QUÍMICA INORGÁNICA AVANZADA NOCIONES DE RADIOQUÍMICA

Transcripción

1 QUÍMICA INORGÁNICA AVANZADA NOCIONES DE RADIOQUÍMICA Química nuclear Comprende el estudio de: reacciones nucleares (energía, tipo de decaimiento, energía de desactivación), propiedades de los elementos radiactivos, efectos de la radiación ionizante. Radioquímica 1895 Roentgen descubre los rayos X 1896 Becquerel descubre la radiactividad del uranio Crookes, Becquerel, Rutherford, Soddy, Dorn y otros estudian radioelementos 1898 P. y M. Curie descubren Po y Ra empleando el primer método radioquímico 1913 Fajans y Soddy explican las series radiactivas asumiendo la existencia de isótopos 1949 comienza en Argentina el uso de la energía nuclear con fines pacíficos 1950 se crea la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) 1953 se cuenta con un acelerador de partículas 1957 se inaugura el reactor RA-1 en el Centro Atómico Constituyentes 1968 se inaugura el reactor RA-3 diseñado y construido en el país en Ezeiza Actividades de la CNEA: radioquímica, metalurgia, minería del uranio, construcción y operación de reactores de investigación y sus combustibles, producción de radioisótopos, empleo de las radiaciones ionizantes para diagnóstico y tratamiento médico, nucleoelectricidad. Unidades ev 1 ev= 1,602x10-19 J Curie (Ci) 1 Ci= 3,70x10 10 desintegraciones/seg Becquerel (Bq) 1 Bq= 1 desintegración/seg Roentgen (R) 1 R= 2,58x10-4 C/kg capacidad ionizante de rayos X Núcleo atómico Diámetro de un átomo 10-8 cm, del núcleo cm, radio del átomo es 10 5 veces mayor que el radio del núcleo, el núcleo tiene una densidad de g/cm 3. Prácticamente la masa del átomo se concentra en el núcleo. Nucleido átomo con características nucleares específicas, caracterizado por el número de: protones ( número atómico, z) y neutrones (n). Isodiáfero: igual exceso de n. Isómero: igual A y z y distinto estado energético. 1

2 Elementos en el universo Abundancia de Fe (z= 26) y Ni (z= 28) núcleos estables, energía de unión. Se libera un exceso de energía si: dos núcleos con A < 56 se mezclan (fusión) un núcleo con A > 56 se divide (fisión). Serie de desintegración naturales Existen tres series: Th-232, U-238, Ac-227 y la serie Np-297: que debería haberse extinguido pruebas nucleares han liberado núcleos de la cadena radiactiva. N= número entero. Banda de estabilidad Hasta z 20 los isótopos estables en general tienen la misma cantidad de n que de p, a > z. Los isótopos estables tienen mayor cantidad de neutrones. 2

3 Tabla de nucleidos Tabla de Eggerbert Números mágicos: se ha establecido que los núcleos que presentan n o p igual a los siguiente números son más estables que otros núcleos: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Serían los números necesarios para completar todos los niveles en el modelo de capas. Modelo de capas: los n y p se ubican en capas de distintos niveles energéticos La estabilidad se puede lograr por una transformación o por una cadena de transformaciones, la desintegración radiactiva se produce al azar. Radiactividad: fenómeno por el cual núcleos inestables decaen espontáneamente emitiendo partículas de alta energía. 3

4 Tipos relevantes de desintegración: - α: núcleos de 4He, partículas energéticas y poco penetrantes, τ= 10-7 segundos a años, radiaciones α son monoenergéticas: 4-8 MeV, se explica por efecto túnel, esta energía es menor que la necesaria para superar la barrera de energía potencial de 20 MeV, cuanto más estrecha es la barrera de energía potencial, más probable y frecuente es la emisión α. Espectro de energía α para 212Bi 208Tl Regla de Geiger-Nuttal: los núcleos que experimentan desintegración con más frecuencia (menor τ) emiten las partículas α más energéticas. - β: electrones o positrones emitidos con un espectro continuo de energía, tienen todo un espectro continuo de energía (0 al valor máximo), para cumplir con el principio de la conservación de la energía y de momento angular se supuso la existencia del neutrino (descubierto en 1956), ni la partícula β ni el neutrino existen dentro del núcleo, se forman al emitirse. 4

5 Espectro de electrones (β-) emitidos por el Cs-137 β-: e- producidos como consecuencia de la conversión de un neutrón a un protón, n p + β- β+: positrones producidos por la conversión de un protón a un neutrón, p n + β+ Los positrones interaccionan con electrones dejando como saldo una radiación de aniquilamiento en forma de rayos γ. - γ: fotones de alta energía muy penetrantes. Tienen altas energías= varios MeV, las transiciones ocurren entre unos a 10-3 segundos. Espectro de Au-197 5

6 - Captura electrónica: si en algún momento hay un solapamiento entre el campo energético del núcleo y un orbital el electrón puede ser capturado por el núcleo, el electrón se neutraliza y un protón se convierte en un neutrón, es un proceso competitivo con emisión β+. El electrón pertenece generalmente (80 %) a la capa K, al saltar los electrones de las capas superiores se emiten rayos X, estos rayos X a su vez pueden arrancar otros electrones: electrones Auger. - Fisión espontánea: un núcleo inestable se rompe en dos núcleos prácticamente iguales, sucede en núcleos muy pesados (de U en adelante), por ejemplo en 1 kg de U-238 se producen 4, emisiones de partículas α por segundos. - Conversión interna: la energía de transición de un estado excitado es transferida a un electrón que luego es expelido del átomo. - Transición isomérica: el núcleo tiene un estado metaestable con un período definido y cae a un nivel energético menor emitiendo un rayo γ o algún otro proceso. Velocidad de desintegración La probabilidad de que un átomo radiactivo en particular se desintegre en la unidad de tiempo es independiente del destino de los átomos que lo rodean y de las condiciones físicas (independiente de las propiedades químicas), sólo depende de la estructura del núcleo, es un proceso gobernado por las leyes del azar por lo que se puede tratar por métodos estadísticos. La probabilidad se denomina constante de desintegración (λ), dn = -λn.dt, en el instante t 0 existen N átomos radiactivos, después de t 0 + dt se han desintegrado dn átomos. - dn/dt se denomina actividad, se mide en Cu o Bq, representa la velocidad de desintegración de un núcleo, no representa una velocidad de emisión de partículas. Por ejemplo, si bien el Mo-99 emite una partícula β- de 1,10 MeV sólo en un 17 % de las desintegraciones y en un 82 % una partícula β- de 0,143 MeV. Es importante para calcular la actividad medida por un detector o para cálculo de dosis recibidas. Integrando la ecuación fundamental de la desintegración radiactiva para N = N0 en el instante t=0: N= N0 e-λt, la vida media (τ, mean life) es el tiempo promedio de las vidas de los átomos iniciales: τ= 1/λ y el tiempo de vida media (half life, τ ½ ) es el intervalo de tiempo necesario para que el número de átomos iniciales se reduzca a la mitad: τ ½ = ln 2/λ= 0,693/λ. Interacción de la radiación con la materia Toda interacción de un isótopo radiactivo depende de la radiación emitida (energía y tipo de desintegración), es imprescindible conocerlos para protección. Radiación Energía Alcance en aire agua α 3-9 MeV 3-8 cm μm β 0-5 Mev 0-10 m 0-1 mm n 0-10 MeV m 0-1 m γ 0 kev-10 MeV cm-100 m mm-10 cm X ev-100 kev m-10 m μm-1 cm 6

7 Ionización: cuando una partícula cargada pasa cerca de un átomo actúan fuerzas electrostáticas entre la partícula y los electrones de los orbitales, un electrón puede adquirir energía suficiente para separarse del átomo, se forma un par de iones, la partícula pierde parte de su energía. En aire se requieren unos 32,5 ev para formar un par de iones, por ejemplo, si se dispone de 1 mci de un emisor α que proporciona partículas de 4 MeV y que transfiera esa energía al aire se produce una corriente de 7,2x10-7 A, la base para la medición de la actividad mediante corriente iónica. Excitación: se produce cuando la energía impartida al electrón no es suficiente para arrancarlo del átomo, pero es suficiente para adquiera mayor energía dentro del átomo, el átomo excitado vuelve al estado inicial emitiendo luz de radiación característica, es la base para la medición de la actividad por detección de radiaciones mediante contadores de centelleo. Ionización específica: se mide por par de iones por cm de recorrido, cuando una partícula atraviesa un medio dado, la longitud del recorrido dependerá de la energía inicial y de la velocidad con que esa energía se pierde por unidad de longitud de recorrido, por ejemplo es 4x104 para partículas α y 50 para las partículas beta. Bremsstrahlung: radiación electromagnética originada por el cambio en la velocidad de una partícula β cuando es desviada cerca de un núcleo, tiene propiedades similares a los rayos X, los mejores absorbentes de bremsstrahlung son los materiales de número atómico bajo. Autoabsorción: existe cuando un emisor de partículas β está uniformemente distribuido en un medio absorbente, depende de la energía y del espesor en mg/cm2, es importante para el conteo de emisores β de baja energía como el C-14 y el S-35. Aniquilación de positrones: cuando decrece la energía cinética de la partícula β+ aumenta la probabilidad de la interacción directa entre un electrón y la partícula β+, la energía de la masa de dos electrones se convierte en radiación electromagnética se forman dos fotones de 0,51 MeV cada uno. Radiación Cerenkov: la velocidad de la luz (c) en la materia depende del índice de refracción del medio, partículas β con E > 0,6 MeV se mueven en agua más rápidamente que la luz, cuando la velocidad de la partícula es > c use emite radiación electromagnética (color azulado). Los rayos γ interacciona con la materia mediante tres procesos conocidos: Efecto fotoeléctrico: la energía total es transferida a un electrón, predomina a bajas energías y en materiales de z alto. Efecto Compton: es un choque elástico, la energía total es compartida con el electrón, resultando un 7

8 rayo γ de menor energía y distinta dirección, predomina a energías medias. Producción de pares: si el fotón γ tiene energía suficiente y se halla cerca de un núcleo puede crear un par positrón-electrón, predomina a altas energías y en materiales de z elevado. Propiedades de las radiaciones - partículas α: por su alta ionización específica la distancia que pueden recorrer en un medio dado es pequeña, alcance (R) se mide en mg/cm 2 R (mg/cm 2 ) = 0,173 E 3/ α 2 A 1/3 z Az= PA del absorbente R (cm) = R (mg /cm2 ) 10 3 ρ(g/cm 3 ) densidad (ρ, g/cm3): - aire = 0, tejido 1,0 - Al = 2,70 - Cu= 8,96 En aire una partícula α de 3 MeV tiene un alcance de 1,6 cm y puede ser detenida por una lámina de aluminio de un espesor de aproximadamente 0,015 mm. - partículas β: abandona el núcleo con una velocidad aproximadamente igual a la de la luz, si pasa cerca de un electrón es desviada perdiendo energía, cuanto mayor es el número de átomos que encuentra más rápidamente pierde su energía hasta ser capturada por un átomo. Por ejemplo, se requieren unos 6 mm de Al para detener una partícula β de 3 MeV. R (g/cm 2 ) = ρ(g/cm 3 ) R(cm) Radiodosimetría Unidades de dosis de radiación: Rad 1 rad= 10-2 J/kg = 100 erg/g Gray (Gy) 1 Gy= 100 rad r: Roentgen rem: roentgen equivalente hombre Sievert (Sv) 1 Sv= 1 J/kg = 100 rem Dosis letal 50 % (DL50): dosis necesaria para matar el 50% de una población dada El efecto que producen las radiaciones en un medio depende de la energía depositada en el medio, si atraviesa el medio sin interactuar no produce efecto, si cede energía se producen cambios físicos, químicos o biológicos. Intensidad de dosis (ID, MeV/cm3 s): es la cantidad de entrega de energía por unidad de volumen y unidad de tiempo. Intensidad de la radiación (I, MeV/cm2 s): es la cantidad de energía por unidad de superficie y unidad de tiempo. Exposición a rayos X o γ (X, r): es una medida de la capacidad ionizante de los rayos X o γ en el aire, se tiene una exposición de 1 r cuando la ionización producida por electrones secundarios en 1 cm 3 de aire seco en CNPT es igual a la unidad electrostática de carga de cada signo. 8

9 Dosis absorbida (D, Gy): es la cantidad de energía por unidad de masa que es absorbida en un punto de interés. Tasa de dosis absorbida (Ḋ, Gy/s): es la cantidad de energía por unidad de masa y unidad de tiempo Dosis equivalente (H, Sv): es la dosis absorbida por la calidad de la radiación (Q) y un factor n que modifica la dosis de acuerdo a las condiciones: H = D. Q. n. Para conocer Q se debe conocer el tipo de radiación, valores de Q medio: Q= 1 para rayos X, γ y β- Q= 2,3 para neutrones térmicos Q= 10 para neutrones y β+ Q= 20 para partículas α Dosis equivalente efectiva (He, Sv): se estableció como magnitud limitante de dosis por el ICRP (Comisión Internacional de Protección Radiológica): He = t Ht. Wt, Ht= dosis absorbida por un órgano (tejido, t) en particular, wt= factor que indica la proporción de daño que sufre ese órgano en comparación con el daño total (por ejemplo, wt= 0,20 para gónadas; wt= 0,12 médula ósea, colon, estómago y pulmón; wt= 0,05 para tiroides, hígado; wt= 0,01 para piel, hueso). Dosimetría de fuente externa: la fuente de radiación se encuentra fuera del sistema al cual se someta para producir un determinado efecto, si se suponen fuentes puntuales y un haz de rayos paralelos a lo largo de un espesor x: N= N0 e-μx donde μ: es el coeficiente lineal de atenuación, da la probabilidad de interacción. Dosimetría de fuente interna: la fuente de radiación se introduce en el sistema al cual se someta para producir un determinado efecto, si se introduce en el organismos es metabolizado. El órgano crítico: es aquel que recibe la mayor dosis total de radiación, por ejemplo se usa 131 I para estudiar tiroides. Exposición a radiación ionizante Blindaje Se calcula el espesor de blindaje de tal manera de cumplir con las normas de seguridad. blindaje hacia adentro: si se conoce la distancia entre la fuente y el receptor. blindaje hacia afuera: se conoce la distancia de la fuente hacia la pared interna del blindaje. Por ejemplo, blindaje contra radiación γ, el caso más simple si se supone un sistema con geometría de haz estrecho y atenuación exponencial: I x = I 0 e-μx donde I x : intensidad con un absorbente de espesor x, I 0 : intensidad sin absorbente, μ: coeficiente de absorción lineal y x: espesor del absorbente. 9