1. Conceptos Básicos Estructura del átomo En química y física, átomo (del latín atomus, y éste del griego άτομος, indivisible) es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos. En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza. - El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. Estas partículas se conocen como nucleones. Protones: Partículas de carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y 1,67262 10 27 kg. y una masa 1837 veces mayor que la del electrón Neutrones: Partículas carentes de carga eléctrica y una masa un poco mayor que la del protón (1,67493 10-27 kg). La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones. La cantidad de protones contenidos en el núcleo del átomo se conoce como número atómico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Es el que distingue a un elemento químico de otro. Por ejemplo: el número atómico del hidrógeno es 1 ( 1 H).
La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico. Para el ejemplo dado anteriormente, el número másico del hidrógeno es 1( 1 H). Existen también átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número másico, los cuales se conocen como isótopos. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el protio ( 1 H), el deuterio ( 2 H) y el tritio ( 3 H). Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas. 1.2 Radiación La radiación es la propagación de energía a través del espacio. Esta se puede propagar de dos maneras distintas como lo son por medio de fotones, o por medio de partículas. Los fotones son paquetes de energía que constituyen la radiación electromagnética y viajan a la velocidad de la luz. Las ondas y las partículas tienen muchas características comunes; no obstante, la radiación suele producirse fundamentalmente en una de las dos formas. RADIACION NATURAL Siempre ha existido, ya que procede de las materias existentes en todo el universo, y puede ser radiación visible (como por ejemplo la luz), o invisible (por ejemplo los rayos ultravioleta). Esta radiación, procede de las radiaciones cósmicas del espacio exterior (Sol y estrellas), pues ellos son gigantescos reactores nucleares, aunque lejanos; también proceden estas radiaciones de los elementos naturales radiactivos (uranio, torio, radio) que existen de forma natural
en el aire, agua, alimentos, o el propio cuerpo humano (potasio, carbono-14). Esta radiación natural, es del orden del 88% de la radiación total recibida por el ser humano, clasificándose de la siguiente manera: - Radiación cósmica : 15 % - Radiación de alimentos, bebidas, etc., 17 % - Radiación de elementos naturales : 56 % En la Tabla I, se presenta la contribución de las distintas fuentes de radiación natural, a la dosis recibida por la población. Tabla I. DOSIS ANUAL DE FUENTES NATURALES EN ZONAS DE FONDO DE RADIACIÓN NORMAL FUENTES DE RADIACIÓN DOSIS EQUIVALENTE EFECTIVA ANUAL (µsv) Rayos cósmicos 380 Radionucleidos cosmogénicos 12 Radionucleidos en la corteza, flora y fauna Potasio 40 300 Rubidio 87 6 Serie de uranio 238: 141 uranio 238 torio 230 4 radio 226 1200 radón 222 polonio 214 50 Serie del torio 232:
torio 232 - torio 228 196 torio 220 polonio 212 73 TOTAL 2192 (µsv) Unidad de la dosis equivalente y de la dosis efectiva en el Sistema Internacional de Unidades 10-6 Sv RADIACION ARTIFICIAL: Provienen de fuentes creadas por el hombre. Los televisores o los aparatos utilizados para hacer radiografías médicas son las fuentes más comunes de las que recibimos radiación artificial. La generada en las centrales nucleares, pertenece a este grupo. El incremento de radiación que recibe una persona en un año como consecuencia del funcionamiento normal de una central nuclear, es de 1 milirem al año (1 REM = radiación de rayos gamma existente en el aire por centímetro cúbico de aire), cantidad que es 100 veces más pequeño que la radiación natural que recibimos en España. La radiación artificial total recibida por el ser humano es del orden del 12% de todas las radiaciones recibidas. Se clasifica de la siguiente manera: - Televisores y aparatos domésticos: 0.2 % - Centrales nucleares : 0.1 % - Radiografías médicas : 11.7 % Como es bien sabido, la radiación de los elementos trae serias consecuencias en los seres vivos, si sobrepasan los límites anuales de radiación normal. La consecuencia más importante es la mutación en los seres vivos, ya que afecta a las generaciones tanto presentes, como futuras, y sus efectos irían desde la falta de miembros corporales y malformaciones en fetos, esterilidad; hasta la muerte.
En física, radiación es un término que designa la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio fluido. La parte de radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas que se mueven a gran velocidad en un medio o al vacío, con apreciable transporte de energía. Si el transporte de energía es suficientemente elevado como para provocar ionización en el medio circundante, se habla de radiación ionizante. 1.3.1 Radiación Corpuscular: Incluye a las partículas alfa (núcleos de Helio), beta (electrones y positrones de alta energía), protones, neutrones y otras partículas que sólo se producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de muy alta energía. Partículas Alfa Las partículas o rayos alfa (α) son núcleos totalmente ionizados de Helio-4 ( 4 He). Es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente. Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva, de +2q e de carga, mientras que su masa es de 4 uma, Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de otros nucleidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de dichas partículas. La desintegración alfa es una forma de desintegración radiactiva donde un núcleo atómico emite una partícula alfa mediante fuerzas electromagnéticas y se transforma en un núcleo con 4 unidades menos de número másico y dos unidades menos de número atómico.
Puede ser considerada como la emisión espontánea de núcleos de helio (en adelante partículas α) a partir de núcleos de átomos más pesados, mediante un procedimiento de fisión nuclear espontánea. Este fenómeno se representa con la siguiente ecuación: Por ejemplo:. Partículas Beta La desintegración o emisión beta es un proceso por el cual un núclido no estable puede transformarse en otros núclidos mediante la emisión de una partícula beta. La partícula beta puede ser un electrón, escribiéndose β -, o un positrón, β + ; la diferencia fundamental entre un electrón o positrón y la partícula beta correspondiente es su origen nuclear, no es un electrón ordinario arrancado de algún orbital del átomo. Un tipo similar de desintegración en cuanto a la finalidad de volver más estable el núcleo de un núclido inestable tal como la desintegración beta es la captura electrónica. Tienen energía cinética menor que las partículas alfa porque aunque tienen una gran velocidad tienen muy poca masa. A pesar de tener menor energía que las alfa, como su masa y su tamaño son menores tienen mayor poder de penetración. Una lámina de aluminio de 5 mm las frena.
Se usan isótopos radiactivos del yodo en el tratamiento del cáncer de tiroides porque el yodo es absorbido por el tiroides y emite partículas beta que matan las células. Clasificación de las radiaciones ionizantes Representación sencilla del poder de penetración de los distintos tipos de radiación ionizante. Una partícula alfa no penetra una lámina de papel, una beta no penetra una lámina de metal y un fotón penetra incluso grandes espesores de metal o hormigón 1.3.2. Radiación electromagnética. Está formada por fotones con energía suficiente como para ionizar la materia (es decir, superior a unas decenas de electronvoltios). Según su origen y su energía se le clasifica en rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma. 1.3.4. Actividad
Magnitud A correspondiente a una cantidad de radionucleido en un estado determinado de energía, en un tiempo dado, definida por la expresión: A = dn / dt Siendo dn el valor esperado del número de transformaciones nucleares espontáneas a partir de ese estado de energía, en el intervalo de tiempo dt. En el Sistema Internacional (SI), la unidad de actividad es la inversa de segundo (s -1 ), que recibe el nombre de Becquerel ( Bq ). Período de Semidesintegración: Se llama vida media de un radioisótopo al tiempo promedio de vida de un átomo radiactivo antes de desintegrarse. Es igual a la inversa de la constante de desintegración radiactiva (τ = 1 / λ). Al tiempo que transcurre hasta que la cantidad de núcleos radiactivos de un isótopo radiactivo se reduzca a la mitad de la cantidad inicial, se lo llama periodo de semidesintegración, período, semiperiodo, semivida o vida mitad (T 1 / 2 = ln(2) / λ). Al fin de cada período la radiactividad se reduce a la mitad de la radiactividad inicial. Cada radioisótopo tiene un semiperiodo característico, en general diferente del de otros isótopos. Ejemplos: Isótopo Periodo Emisión Uranio-238 4510 millones de años Alfa Carbono-14 5730 años Cobalto-60 5,271 años Radón-222 3,82 días Beta Gamma Alfa
Es una medida de la estabilidad del isótopo, ya que cuanta menor sea la semivida, con mayor rapidez se producirá la desintegración y menos estable será el isótopo. Se tiene una muestra con un número N de núcleos radiactivos. La actividad A de esa muestra es proporcional al número N: A= l N l = 0.693 / T1/2 La cantidad l se llama constante de decaimiento radiactivo y es característica de cada tipo de decaimiento, ella representa la probabilidad de que haya una emisión en un tiempo dado. La ecuación A = A0 e lt = A0 e 0.693 t / T1/2 Describe matemáticamente el decaimiento radiactivo. A0 es la actividad inicial de la muestra, t es el tiempo en el cual se desea calcular la actividad de la muestra. 1.4. Emisión de radiación electromagnética La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. 1.4.1 Radiación Gamma La radiación gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radiactivos, procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenamiento electrónico. 1.4.2 Rayos X Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. 1.5. Interacción de la radiación con la materia. Radiación directamente ionizante: suele comprender a las radiaciones corpusculares formadas por partículas cargadas que interaccionan de forma directa con los electrones y el núcleo de los átomos de moléculas blanco o diana como el oxígeno y el agua. Suelen poseer una transferencia lineal de energía (LET) alta.
Radiación indirectamente ionizante: está formada por las partículas no cargadas como los fotones, los neutrinos o los neutrones, que al atravesar la materia interaccionan con ella produciendo partículas cargadas siendo éstas las que ionizan a otros átomos. Suelen poseer un bajo LET. 1.6. Tipos de interacción de la radiación electromagnética con la materia Las partículas cargadas como los electrones, los positrones, protones, iones u otras, interaccionan directamente con la corteza electrónica de los átomos debido a la fuerza electromagnética. Los rayos gamma interaccionan con los átomos de la materia con tres mecanismos distintos: Efecto Fotoeléctrico: Describe cuando un fotón gamma interactúa con un electrón atómico y le transfiere su energía, expulsando a dicho electrón del átomo. La energía cinética del fotoelectrón resultante es igual a la energía del fotón gamma incidente menos la energía de enlace del electrón. El efecto fotoeléctrico es el mecanismo de transferencia de energía dominante para rayos x y fotones de rayos gamma con energías por debajo de 50 kev (miles de electronvóltios), pero es menos importante a energías más elevadas. Efecto Compton: Se refiere a la interacción donde un fotón gamma incidente hace ganar suficiente energía a un electrón atómico como para provocar su expulsión. Con la energía restante del fotón original se emite un nuevo fotón gamma de baja energía con una dirección de emisión diferente a la del fotón gamma incidente. La probabilidad del Efecto Compton decrece según la energía del fotón se incrementa. El Efecto Compton se considera que es el principal mecanismo de absorción de rayos gamma en el rango de energía intermedio entre 100 kev a 10 MeV (Megaelectronvoltio), un rango de energía que incluye la mayor parte de la radiación gamma presente en una explosión nuclear. El efecto
Compton es relativamente independiente de número atómico del material absorbente. 1.6.3 Creación de pares: Debido a la interacción de la fuerza de Coulomb, en la vecindad del núcleo, la energía del fotón incidente se convierte espontáneamente en la masa de un par electrón-positrón. Un positrón es la antipartícula equivalente a un electrón; tiene la misma masa de un electrón, pero tiene una carga positiva de igual fuerza que la carga negativa de un electrón. La energía excedente del equivalente a la masa en reposo de las dos partículas (1,02 MeV) aparece como energía cinética del par y del núcleo. El positrón tiene una vida muy corta (sobre 10 8 segundos). Al final de su periodo, se combina con un electrón libre. Toda la masa de estas dos partículas se convierte entonces en dos fotones gamma de 0,51 MeV de energía cada uno.