Curso Básico de Metodología de los Radisótopos - C.I.N. Inestabilidad nuclear y Modos de decaimiento Dra. Q.F. Lourdes Mallo FUERZAS NUCLEARES Para que el núcleo sea estable debe existir una fuerza atractiva intensa que supere dicha repulsión electrostática: las fuerzas nucleares. PROPIEDADES: - Son fuerzas atractivas entre los nucleones. - Son de rango muy corto (~ 2x10-13 cm). Su valor es aproximadamente constante hasta una distancia del orden de 10 15 m, cayendo bruscamente a 0 a distancias mayores. 1
-Son extremadamente intensas (100 veces mayores que las fuerzas electromagnéticas y 1035 veces superiores a la gravedad). - Son independientes de la carga. - Se producen por intercambio de partículas virtuales llamadas gluones (del inglés glue, pegamento). - Dichos gluones no existen en el núcleo sino que aparecen y desaparecen en períodos cortos. Se han descubierto 4 tipos de interacciones fundamentales en nuestro Universo. - La gravitatoria: Es la que tiene mayor impacto a grandes distancias. Tiene carácter de atracción y, en comparación con el resto de las interacciones, es la mas débil. Intercambia una partícula virtual llamada gravitón. - La electromagnética: actúa entre partículas con carga eléctrica. Incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética, que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra. La partícula virtual intercambiada es el fotón. 2
La nuclear fuerte: es despreciable a distancias mayores que el núcleo atómico, por lo que no se aprecia en la vida diaria. No obstante, todo depende de ellas, ya que es la que permite unirse a los quarks para formar los protones y neutrones, entre otros mantiene unidos los bloques fundamentales con los que el universo está formado. La partícula virtual intercambiada es el el gluón. La nuclear débil: también es despreciable a distancias mayores que el núcleo atómico, es 10-13 veces menos potente que la interacción fuerte y es responsable de que los quarks y otras partículas decaigan a partículas más livianas, así como de producir desintegraciones beta. La partícula virtual intercambiada es el bosón. ESTABILIDAD NUCLEAR - El núcleo es intrínsecamente inestable debido a la repulsión electrostática entre los protones. - El balance repulsión-atracción determina si un nucleido es estable o radiactivo. - La relación entre N y Z es de fundamental importancia en dicho balance. - Cada elemento puede tener varios nucleidos estables. Estos nucleidos constituyen el cinturón de estabilidad. 3
Cinturón de estabilidad - Si Z < 20 N/Z 1 14 N N/Z = 1 7 - Si 20 < Z < 83 1 < N/Z < 1.5 120 Sn N/Z = 1.4 50 - Si Z > 83: ningún nucleido es estable 209 21 Bi N/Z = 1.52 Los nucleidos que caen fuera del cinturón de estabilidad sufren transformaciones que dan al lugar al fenómeno de radiactividad. Sin embargo, aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo como tal es más favorable que la separación en los nucleones que lo constituyen. 4
- 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 y es equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta en mantener juntos a sus nucleones. Átomo de 6 3 Li 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 5
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 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. * 12 C EJEMPLOS m 12 C = 6 x (m p + m n + m e ) - 12.0000 = 0.0989436 umas Convirtiendo la masa en energía, 1 uma 931.5 MeV E l 12 C = 0.0989436 x 931.5 = 92.166 MeV E l /nucleón 12 C = 92.166/12 = 7.68 MeV/nucleón * 14 C m 14 C = 6 x (m p + m e )+ 8 x m n 14.003242 = 0.113034 umas. E l 14 C = 105.29 MeV E l /nucleón 14 C = 7.52 MeV/nucleón 6
ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON vs A PARA NUCLEIDOS DE A<11 OBSERVACIONES La El/A de los nucleidos aumenta al aumentar el número de nucleones. La El/A de los nucleidos con Z y N par es más alta que la de sus vecinos. CONCLUSIONES La fusión de 2 núcleos livianos para dar un núcleo mayor es un proceso que libera energía. Existen números mágicos de nucleones que favorecen la estabilidad del núcleo. Este es un argumento a favor del modelo de capas para la estructura nuclear. 7
ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON vs A PARA NUCLEIDOS DE A>11 OBSERVACIONES La El/A presenta un máximo para A ~ 60. En esa zona se encuentran los nucleidos más abundantes en la corteza terrestre. La El/A disminuye hacia ambos lados de dicho máximo. CONCLUSIONES Los nucleidos más abundantes son los más estables. Su mayor El/A es un reflejo de esa estabilidad. La fisión de 1 núcleo pesado para dar 2 núcleos menores pero de mayor El/A es un proceso que libera energía. 8
RADIACTIVIDAD La radiactividad es un fenómeno espontáneo de transformación de un nucleido en otro, con emisión de partículas o radiación, y energía. Cuando N/Z cae fuera del cinturón de estabilidad el nucleido es radiactivo (radionucleido). 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 o ser también radiactivo. La radiactividad no depende de la naturaleza física o química de los átomos, es una propiedad de su núcleo. TIPOS DE RADIACIÓN 9
Existen 5 tipos de decaimiento radiactivo: - alfa ( ) (Núcleos de Helio) - - beta ( ) + - gamma ( ) Captura electrónica (CE) El modo de decaimiento más probable será aquel que acerque ese radionucleido a la estabilidad. EMISIÓN ALFA Los radionucleidos con Z > 83 deben disminuir rápidamente la cantidad total de nucleones para acercarse a la estabilidad. Emiten una partícula A Z A-4 X Y + He + E Z-2 4 2 Partícula m = masa (P) masa (H) + m ( 4 He) > 0 10
Ese defecto de masa m debe ser positivo para que la emisión suceda, y la energía liberada en la reacción se calcula según la ecuación de Einstein: E = m. c 2 siendo c = velocidad de la luz Si m está en umas, la energía liberada (en Mev) es de E = m x 931,5 ( MeV ) 11
m = m 234 U m 230 Th m 4 He > 0 EMISIÓN - Si N/Z >estabilidad n p + + e - - A Z A X Y + e + + E 0 Z+1-1 - 12
Los electrones emitidos no son monoenergéticos, como se esperaría, sino que presentan un espectro continuo de energía con E max. = mc 2. La energía más probable es aprox. 1/3 E max. Cómo se conserva la energía? 13
La emisión concomitante de una partícula neutra y de masa muy pequeña, el antineutrino, que comparte la energía total con el electrón es la explicación del espectro - La emisión - puede ir también acompañada de uno o varios rayos. m = m (P) m (H) 14
Según el modelo de los quarks: EMISIÓN + Si N/Z < estabilidad + p+ n + e+ + A Z X A Z-1 Y + 0 +1 e + + E 15
m = m (P) m(h) 2 m e - - El espectro del positrón es análogo al ya visto para el electrón en la emisión -, debido a la emisión conjunta de un neutrino. - El positrón emitido al encontrarse con algún electrón del medio, experimenta el fenómeno de aniquilación produciéndose la emisión simultánea de 2 rayos de 511 kev cada uno. - Esta radiación de aniquilación siempre está presente cuando hay emisión de positrones. 16
Aniquilación de positrones CAPTURA ELECTRÓNICA Si N/Z < estabilidad Otra alternativa es el decaimiento por captura electrónica Implica la captura de un electrón orbital por parte de un protón nuclear, transformándose ambos en un neutrón, con emisión de un neutrino y energía. 17
El número total de nucleones permanece constante mientras que el número atómico disminuye en una unidad A Z 0 A X + e - Y + + E -1 Z-1 m = m (P) m (H) 125 0 125 53 I + -1 e 52 Te + + E El hueco en las capas electrónicas es llenado por otros electrones más externos, produciéndose la emisión concomitante de rayos X característicos. 18
EMISION - Se produce cuando el núcleo se encuentra en estado excitado. - Implica la emisión del exceso de energía como un cuanto de radiación electromagnética. - No produce cambio ni en el número de nucleones ni en el número atómico. 99m Tc 99 Tc + E + -La emisión gamma es un cuanto de alta energía y carece de masa. -Surge por reacomodamiento de niveles energéticos nucleares E = E2 - E1 = E -Es similar a la emisión de Rayos X pero éstos se producen por transiciones de los electrones periféricos y por eso suelen ser de menor energía (< 100 KeV ). - En ciertos casos la diferencia entre 2 estados energéticos nucleares no aparece como un cuanto sino que es transferido a un electrón orbital, el cual escapa del átomo, bajo la forma de electrones monoenergéticos llamados electrones de conversión 19
ELECTRONES AUGER Cuando un electrón es arrancado de una de las capas internas de un átomo, dejando una vacante o hueco, un electrón de un nivel de energía externo ocupa esta vacante, liberándose energía. Este exceso de energía generalmente se libera por la emisión de un fotón (Rayos X), aunque también puede ser transferida a otro electrón, llamado electrón Auger, el cual es eyectado del átomo. En la conversión interna, la energía que se utiliza en expulsar al electrón procede de la desexcitación del NÚCLEO. En el caso de la emisión de electrones Auger, la energía necesaria para producir dicha emisión proviene de una transición entre niveles electrónicos de la PERIFERIA DEL ATOMO 20
RESUMEN DE LOS MODOS DE DECAIMIENTO ANALIZADOS 21
TABLA DE RADIONUCLEIDOS Los nucleidos estables aparecen en negro. En los radionucleidos, el color del recuadro indica qué tipo de emisor es: celeste ( - ), rosado ( + o CE), amarillo ( ), verde (fisión espontánea), blanco (transiciones isoméricas). Cuando se trata de un nucleido que decae por más de un camino, el área total del recuadro está dividida diagonalmente a la mitad o en un ángulo y el tamaño del sector de cada color, se relaciona con la probabilidad de ese modo de decaimiento. 22
ESQUEMAS DE DECAIMIENTO 23