiació electromagética o, lo que es más comú, haciedo varias de estas cosas de forma cosecutiva. El proceso puede darse de forma espotáea e la aturaleza y decimos etoces que se trata de radiactividad atural. Estabilidad de isótopos radiactivos. Image tomada de quimica4m.blogspot.com

3 Física Nuclear págia 3 de 8 La gráfica represeta los isótopos existetes, e el eje horizotal el úmero atómico y e el vertical el úmero de eutroes. Cuado u isótopo está fuera de la zoa de estabilidad trata de ir a ella mediate la emisió de partículas α, β o radiació γ. Ley de la desitegració radiactiva Como se puede ituir cualquier úcleo que emite radiació α o β se trasforma e otro distito co lo que se puede decir que el primer úcleo se ha desitegrado. Se trata de u proceso espotáeo y al azar. Si el úmero de úcleos es N la velocidad co que desaparece vedrá dada por su derivada co respecto al tiempo y será proporcioal al úmero de úcleos existetes N. La costate de proporcioalidad es λ y recibe el ombre de costate de desitegració radiactiva: Si cosideramos el tiempo que tarda e reducirse a la mitad el úmero iicial de úcleos: La actividad de ua sustacia radiactiva se defie como el úmero de emisioes por uidad de tiempo, o lo que es lo mismo el úmero de úcleos que se desitegra e la uidad de tiempo. La uidad de actividad es el Becquerel (Bq) Las radiacioes emitidas por las sustacias radiactivas tiee u poder ioizate que o puede detectar los seres humaos. No obstate estas si puede detectarse mediate el uso de aparatos de medida como los cotadores Geiger y otros detectores Existe varias uidades de medida de la radiació ioizate, uas tradicioales y otras del SI. Uidades tradicioales: so el Rötge, el Rad., el REM. Uidades del SI: so las más utilizadas el Culombio/kg, el Gray (Gy) y el Sievert (Sv). El roetge se utiliza para cuatificar la exposició radiométrica, es decir, la carga total de ioes liberada por uidad de masa de aire seco e codicioes estádar de presió y temperatura. Equivale a la exposició de ua uidad electrostática de carga liberada e u cetímetro cúbico de aire. E las uidades del SI, es la exposició recibida por kg de aire si se produce u úmero de pares de ioes equivalete a 2,58-4 C. roetge = R = 2,58-4 C/kg. rad era la uidad de dosis absorbida. Su equivalecia es rad=, Gy rem (uidad para idicar la peligrosidad de ua radiació) era la uidad de dosis equivalete y de dosis efectiva, equivalete a rad para rayos gamma. rem=, Sv

4 Física Nuclear págia 4 de 8 La dosis absorbida es ua magitud utilizada e Radiología y Protecció radiológica, para medir la catidad de radiació ioizate recibida por u material y más específicamete por u tejido o u ser vivo. La dosis absorbida mide la eergía depositada e u medio por uidad de masa. La uidad e el Sistema Iteracioal es el J/kg, que recibe el ombre especial de gray (Gy) Gy = rad. No obstate este o es u bue idicador de los efectos biológicos de la radiació sobre los seres vivos, Gy de radiació alfa puede ser mucho más ociva que Gy de fotoes, por ejemplo. Debe aplicarse ua serie de factores para que los efectos biológicos sea reflejados, obteiédose así la dosis equivalete. El riesgo de efectos estocásticos debidos a la exposició a ua radiació puede ser medido co la dosis efectiva, que es u promedio poderado de la dosis equivalete de cada tejido expuesto, tomado e cueta la sesibilidad de las poblacioes celulares que los forma. La uidad de estas dos últimas magitudes es el sievert. El sievert (símbolo Sv) es ua uidad derivada del SI que mide la dosis de radiació absorbida por la materia viva, corregida por los posibles efectos biológicos producidos. Sv es equivalete a u julio por kilogramo (J kg - ). Se cumple la equivalecia Sv = Gy para las radiacioes electromagéticas (Rayos X y gamma) y los electroes, pero para otras radiacioes debe utilizarse u factor corrector: 2 para la radiació alfa, de a 2 para eutroes,...). Esta uidad es utilizada para medir diferetes magitudes usadas e protecció radiológica, como la dosis equivalete, la dosis colectiva, la dosis ambietal o la dosis efectiva etre otras, cada ua de ellas corregida o "poderada" por distitos factores que refleja distitos aspectos, como la Eficiecia Biológica Relativa (RBE e iglés). Sítomas e los humaos a causa la radiació acumulada durate u mismo día (los efectos se reduce si el mismo úmero de Sievert se acumula e u periodo más largo): -,25 Sv: Niguo,25 - Sv: Alguas persoas siete áuseas y pérdida de apetito, y puede sufrir daños e la médula ósea, gaglios lifáticos o e el bazo. - 3 Sv: áuseas etre leves y agudas, pérdida de apetito, ifecció, pérdida de médula ósea más severa, así como daños e gaglios lifáticos, bazo, co recuperació solo probable. 3-6 Sv: áusea severa, pérdida de apetito, hemorragias, ifecció, diarrea, descamació, esterilidad, y muerte si o se trata. 6 - Sv: Mismos sítomas, más deterioro del sistema ervioso cetral. Muerte probable. Más de Sv: parálisis y muerte. Sítomas e humaos por radiació acumulada durate u año, e milisieverts ( Sv= msv): 2.5 msv: Radiació media aual global msv: Valores aturales medios e [Guarapari] (Brasil) y e [Ramsar] (Ira). Si efectos ocivos.6.9 msv: Escáer CT msv: Límite para trabajadores de preveció y emergecia, respectivamete. El úcleo del átomo El úcleo está formado por protoes y eutroes que a su vez está costituidos por quarks. E el mometo e que Rutherford platea su modelo uclear del átomo ya se ituye que el úcleo está costituido por partículas positivas (protoes) y que tiee que haber otras partículas eutras (eutroes) fue él mismo quie platea la ecesidad de su existecia e 98 auque éstas o so descubiertas hasta 932 por Chadwick Los protoes y los eutroes está costituidos por otras partículas meores quarks descubiertas e las décadas de 96 y 97. Estas partículas está formado parte de los protoes y de los eutroes e grupos de tres y tiee carga ± /3 o ± 2/3 la uidad atural de carga (,6-9 C). Tambié forma parte de los mesoes.

5 Física Nuclear págia 5 de 8 Hay seis tipos de quarks: up (u), dow (d), top (t), botto (b), charme (c) y strage (s) auque los cuatro últimos tiee ua vida tremedamete corta. Los protoes está formados por dos quarks up y uo dow mietras que los eutroes está formados por dos dow y uo up. El úcleo está costituido por ucleoes (eutroes y protoes). El úmero de protoes de u úcleo es el úmero atómico (Z) y es característico de cada elemeto químico. El úmero total de eutroes y protoes se llama úmero másico (A). Los átomos del mismo elemeto que tiee diferete úmero másico se llama isótopos. Las partículas que forma el úcleo está e u espacio muy reducido. A distacias meores que -5 m o fm (femtómetro tambié llamdo Fermi e Física Nuclear) prevalece la fuerza uclear fuerte que es resposable de la cohesió del úcleo atómico. Se trata de ua fuerza siempre atractiva e idepediete de la carga que se maifiesta a distacias muy cortas y que supera co mucho las fuerzas de repulsió electrostática etre los protoes. Es importate teer e cueta que esta fuerza desaparece a distacias mayores. Se trata pues de fuerzas de corto alcace a diferecia de las fuerzas gravitatoria y electromagética. Las partículas materiales so de dos tipos: Leptoes (o está sometidas a la fuerza uclear fuerte): electró, muó, tauó, eutrios Hadroes (sometidas a la fuerza uclear fuerte) y formadas por quarks: protoes, eutroes, mesoes. Además cada partícula tiee su atipartícula correspodiete. Las atipartículas sería: positró (atipartícula del electró), atiprotó, atieutró, atieutrio... Cuado ua partícula se ecuetra co su atipartícula se aiquila desprediedo eergía, al cotrario u fotó suficietemete eergético puede dar lugar a u par partícula atipartícula. Eergía de elace El úcleo es estable y para destruirlo o al meos extraer de él ucleoes es ecesario aportar eergía. Si lo que pretedemos es descompoer el úcleo e sus compoetes teemos que aportar la misma eergía que se libera e el mometo de su formació. Esta eergía es la eergía de elace.

6 Física Nuclear págia 6 de 8 Represetado la eergía por ucleó frete al úmero atómico se obtiee ua gráfica como la que se idica a cotiuació: Reaccioes ucleares E estos procesos solamete iterviee los úcleos atómicos que puede ser bombardeados por partículas subatómicas o co otros úcleos y da lugar a uevos úcleos distitos a los primeros. Siempre se cumple e ua reacció uclear que la suma de los úmeros atómicos permaece costate así como la suma de los úmeros másicos N 6C+ p Estas reaccioes e ocasioes se produce de forma atural dado lugar a trasmutacioes e los úcleos que tiee lugar por emisió de partículas α, β o radiació γ e varios pasos cosecutivos hasta que se forma u úcleo estable. Estos procesos se cooce como series radiactivas y so tres:

7 Física Nuclear págia 7 de 8 serie tipo elemeto T (años) estable Torio Th,4 28 Pb Neptuio Np 2, Bi Uraio U 4, Pb Actiio Ac 7, Pb Cuado u úcleo emite ua partícula α se forma otro que tiee como úmero atómico dos uidades meos que el aterior y su úmero másico dismiuye e cuatro uidades. Si lo que se emite es ua partícula β esto se debe a que u eutró se trasforma e u protó y u electró por lo que el úmero atómico aumeta e ua uidad y el úmero másico permaece costate. Estas dos leyes del desplazamieto radiactivo fuero euciadas de forma idepediete por Soddy y Fajas. 84Po Pb He 4 (emisió α) 8Ar 4 9 K e (emisió β) Por último cuado u úcleo sobreexcitado emite radiació γ pasa a u estado de meor eergía pero o sufre igua trasmutació. Reaccioes de fisió La fisió uclear es ua reacció e la que u úcleo se divide e otros dos mas ligeros cuado es bombardeado por eutroes. Este proceso tiee lugar co u defecto de masa que se trasforma e eergía. La reacció de fisió uclear fue estudiada e 938 e primer lugar por Hah y Strassma e los preludios de la guerra mudial. Si embargo la explicació del proceso fue dada por Lisa Meiter co su modelo de la gota líquida. Supoe que los eutroes letos que icide sobre el úcleo pesado lo deforma como si de ua gota de agua se tratara. Debido a ésto los extremos del úcleo deformado se repele y se parte e dos meores liberado eutroes que a su vez participará e uevos procesos de fisió U 92 U Kr Ba El proceso puede llevarse a cabo de forma cotrolada e los reactores ucleares para producir eergía eléctrica o de forma o cotrolada co lo que la reacció tiee lugar de forma explosiva.

8 Física Nuclear págia 8 de 8 Reaccioes de fusió A partir de úcleos pequeños que se ue se puede formar otro mayor. El proceso tambié origia al fial del mismo u defecto de masa que se trasforma e eergía H + H 2He+ Esta reacció comieza a trascurrir a elevadas temperaturas (superiores a 6 K). Estas reaccioes tiee lugar e las estrellas y gracias a ellas uestro sol emite eergía e forma de radiació electromagética que llega a la Tierra y la matiee a ua temperatura adecuada para la existecia de la vida e la Tierra. Sería ua fuete ideal de eergía auque todavía o se ha logrado cotrolar de forma retable. Fuerzas fudametales e la Naturaleza Las fuerzas fudametales de la Naturaleza so cuatro: Fuerza gravitatoria Resposable de la iteracció gravitatoria Fuerza electromagética Resposable de la iteracció eléctrica y magética Fuerza uclear fuerte Resposable de que los compoetes del úcleo se matega uidos a pesar de teer los protoes carga del mismo sigo Fuerza uclear débil Resposable del decaimieto de partículas mas pesadas hacia otras más ligeras (ejemplo la emisió de radiació β. Las partículas portadoras de fuerza etre las que se ecuetra: Para la iteracció gravitatoria se cosidera ua partícula llamada gravitó su existecia se predice auque o está descubierta. El fotó que es la partícula portadora e la iteracció electromagética. La partícula portadora e la iteracció uclear fuerte se llama gluó. Los bosoes W +, W - y Z so los resposables de la iteracció uclear débil que es la causate del decaimieto de los quarks o de otras partículas e otras más ligeras, por ejemplo la emisió de radiació β.