PROTECCIÓN
RADIOLÓGICA
Carrera
Licenciatura
en Higiene y
Seguridad
en el Trabajo
1
1
Modalidad @
Distancia
Autoridades
DecanoIng. Hugo René Padovani
Vicedecana
Lic. María Liliana Mazzi
Secretaria Académica
Dra. Liliana Elena Lipera
Secretario Adjunto
Arq. Carlos Antonio Ontiveros
Director de Estudios y Coordinación
Lic. Marcelo Daniel Vinjoy
Consultora General
Lic. Carlos Héctor Colángelo
Autor de Contenidos
Lic. Carlos Héctor Colángelo
Procesamiento Didáctico
María Inés Sainz
Diseño Editorial
Índice General
Unidad 1 - Estructura atómica
Objetivos específicos de la Unidad 1 Electrón Núcleo Nucleidoucleido Isótopo Reacciones Nucleares Radiactividad Natural Radiación Cósmica Radiación Terrestre Transmutaciones Artificiales Quarks Ejercicios Glosario
Unidad 2 - Elementos de Radiactividad
Objetivos específicos de la Unidad 1 Introducción
El Átomo
Unidades de Masa Atómica Unidades de Energía Desintegración Radiactiva Tipos de Desintegración Desintegración Alfa Desintegración Beta Desintegración Gamma Captura Electrónica Conversión Interna Transición Isomérica Decaimiento Radiactivo Semiperíodo de Desintegración Actividad Actividad y Masa Desintegraciones Sucesivas Equilibrio Transitorio Equilibrio Secular
Mezclas de Radionucleidos Independientes Tabla de Nucleidos
Ejercicios Resueltos Ejercicios Propuestos Glosario
Unidad 3 - Interacción de la Radiación con la Materia
Objetivos específicos de la Unidad 3
11 12 13 13 14 14 15 16 17 17 18 21 22 23 25 26 27 27 28 29 30 30 30 32 33 34 34 34 35 36 36 37 38 39 40 41 42 44 45 48 49 50
Introducción
Paso de Partículas Alfa y otros Iones por la Materia El Paso de Electrones por la Materia
El Paso de la Radiación Electromagnética por la Materia Atenuación de los Rayos X y Gamma
Paso de Neutrones por la Materia Ejercicios
Glosario
Unidad 4 - Detección y Medición de la Radiación
Objetivos específicos de la Unidad 4 Introducción Tipos de Detectores Detectores Gaseosos Detectores de Centelleo Dosímetros Personales Detectores de Neutrones Detectores de Estado Sólido Semiconductores
Semiconductores Intrínsecos Detectores Semiconductores
Detectores Semiconductores Hiperpuros Cálculo de Eficiencia
Límite de Detección
Interferencia del Fondo Natural
Espectros Compuestos por más de una Radiación Analizador Multicanal
Calibración de Detectores Tiempo Muerto de un Detector Ejercicios
Glosario
Unidad 5 - Radiodosimetría
Objetivos específicos de la Unidad 5 Introducción
Dosis Absorbida Exposición
Factores de Ponderación de la Radiación, WR Dosis Equivalente en un Órgano o Tejido, HT Factor de Ponderación de los Tejidos u Órganos, WT Dosis Efectiva
Efectos Estocásticos
Efectos No Estocásticos o Deterministas Ejercicios Glosario 51 52 53 54 55 59 61 62 63 64 65 65 65 68 70 72 74 76 76 77 78 80 80 80 81 81 85 87 89 90 91 92 93 94 94 94 95 96 97 98 98 100 101
Unidad 6 - Fundamentos de la protección radiológica. Consideraciones generales de los efectos de las radiaciones ionizantes.
Objetivos específicos de la Unidad 6 Introducción
Fundamentos de la Protección Radiológica Prácticas e Intervenciones
Criterios Básicos de la Protección Radiológica Justificación de la Práctica
Optimización de la Protección Radiológica Límites y Restricciones de Dosis
Límites y Restricciones de Dosis para los Trabajadores Menores de Edad
Embarazadas
Restricciones de Dosis
Límites de Dosis para Miembros de Público
Consideraciones Particulares para las Exposiciones Médicas Residuos Radiactivos
Transporte de Material Radiactivo Exposiciones Potenciales
Intervención en Emergencias
Efectos Biológicos de las Radiaciones Clasificación de los Efectos Biológicos
Efectos Deterministas por Sobreexposición de todo el Cuerpo Síndrome Hematopoyético
Síndrome Gastrointestinal Síndrome Neurológico
Efectos Deterministas Localizados Piel
Aparato Digestivo Aparato Respiratorio Sistema Cardiovascular Sistema Urinario
Sistema Nervioso Central Tejido Hematopoyético Efectos a Nivel Ocular Órganos de la Reproducción Hueso y Cartílago Sistema Endócrino Carcinogénesis Radioindicuda Efectos Hereditarios Efectos Prenatales Período Preimplantacional Período Embrionario Período Fetal Ejercicios 103 104 105 105 106 106 107 107 107 108 108 108 109 110 110 111 113 116 117 118 119 120 121 123 123 123 123 124 124 125 125 125 126 126 127 127 128 128 130 130 131 131 131 133
Glosario
Normas Legales Citadas en esta Unidad
Unidad 7 - Protección Radiológica del Público. Protección Radiológica Ocupacional
Objetivos Específicos de la Unidad 7 Introducción
Protección Radiológica del Público
Dispersión de Materiales Radiactivos en la Atmósfera Grupo Crítico
Vías Críticas de Exposición del Hombre Criterios para la Limitación
de la Descarga de Efluentes Radiactivos al Ambiente Fijación de Límites
Protección Radiológica Ocupacional
Establecimiento de Áreas Controladas y Supervisadas
Protección a la Exposición Externa y la Contaminación Interna Intervención del Personal en Situaciones Anormales
Control Radiológico de Áreas de Trabajo Métodos de Monitoreo
Filosofía General Recomendada por la
Comisión Internacional de Protección Radiológica Límites de Dosis
Niveles de Referencia
Control Radiológico Individual en Condiciones Normales de Operación Calibración
Registros Entrenamiento Ejercicios Glosario
Unidad 8 - Transporte de Material Radiactivo
Objetos específicos de la Unidad 8 Introducción
El Transporte de Fuentes Radiactivas Requisitos Relativos a Bultos y Embalajes
Características de Diseño de los Bultos de Transporte Gammagrafía
La Reglamentación: Norma AR 10.16.1. Reglamentación Aplicable
Fundamentos de la Norma AR 10.16.1. Tipos de Bultos
El Sistema de Limitación del Contenido de los Bultos Requisitos Funcionales para Bultos del Tipo A
Requisitos Funcionales para Bultos del Tipo B(U) Y B(M)
134 135 137 138 139 139 139 144 144 149 150 152 153 153 154 155 156 158 159 160 161 163 163 163 164 165 167 168 169 169 170 172 174 176 177 178 182 183 187 189
Control de la Irradiación Externa
y de la Incorporación en Condiciones de Transporte Normales La Irradiación Externa y la Incorporación en Accidentes Requisitos de la Norma AR 10.16.1. Relacionados con la Etapa Operativa y los Aspectos Administrativos Transporte por Arreglos Especiales
Responsabilidades del Remitente
Bultos que Contienen Sustancias Fusionables Planificación para Casos de Emergencia
en el Caso de Transporte de Material Radiactivo Guía de Emergencias y Fichas de Intervención
Características de Peligrosidad de los Materiales Radiactivos Instrucciones para Casos de Emergencia
Ejercicios Glosario
Instrumentos Legales Citados en esta Unidad Organismos Citados en esta Unidad
Unidad 9 - Gestión de Residuos
Objetos específicos de la Unidad 9 Introducción
Objetivos de la Gestión de Residuos Radiactivos Alternativas en la Gestión de Residuos Radiactivos Opciones de Manejo de Residuos Radiactivos en Instalaciones Nucleares y Radiactivas
Opciones en el Aislamiento de Residuos Radiactivos Sistemas de Eliminación de Residuos Radiactivos Principios de Protección Radiológica
Aplicados a la Gestión de Residuos Radiactivos
Limitaciones Individuales durante Períodos de Aislación Barreras Múltiples para Aislamiento de Residuos Radiactivos Clasificación Conceptual de Residuos Radiactivos
en Base a los Tiempos de Aislación Necesarios
Criterios Operativos para la Gestión de Residuos Radiactivos Evaluación de Seguridad de los Sistemas de Disposición Definitiva Ejercicios
Glosario
Organismos Citados en esta Unidad
Unidad 10 - Sistemas de Protección contra la Radiación
Objetos específicos de la Unidad 10 Introducción
Técnicas Básicas de Protección Reducción del Tiempo de Exposición Reducción de la Actividad de la Fuente
Aumento de la Distancia Fuente - Punto de Interés
193 197 198 201 202 204 205 205 207 207 210 211 212 212 213 214 215 216 217 218 219 204 221 222 223 224 228 228 230 231 231 233 234 235 235 235 235 236
Blindaje entre las Personas y la Fuente de Radiación Espesor Hemirreductor
Cálculo de Blindajes para Rayos X
Unidad 11 - Aspectos Físicos de los Rayos X
Objetos específicos de la Unidad 11 Introducción
Generación de Rayos X Fuente de Alta Tensión
Circuitos de Control de Emisión Producción de Rayos X
Modelo de Etapas Múltiples Rayos X por Frenamiento Rendimiento de Exposición
Seguridad Radiológica de las Instalaciones y Equipos Exposición Ocupacional
Exámenes Específicos: Aspectos de Radioprotección Técnicas Generales
Ejercicios Glosario
Instrumentos Legales Citados en esta Unidad Organismos Citados en esta Unidad
Unidad 12 - Aplicaciones Industriales de las Radiaciones
Objetivos específicos de la Unidad 12 Introducción
Equipos e Instalaciones: Aspectos de Protección Radiológica Medidores Industriales
Descripción de la Norma ISO de Clasificación Identificación
Identificación y Localización de las Fuentes en Desuso Ejercicios
Publicaciones Citadas como Fuentes en esta Unidad Normas Citadas en esta Unidad
Instituciones Citadas en esta Unidad
Unidad 13 - Aplicaciones Médicas de las Radiaciones
Objetivos específicos de la Unidad 13 Introducción
Teleterapia Braquiterapia
Teleterapia. Equipos de Rayos X para Terapia Aceleradores Lineales
Braquiterapia
Uso Médico de Fuentes Abiertas. Medicina Nuclear Radiofármacos en Medicina
Técnicas de Detección “In Vitro”
237 238 239 241 242 243 243 245 246 247 247 250 251 253 254 258 266 267 268 268 269 270 271 271 271 291 291 292 294 295 295 295 297 298 299 299 299 300 304 306 311 312 319
Riesgos Radiológicos Asociados con las Prácticas de Medicina Nuclear Ejercicios
Glosario
Unidad 14 - Rayo Láser
Objetivos específicos de la Unidad 14 Introducción
Historia El Máser Láser
Aplicaciones del Láser Láser Atómico
Categorias de Láser
Efectos Biológicos Indeseables
Medidas de Seguridad y Recomendaciones de Seguridad Ejercicios Glosario 321 323 324 325 326 327 327 328 329 331 333 333 335 336 337 338
Unidad
1
Protección
Radiológica
Estructura
Atómica
Objetivos específicos de la Unidad 1
Revisar conceptos vistos en materias anteriores.
Sintetizar aspectos de los mismos que hacen a la aplicación en este campo de
la protección.
Electrón
Pequeña partícula atómica portadora de la carga negativa.
En un átomo estable, los electrones están en órbita alrededor del núcleo y su
número es igual al de los protones (partículas positivas) contenidos en el propio
núcleo, dando la electroneutralidad del átomo.
Su carga negativa, que es la más pequeña jamás determinada en la naturaleza, es tomada, por convención, igual a la unidad.
La masa de un electrón es 1.840 más liviana con respecto a la de un protón.
Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa), o un déficit de los mismos (posee carga positiva).
Núcleo
Porción central del átomo en la cual se distribuyen los protones y electrones.
El núcleo de un átomo está formado principalmente por:
protones (en una cantidad como indica el número atómico del elemento).
neutrones (en número igual a: la diferencia entre el número másico y el
número atómico). Ellos no poseen carga eléctrica; es decir, como su nombre lo indica son neutros. Su masa es aproximadamente igual a la del protón. Todos se encuentran unidos por las fuerzas nucleares de cohesión, asegurada tanto por la interacción entre los protones y neutrones, como por la existencia en el núcleo de otras partículas subatómicas (quarks, partícula de la que luego hablaremos en este mismo capítulo; etc.).
Ese núcleo contiene la casi totalidad de la masa atómica. La masa total del núcleo es inferior a la suma de las masas de los nucleones que lo constituyen, pues parte de ella se encuentra en forma de energía de enlace, que asegura la unión.
La carga total del núcleo es electropositiva (igual al producto de la carga del protón por el número de protones) y se neutraliza exactamente con la carga
electronegativa de los electrones existentes en las capas orbitales del átomo.
El diámetro nuclear es unas 10.000 veces menor que el diámetro total del átomo, de lo que se infiere que éste está prácticamente vacío.
El número de protones identifica la especie química y es fijo para cada elemento
químico, caracteriza a cada elemento y lo distingue de lo demás; mientras que el número de neutrones puede variar cuando existen diversos isótopos (concepto definido posteriormente) de un mismo elemento.
De la estructura atómica, además del núcleo, distinguimos la corteza, que es la
parte exterior, en la cual se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo.
Los núcleos de elementos pesados (uranio, plutonio) pueden escindirse mediante
las reacciones de fisión; mientras que los correspondientes a átomos ligeros (hidrógeno, deuterio), pueden unirse en las reacciones de fusión nuclear, en ambos
casos con liberación de grandes cantidades de energía.
Nucleido
Es el nombre genérico que se aplica a todos los átomos que poseen el mismo número atómico y el mismo número másico.
Simbólicamente cada nucleido se representa por A
Χ Z
Donde X es el símbolo del elemento químico al que pertenece, A es su número másico y Z es su número atómico, que coincide con el número de electrones.
Isótopo
Átomos que siendo de un mismo elemento:
poseen el mismo Z -número de protones– pero,
difieren en el N -número de neutrones-.
Dos isótopos por tanto corresponden al mismo elemento químico; pero tienen
un peso atómico (A) distinto, ya que éste resulta de la suma de protones y neutrones del núcleo.
El nombre viene del griego isos, mismo, y topos, lugar, debido a que ocupan el
mismo lugar en la tabla periódica de los elementos.
elemento químico seguido del número de nucleones (protones y neutrones) del isótopo en cuestión, por ejemplo hierro-57, uranio-238 y helio-3; en la notación simbólica, el número de nucleones se denota como superíndice prefijo del símbolo químico, en los casos anteriores: 57Fe, 238U y 3He.
Los isótopos de un elemento químico pueden ser estables o radiactivos.
Reacciones Nucleares
La radioactividad es un fenómeno en el cual un núcleo inestable emite radiaciones.
Las Reacciones nucleares son los procesos por los cuales se combinan o se fragmentan los núcleos de los átomos con la liberación o absorción de energía y de partículas, y la subsecuente formación de nuevos elementos. Ellas son fusión y fisión.
La fusión es aquélla en la que se unen los núcleos; y la fisión, es aquella en la cual se rompen.
La transformación de masa en energía resulta significativa en las reacciones nucleares, como las que tienen lugar en una central nuclear o en una bomba atómica, y en las estrellas, donde la liberación de cantidades ingentes de energía se ve acompañada de una pérdida significativa de masa.
Parte de los radionucleidos (nucleidos radioactivos) activos son restos de los núcleos inestables que aparecieron junto con los núcleos estables en la naturaleza. Otros radionucleidos se generan por bombardeo de rayos cósmicos sobre núcleos estables.
A principios del siglo XX el hombre aprendió a fabricar radionucleidos mediante reacciones nucleares en el laboratorio. Para obtener un radionucleido, basta con desbalancear la cantidad de neutrones versus protones que posee un núcleo estable. Para producir ese desbalance hay varios caminos:
1) Despojar al núcleo de protones (o de neutrones).
2) Agregarle al núcleo protones (o neutrones).
3) Inducir inestabilidades que fisionen al núcleo.
El acceso a estos procesos puede ser muy diverso pero a los efectos prácticos, es decir la producción económicamente rentable de radionucleidos, el camino para obtener radionucleidos está hoy en día muy definido. Para agregar protones o sacar protones (y neutrones) de un núcleo se lo “bombardea” con iones.
Generalmente se utilizan iones “livianos”, como por ejemplo: protones, deuterones, partículas alfas, etc. Para lograr que estos iones penetren dentro del núcleo que actúa como blanco, se los debe acelerar hasta que alcancen altas energías. Estas energías tan altas son necesarias para vencer la repulsión electrostática de los protones que hay dentro del núcleo que actúa como blanco. La forma más primitiva de acelerar iones, es atrayéndolos con una placa cargada con un alto potencial electrostático. El aire frenaría inmediatamente estos iones, por lo que la aceleración debe hacerse dentro de tubos en los que previamente se ha realizado un vacío casi perfecto.
Para despojar los átomos de electrones y obtener los iones, que se usarán como proyectiles sobre los núcleos que actúan como blancos, se utiliza una “fuente” de iones. Existen variados tipos de “fuentes de iones”. Para despojar a los átomos de electrones, se los “sumerge” dentro de un plasma a alta temperatura. Efectivamente cuando un gas alcanza temperaturas muy altas, parte de sus átomos pierden electrones, ionizándose.
Una llama es un plasma con una ionización del orden del 5 %.
Los iones son entonces extraídos de la “fuente” y enfocados mediante lentes electrostáticas dentro del tubo al vacío. Se obtiene así un haz de iones, que puede ser acelerado por atracción electrostática hacia el núcleo que actúa como blanco. Por ejemplo, la fuente de iones puede estar a un millón de voltios positivos respecto de la lámina que contiene los núcleos blancos. El potencial positivo repele los iones acelerándolos hacia el blanco.
Radiactividad Natural
La humanidad ha evolucionado en un ambiente naturalmente radiactivo. La Tierra es bombardeada por rayos cósmicos del espacio y toda la materia contiene algunos rastros de sustancias radiactivas.
Las personas están expuestas a:
La radiación externa, suma de la radiación cósmica y de la radiación emitida
por los radionucleidos naturales existentes en la corteza terrrestre.
La irradiación interna, debida a aquellos radionucleidos naturales
incorporados a los alimentos, a las bebidas y presentes en el aire inhalado. En la corteza terrestre existen 68 isótopos radiactivos. Los más importantes son
el potasio- 40 (40K), el rubidio-87 (87Rb) y aquéllos que integran las tres cadenas
naturales:
Serie del uranio-235 (235U), compuesta 17 por radioisótopos.
Serie del torio-232 (232Th), compuesta por 12 radioisótopos.
Todos ellos, conocidos por las siglas en inglés NORM (naturally occurring
radioactive materials), constituyen, conjuntamente con la radiación de origen
cósmico, la principal fuente de las radiaciones recibidas por los seres humanos.
Radiación Cósmica
La radiación cósmica que llega a las capas superiores de la atmósfera de la Tierra proviene de más allá del sistema solar, e incluso de más allá de nuestra galaxia; solo una fracción pequeña proviene del sol.
Consiste, principalmente en:
Protones.
Partículas alfa.
Núcleos pesados.
Electrones.
Radiación gamma, con un amplio rango de distribución energética.
La radiación cósmica primaria es alterada sustancialmente en su pasaje a través de la atmósfera, donde la mayor parte de la misma es absorbida antes de que llegue a nivel del mar.
Radiación Terrestre
El hombre está expuesto a irradiación externa, proveniente de radionucleidos naturales contenidos en suelos y rocas, principalmente potasio 40, rubidio 87 y dos series de elementos radiactivos provenientes de la desintegración del uranio 238 y del torio 232. Los niveles de radiación terrestre dependen de:
La geología local.
El contenido de humedad.
Otras condiciones atmosféricas.
Debido a las fuentes radiactivas naturales que se encuentran en el aire que respiramos, en el agua que bebemos y en los alimentos que ingerimos, el hombre es irradiado internamente.
El potasio es un componente esencial de todas las células. Un hombre adulto tiene
en su cuerpo alrededor de 100 gramos de potasio, de los que aproximadamente 16 miligramos corresponden al potasio 40.
radón 220 y sus productos de decaimiento, son las fuentes más importantes de
exposición a la radiación para la mayoría de las personas. Provienen del decaimiento del uranio y del torio en la corteza terrestre. Estos gases son emanados de la tierra, a una tasa que depende de diferentes factores tales como: la geología y la condición del suelo, la cobertura vegetal, etc. Al aire libre, se dispersan rápidamente y sus concentraciones, y las dosis resultantes cuando se inhalan, son bajas. Sin embargo, cuando ellos penetran en un edificio, por ejemplo filtrándose a través del suelo, por antiguas cañerías de agua y desagüe, o son emitidos por los radionucleidos naturales contenidos en los materiales de construcción de pisos y paredes, las concentraciones suben, a menos que el edificio esté muy bien ventilado.
Los radones son químicamente inertes y sólo ligeramente radiactivos, dando dosis directas muy pequeñas. Sin embargo, sus productos de decaimiento
radiactivos (principalmente el polonio, bismuto e isótopos del plomo) son radiactivos, y se pegan a las partículas de polvo y gotas de agua. Éstas pueden inhalarse y depositarse en la superficie del pulmón el cual, por consiguiente, es irradiado.
Fuentes de exposición a la radiación
Transmutaciones Artificiales
La palabra transmutación, es la conversión de un elemento químico en otro, por medios naturales o artificiales. La transmutación se efectúa espontáneamente en las desintegraciones radiactivas naturales.
Radiación
cósmica
Radiación
terrestre
Radiación
interna
Rn-222
Rayos X
Medicina
nuclear
Consumo de
alimentos
Otros
Por siglos, transmutar los metales en oro fue una de las inquietudes.
Desde que Ernest Rutherford en 1919, consiguió la primera reacción nuclear
artificial, al bombardear nitrógeno con partículas alfa y obtener un isótopo estable del oxígeno de número másico 17, junto a la liberación de un protón,
se han llevado a cabo numerosas reacciones nucleares.
Los experimentos de Rutherford abrieron la puerta a transmutaciones nucleares de todo tipo. Se bombardearon átomos con partículas alfa, neutrones, protones,
deutrones (2
1H ), electrones y otros. Se desarrollaron instrumentos masivos para
acelerar dichas partículas a velocidades y energías muy altas para lograr la penetración a los núcleos.
Realmente, fue la búsqueda de nuevos isótopos y el estudio de estas reacciones lo que condujo, en 1942, al descubrimiento de la fisión nuclear.
En primer lugar, estas reacciones no son ordinarias y sus ecuaciones químicas serán peculiares. Por ejemplo, la primera reacción de Rutherford se expresa de este modo:
Los números atómicos de los núcleos implicados se escriben como subíndices y a la izquierda de sus símbolos químicos; y sus números másicos, como superíndices. En el caso anterior, la partícula alfa se expresa como un núcleo de helio; y el protón, como un
núcleo de hidrógeno. Evidentemente, en una reacción nuclear la suma de los números
atómicos y la suma de los números másicos ha de coincidir en ambos miembros. A menudo, para simplificar, se utiliza la siguiente notación en lugar de la anterior, indicando entre paréntesis, primero la partícula utilizada como proyectil y luego la emitida por el núcleo bombardeado.
Como cabe suponer, se han ido produciendo un gran número de transmutaciones
atómicas artificiales, como también denominamos a estas reacciones, en las que
se capturan distintos proyectiles y no sólo partículas alfa. Para hacernos una idea, lo mejor es señalar algunas de las reacciones que han tenido relevancia en el desarrollo de este campo de la investigación, que tantas aplicaciones nos brinda a nuestra sociedad. En una reacción estudiada por Bothe y Becker en 1930, se observó la emisión de neutrones al bombardear berilio con partículas alfa. Los nuevos isótopos producidos eran de carbono 12, el más común de este elemento:
14
N +
4He
17O +
1H
7 2 8 19
Be +
4He
12O +
1n
4 2 6 0Los proyectiles utilizados tampoco han de ser necesariamente partículas alfa. Así, en 1932, los británicos Cockcroft y Walton fueron los primeros en usar partículas
aceleradas artificialmente para desintegrar un núcleo atómico. Mediante un
dispositivo de alto voltaje, llamado multiplicador de tensión, se produjo un haz de protones con gran velocidad. A continuación, se emplearon esas partículas para bombardear un núcleo de litio-7, que se escinde en dos núcleos de helio:
Las partículas cargadas necesitan una energía considerable de algunos MeV, para penetrar en el núcleo venciendo la repulsión electrostática. Gracias al desarrollo
tecnológico de los aceleradores, se logra imprimir a las partículas las altas velocidades requeridas, mediante la aplicación de intensos campos eléctricos o magnéticos.
No obstante, otra alternativa habría sido emplear partículas sin carga. ¡Y qué mejor candidato que el neutrón, la más pequeña de ellas!. Pero no olvidemos que el
neutrón fue la última en descubrirse. Por ello se incorporó más tarde al posible grupo
de proyectiles, como sucede en la reacción con el aluminio, el cual se convierte en el isótopo del magnesio de número másico 27, emitiendo a la vez un protón:
A pesar de la ventaja de carecer de carga, presentan dificultades para disponer de ellos, pues se debe recurrir a reacciones nucleares previas, que suministran neutrones con una energía de salida determinada. En algunos procesos se necesitan
neutrones “lentos”, por lo cual se debe reducir su velocidad haciéndoles atravesar
ciertas sustancias, los moderadores, que los frenan mediante choques con sus propios átomos.
Definimos radiactividad artificial o inducida, como:
Las transformaciones nucleares artificiales, que frecuentemente conducen a isótopos inestables, que se desintegran a través de un proceso similar al de los elementos radiactivos naturales.
Hasta 1933, no se demostró que estas reacciones nucleares podían llevar a la formación de nuevos núcleos radiactivos. Los químicos franceses Irene y Frédéric
Joliot-Curie, produjeron aquel año la primera sustancia radiactiva artificial bombardeando aluminio con partículas alfa. Los núcleos de aluminio capturaban
estas partículas y emitían neutrones, formándose un isótopo del fósforo que se desintegraba rápidamente. Los Joliot-Curie también produjeron un isótopo del
nitrógeno, a partir del boro y uno del aluminio, a partir de magnesio.
Desde entonces, se han descubierto muchísimas reacciones nucleares y se han utilizado distintos proyectiles, como partículas alfa, protones, neutrones y deuterones (núcleos de deuterio). Como resultado, se conocen en la actualidad
7
Li +
1H 2
4He
3 1 227
Al +
1n
27Mg +
1H
13 0 12 1varios cientos de isótopos radiactivos artificiales. Por lo tanto, el trabajo de
los Joliot-Curie abrió un nuevo camino para el estudio, a juzgar por los resultados obtenidos en la actualidad. No es de extrañar que el premio Nobel que recibió Irene
Curie, poco después, volviera a hacer historia. Es el primer caso, único hasta ahora,
en el que madre e hija son galardonadas con el Nobel.
Además de preparar los isótopos radiactivos utilizando aceleradores, es posible obtenerlos a través de dos medios fundamentales: a partir de los productos de fisión o por irradiación en un reactor nuclear.
Quarks
Es una de las seis partículas que, según se cree, son los constituyentes básicos de las partículas elementales llamadas hadrones, como el protón, el neutrón o el pión.
El concepto de quark fue propuesto independientemente en 1963 por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig. El término quark se
tomó de la obra “Finnegans Wake”, del escritor irlandés James Joyce.
Al principio se pensó que existían tres tipos de quark: up, down y strange. Se cree, por ejemplo, que el protón está formado por dos quarks up y dos quarks down. Más tarde, los teóricos postularon la existencia de un cuarto quark; en 1974 se confirmó experimentalmente la existencia de este quark, denominado charm. Posteriormente se planteó la hipótesis de un quinto y sexto quark - denominados
Ejercicios
Para la resolución de estos ejercicios se verificarán sus respuestas directamente por la plataforma.
1) Los átomos de un mismo elemento químico tienen todos en su núcleo el mismo número de ………..
2) Un átomo tiene 12 protones, 13 neutrones y 12 electrones. ¿Cuál es su número atómico?
1. 2. 3. 4.
3) Los isótopos oxígeno-16, oxígeno-17 y oxígeno-18, se diferencian en:
1. 2. 3. 4.
4) Un átomo de volframio (W) tiene 74 protones y 108 neutrones. ¿Cuál es su representación adecuada?
1.
2.
3.
4.
5) Señala las afirmaciones correctas:
1. 2. 3. 4. 5. 12 13 24 25 El número de protones. El número atómico. El número de neutrones. El número de electrones.
El número másico de un átomo es la suma del número de protones, neutrones y electrones.
Todos los átomos de un mismo elemento químico tienen el mismo número de neutrones.
Los isótopos de un elemento químico tienen el mismo número atómico. Los isótopos de un elemento químico tienen el mismo número másico. Los isótopos de un elemento químico tienen distinto número de neutrones.
Glosario
Átomo: núcleo y coteza.
Protones, neutrones y electrones. Número atómico y número másico. Fisión y fusión.
Nucleido.
Isótopo: estables y radioactivos. Reacciones nucleares. Iones. Plasma. Llama. Radioisótopos. Transmutación. Partículas alfa. Deutrones. Quarks. Hadrones. Pión.
Unidad
2
Protección
Radiológica
Elementos de
Radiactividad
Objetivos específicos de la Unidad 2
Interpretar conceptos como el de Nucleido, Isóbaros, Isótopos, e isómeros,
períodos de desintegración, etc..
Reconocer las distintas unidades asociadas a distintas magnitudes.
Efectuar cálculos y desarrollos de procesos mediante ecuaciones.
Identificar distintos procesos radioactivos y reconocer sus consecuencias.
A = Z + N
Introducción
Recordemos, por su importancia, algunos conceptos fundamentales vistos en la Unidad 1 y ampliaremos el desarrollo de aquéllos sobre procesos radioactivos. Tambien aplicaremos las fórmulas necesarias para su cuantificación, y las representaremos gráficamente.
El Átomo
El átomo es la menor porción en que puede dividirse la materia, sin que pierda sus propiedades.
Se han postulado modelos que explican su estructura, y se acepta hoy en día, el que sostiene que el átomo está constituido por un núcleo que ocupa la parte central y que tiene un tamaño casi 10.000 veces inferior al del átomo en su conjunto. Alrededor del núcleo se encuentran girando en órbitas, energéticamente bien definidas, los electrones, que son partículas cargadas negativamente. En el interior del núcleo, se encuentran partículas llamadas protones (poseen carga positiva) y
neutrones que no tienen carga.
Al conjunto de protones más neutrones (llamados nucleones) se lo denomina
número másico y se lo simboliza con la letra A, mientras que el número de protones (o electrones) se lo escribe con la letra Z y al número de neutrones
con la letra N. De esta manera:
(1)
Nomenclatura:
Para representar a un elemento de cualquier especie, la expresión que más suele usarse es:
Electrones orbitales
Núcleo conteniendo protones y neutrones
A No másico
Χ Símbolo del Elemento
Todo elemento químico tiene una identificación a través de letras del alfabeto que en algunos casos se escriben con una única letra mayúscula (por ej: . K, P, S, para el potasio, fósforo y azufre respectivamente) y en otros casos con una mayúscula seguida de otra minúscula (pe. Na, Be, Al para el sodio, berilio y aluminio respectivamente).
Como también ya dijimos, existen átomos que siendo de un mismo elemento,
poseen el mismo Z pero difieren en el N. Estos elementos son llamados isótopos.
Así, en la naturaleza podemos encontrar 3 isótopos del oxígeno: O16
8 , O178 , O188
Siendo el más abundante el isótopo de A = 16.
Nucleido: es toda especie atómica definida por un A, un Z y su estado energético. Isóbaros: Son nucleidos que tienen el mismo A.
Ejemplo: Sr90 , Y90
Isótonos: Son nucleidos que tienen el mismo N. Ejemplo: Si1430 P
1531 S1632 .
Isómeros: Son nucleidos que se diferencian solamente en el contenido energético
y tienen igual Z e igual A.
Ejemplo: In113 In113m (La letra m como supraíndice indica metaestable)
Unidades de Masa Atómica
La unidad de masa atómica (u.m.a.) se define como la 1/12 parte de la masa de
un átomo de C12.
La masa de cualquier átomo, expresada en gramos, es igual al peso atómico de ese átomo dividido por el número de Avogadro entonces:
C12 = = 1.99 10-23 g (2)
atg
u.m.a. = 1,99 10-23 /12 = 1.659 10-24 g
De acuerdo con esto es posible expresar la masa de las partículas del átomo en u.m.a.:
12 g atg
6.02 1023 at
Protón = 1,007594 u.m.a.
Electrón = 0,000549 u.m.a.
Neutrón = 1,008986 u.m.a.
Unidades de Energía
Aunque se trate de una partícula tan pequeña como es el átomo, hay en juego una gran cantidad de energía, que podríamos interpretar en términos de la ecuación de
Albert Einstein, que relaciona la masa con la energía, de la siguiente manera: E = m c2
donde :
m = masa expresada en gramos. c = velocidad de la luz (3 E10 cm/s)
En consecuencia:
E = 1,66 10 -24 g x ( 3 1010 )2 cm2/s2 = 1.494 10 -3 gcm2/s2
Una unidad de energía comúnmente usada en física, es el ergio:
1 ergio = 1 g x cm2/s2
de esta forma:
E = 1,494 10 -3 ergios.
o sea que por cada u.m.a. se producen 1.494 10 -3 ergios.
Existen otras unidades de energía tales como el Joule y el electronvoltio.
1 eV = 1,6 10 -19 Joule y 1 eV = 1,6 10 -12 ergios
Ya que el eV es una cantidad muy pequeña la energía suele expresarse en keV y
MeV (Kiloelectronvoltio y Megaelectronvoltio, respectivamente)
1 kev = 1000 eV 1 MeV = 1000000 eV.
De esta manera se puede expresar la energía producida por u.m.a. y convertirla así:
1 u.m.a. = 1,494 10 -3 ergios
1 Mev. = 1.6 10 -6 ergios
1 u.m.a = 931 MeV.
Energía de unión del núcleo
En principio, la masa atómica de un nucleido podría entenderse como función de sus partículas constitutivas; pero, si se pesara en forma precisa cada una de ellas y luego la del átomo en su totalidad se vería que ésta es menor que la suma de todas ellas, como ya dijimos en la unidad 1.
Esta diferencia es lo que se conoce como “defecto de masa”.
Defecto de masa: Es la masa que se transforma en energía para mantener el
núcleo unido.
Por ejemplo calculemos la masa de los nucleones de He4
2 :
2 (1,008 ) + 2 ( 1,009) = 4,034 u.m.a
La masa de un núcleo de He es de 4, 004 u.m.a.
Entonces 4,034 - 4,004 = 0,030 u.m.a. (defecto de masa)
Desintegración Radiactiva
La desintegración radiactiva, que ya definimos, es azarosa y tiene una constante
de desintegración que depende de cada núcleo y se ajusta de esta forma a las leyes estadísticas.
Esta constante de desintegración es la probabilidad de que un núcleo desintegre en la unidad de tiempo.
Se denota con la letra λ, y es su unidad la inversa del tiempo, seg-1 min-1, año-1..
Tipos de Desintegración
Desintegración Alfa
que 82 aunque existen algunos emisores alfa que tienen un Z menor, pe. samario (Sm 62 147).
Las partículas alfa son núcleos de helio He4
2, que contienen 2 protones y 2 neutrones,
por lo que un átomo que se desintegra con emisión alfa pierde: 4 unidades de su número másico (A) y 2 de su Z.
El esquema de desintegración puede representarse así:
y es X el nucleido madre; e Y, el nucleido hija.
De esta forma la desintegración alfa, da lugar a la formación de un núcleo hija que será cuatro unidades de A menor y tendrá dos unidades de Z menos.
Po210
84 Pb20682 + He42
La representación gráfica de la transformación que sufre el nucleido del ejemplo, recibe el nombre de esquema de desintegración:
Po210 84
100% α = 5.31 Mev
Pb206 82
Los decaimientos por emisión alfa, se indican con flechas hacia la izquierda;
generalmente en el esquema de desintegración, se consigna la energía con la cual se emite la partícula y además el porcentaje de núcleos madre que desintegran por alfa.
Se pueden encontrar esquemas más complicados, por ejemplo : Th228 90 0.03% .289 MeV 0.4% .253 MeV 0.2% .216 MeV
α = 5.11 MeV
28% .084 MeV 71% Ra224 88Las flechas verticales indican desintegración gamma.
X
AY
A-4Desintegración Beta
La desintegración beta puede ser de dos tipos: negativa o positiva.
Las partículas beta negativas, son electrones que se generan en el núcleo y poseen mayor velocidad que los electrones orbitales. La generación de estos electrones sigue el mecanismo de transformación de un neutrón en un protón, más una partícula beta y una partícula sin carga, de masa despreciable, llamada neutrino.
n p+ + β- + ν
n p+ + e- + ν
La desintegración beta negativa se puede representar así: A A
Χ Υ
Z Z + 1 Nucleido madre Nucleido hija
Como ejemplo de este tipo de desintegración podemos mencionar la del Sr 90
Sr 90 Y 90 + β- + ν
El esquema de desintegración puede representarse así: Sr90
38
Y90 39
La emisión beta presenta un espectro de energías, que van desde cero hasta un valor máximo. Este valor máximo, corresponde al valor de máxima energía que aparece en tablas. Esto significa que el electrón proveniente del núcleo que está desintegrando puede adquirir cualquier energía entre cero y su máximo, ya que la energía total involucrada en la desintegración es repartida entre él y el neutrino (hay energía cinética del núcleo, pero es despreciable). Como consecuencia de todo esto si se observa un espectro beta veremos que la forma del espectro no presenta picos definidos:
No de partic.
Energía máxima E (MeV)
Desintegración beta positiva
El mecanismo de emisión implica la transformación de un protón en un neutrón
y un positrón que es emitido junto con un neutrino de acuerdo al siguiente
esquema:
p+ n + e+ + ν
p+ n + β+ + ν
La desintegración beta positiva puede representarse así:
A A
Χ Υ + β+ + ν
Z Z - 1
Nucleido madre Nucleido hija
En este tipo de desintegración el núcleo hija tiene un Z que es una unidad menor
que el de la madre; y, como en el caso de la emisión beta negativa, el número
másico también se conserva.
Como ejemplo se puede mencionar el Na22
11 :
Na22
11 Ne2210 + β+ + ν
Su esquema de desintegración es:
Na22 11 CE 10% β+ 90% Emax =1.280 MeV Ne22 10
Desintegración Gamma
La radiación gamma es una radiación electromagnética del mismo tipo que la luz.
A diferencia de las anteriores no se desvía en un campo magnético indicando que sus partículas no poseen carga eléctrica, y además, no hay variación del número másico (A) ni del número atómico (Z).
Captura Electrónica
En este tipo de desintegración, el núcleo capta un electrón de las órbitas electrónicas interiores, generalmente de la capa K. Esta órbita vacante es llenada por un electrón de una de las capas exteriores, y da lugar a la emisión de rayos X, que es la única indicación de que se ha producido una transformación.
El electrón capturado, junto con un protón del núcleo, generan un neutrón y un neutrino monoenergético, a diferencia del producido en la desintegración beta.
e- + p+ n + ν
Un ejemplo de esta desintegración es:
I125 53
100% CE . 149 MeV
Te125 52
El mecanismo de captura electrónica se puede esquematizar así: A A
Χ + e- Υ
Z Z - 1 Nucleido madre Nucleido hija
Conversión Interna
La conversión interna se produce cuando fotones gamma que no pueden escapar a la nube de electrones que rodea al núcleo, le transfieren suficiente energía a uno de éstos y lo expulsan del átomo.
Este proceso se lleva a cabo en el nivel K. La energía con la cual se expulsa al electrón es igual a la energía de excitación menos la energía de unión del electrón en su órbita, de ahí que los electrones de conversión interna son mono energéticos.
Transición Isomérica
Este tipo de desintegración se produce entre pares de radionucleídos que tienen A y Z iguales, pero que tienen energías diferentes.
Generalmente uno de los isómeros del par es metaestable y logra el estado fundamental o un estado inferior de energía, que emite radiación gamma.
Como ejemplo podemos citar el decaimiento del Sr87m:
0.390 MeV Sr87m 38 0 Sr87 38
Decaimiento Radiactivo
Si consideramos el decaimiento radiactivo de un elemento dado, de tal manera que
en el instante t = t0 observamos que hay No = N (t0), veremos que en un intervalo
de tiempo ∆t a partir de t0 se habrán producido algunas desintegraciones; es decir,
que ya no tendremos N0 núcleos del elemento observado, sino un número menor
N (t).
La diferencia ∆N entre N (t0) y N(t) es el número de núcleos que se han desintegrado.
Esta diferencia ∆N es un número negativo, por lo tanto - ∆N han sido las desintegraciones ocurridas en el lapso ∆t.
Cuando hablamos de desintegración radiactiva mencionamos una constante propia de cada especie que denotamos con la letra λ y dijimos que era la probabilidad de que un núcleo desintegre en un cierto intervalo de tiempo.
De esta forma si queremos calcular la probabilidad de desintegración en el intervalo
∆t sabiendo que λ tiene unidades de tiempo -1,sólo tenemos que multiplicar:
λ . ∆t (3)
por otro lado la misma probabilidad expresada matemáticamente es:
No de casos favorables
No de casos posibles
El numerador es - ∆N, porque son efectivamente las desintegraciones que se
produjeron en ∆t; y el denominador es N0 porque cualquiera de los N0 núcleos
presentes a t0 tenían igual probabilidad de desintegrarse. Entonces:
- ∆N (4)
Si ahora igualamos las ecuaciones 3 y 4, obtenemos
- ∆N = λ . ∆t (5)
N0
A partir de esta ecuación, haciendo algunas operaciones matemáticas se llega a :
Nt = No . e- λt (6)
Esta expresión nos permite calcular el número de núcleos de una sustancia activa presentes en el tiempo t, y conoceremos cuántos había en el instante inicial t0 .
Semiperíodo de Desintegración
Es definido como el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos
que se encontraban presentes en t0, se reduzca a la mitad.
El semiperíodo es otra variable asociada a la velocidad de desintegración. Reemplazando en la ecuación 6, podemos hallar su relación con λ:
T = ln2 = 0.693 λ λ
El T puede tener valores que van desde microsegundos, hasta millones de años.
Actividad
Usualmente para expresar la velocidad de decaimiento se define la Actividad, que es:
La variación del número de núcleos por unidad de tiempo. O lo que es lo mismo:
∆N ∆t
Como vimos antes este cociente es igual a -λ N
Entonces:
Multiplicando la ecuación (6) por λ en ambos miembros se obtiene: λ N t = λ N 0 . e- λt (9)
que es lo mismo a:
A t = A 0 e-λt (10)
donde At es la actividad presente a tiempo t siendo A0 la actividad inicial a t = t0.
La actividad es medida en desintegraciones por minuto (dpm) o en desintegraciones por segundo (dps).
Curie
La Actividad de una sustancia radiactiva puede medirse en curies (Ci ), que es la
actividad de un nucleido cuya velocidad de desintegración es 2,2 x 1012 dpm o 3,7
x 1010 dps.
Hay una equivalencia entre las unidades de radiactividad:
Unidad dps dpm
1Ci 3.7 x 1010 2,22 x 1012
1mCi 3,7 x 107 2,22 x 109
1 uCi 3,7 x 104 2,22 x 106
1 nCi 3,7 x 10 2,22 x 103
Hoy día se emplea el Bequerel (Bq), con una equivalencia de 1 Bq = 1 dps.
Actividad y Masa
La actividad de una muestra radiactiva es proporcional al número de núcleos presentes, y la masa de la sustancia también lo es debido a que:
(11) m = N Pa Peso atómico
Na No de Avogadro
Entonces, combinando las ec. 5) y 7) es posible relacionar la masa con la actividad:
(12) A = λ . m . Na
Vale aclarar que la masa es la que corresponde a los núcleos que no se desintegraron todavía.
De esta expresión podemos deducir otra variable importante que es la Actividad
específica, esto es la Actividad por unidad de masa.
De esta forma:
(13) A = λ Na = AE Siendo AE la actividad específica.
m Pa
Usualmente es expresada en Ci/g de un radionucleidos, aunque puede ser también expresada en dpm/ug, pCi/ug, etc..
Desintegraciones Sucesivas
En la mayoría de los casos, la especie radiactiva que se está desintegrando da lugar a la formación de otra especie que también se desintegra, con una constante de desintegración diferente a la del núcleo madre y también a la del núcleo hija. De esta manera se originan las series radiactivas que pueden ser representadas así:
T1 T2
X1 X2 X3
Si para nuestro ejemplo suponemos que X3 es estable, que a t = t0 hay N1,0 átomos
con una constante de decaimiento λ1, y además, no hay átomos de la hija; entonces,
después de un intervalo de tiempo ∆t, el incremento ∆N2 (núcleos de la hija) estará
dado por la velocidad de decaimiento de la madre, menos la velocidad de decaimiento de la hija en ese ∆t.
Si la velocidad de decaimiento de la madre es λ1 . N1 y la velocidad de decaimiento
de la hija es λ2 . N2, entonces:
(14) ∆N2 = λ1 . N1 - λ2 . N2 (núcleos hija presentes en ∆t) ∆t
Haciendo uso de la ecuación 6), y luego de algunos pasos matemáticos, se integra la ecuación 14) y se obtiene:
(15) N2 = N1,0. λ1 ( e-λ1t - e-λ2t ) + N 2,0 e-λ2t
λ2 - λ1
de átomos hija al tiempo t0. = 0.
Como supusimos que inicialmente no había átomos de la hija presentes, entonces el último término de la expresión anterior es cero. Además, vemos que el producto N1,0 . λ1 es la actividad de la madre a t = 0.
Si ahora multiplicamos ambos miembros de la ecuación anterior por λ2 y la
reescribimos en función de los semiperiodo obtenemos: (16) A2 = A1,0 T1 ( e-0.693 . t / T1 - e-0.693 t/ T2 )
T1 - T2
Ésta es la expresión de la actividad de un radionucleido hija a tiempo t,
conociendo la actividad inicial de la madre a t0 = 0 y suponiendo que inicialmente no
había núcleos de la hija presentes.
Equilibrio Transitorio
Este tipo de equilibrio, se presenta cuando la madre tiene un semiperíodo mayor
que el de la hija; y se observa que al principio la relación de actividades madre - hija
crece, hasta que llega un momento al cabo de aproximadamente siete semiperiodos de la hija, en que esta relación permanece constante. Se dice entonces que el par
madre - hija ha entrado en equilibrio transitorio (Fig 1).
Figura 1 - Equilibrio Transitorio
Actividad
Tiempo (días)
99 Mo 99m Tc
Ésta es la característica del equilibrio transitorio en el cual la desintegración de la “hija” ocurre en función del período de desintegración de la “madre”; éste es el caso
de un generador de 99Mo/99mTc.
(extraído de http://www.idecefyn.com.ar/radiofarmacia/Produccion%20de%20Radionuclidos.htm).
Observando la ecuación (16) puede notarse que el término exponencial que contiene al semiperíodo de la hija, puede despreciarse frente al otro exponencial. De esa manera la ec. (16) adquiere la forma:
(17) A2 = A1,0 T1 ( e-0.693 . t / T 1)
T1 - T2
que es lo mismo que:
(18) A2 = A1 T1
T1 - T2
Siendo A2 la actividad de la hija a tiempo, t y A1 la actividad de la madre a tiempo,
t.
Equilibrio Secular
Cuando el semiperiodo de la madre es mucho mayor que el de la hija, el término exponencial de la hija en la ecuación (18) se hace despreciable frente al de la madre; y también es posible despreciar el semiperiodo de la hija frente al de la madre en la misma ecuación, de tal manera que:
(19) A2 = A1.0 T1 (e-λ
1t ) queda:
T1 - T2
(20) A2 = A1
De aquí puede concluirse que en el equilibrio secular:
1) La actividad de la madre es igual a la de la hija (Fig. 2).
Figura 2
El equilibrio secular ocurre en aquellos casos en los cuales el periodo de desintegración de la “madre” es mucho mayor que el de la “hija” y ambos radionúclidos
decaen con el periodo de la “madre”. Éste es el caso del generador de 113Sn/113mIn.
(Extraido de http://www.idecefyn.com.ar/radiofarmacia/Produccion%20de%20Radionuclidos.htm).
Mezclas de Radionucleidos Independientes
En el caso de dos radionucleidos que no se relacionen genéticamente entre sÍ, cada uno se desintegrará independientemente del otro, y cumplirá con la ley exponencial descripta por la ecuación (10).
En la Fig. 3 puede observarse cómo la curva suma (Actividad del nucleido 1 + Actividad del nucleido 2), varía continuamente su pendiente, hasta que el de período más corto desaparece.
Cuando se hacen mediciones de una mezcla de radionucleidos, y éstas se llevan a cabo hasta que los puntos den una línea recta, el nucleido de periodo más corto ya habrá desaparecido y la cola corresponderá al nucleido de periodo más largo. Para hallar la actividad correspondiente al nucleido más corto, se extrapola la cola hasta el origen y se resta de la curva experimental.
Actividad
Tiempo (horas)
113 Sn
Figura 3
Tabla de Nucleidos
En la Fig. 4 se muestra un diagrama de Z en función de N, para un gran número de nucleidos. Dicho diagrama, recibe usualmente el nombre de tabla de nucleidos.
Es muy importante notar que los nucleidos estables parecen agruparse a lo largo de la recta Z=N.
Por supuesto hay desviaciones respecto de dicha recta. Por ejemplo: para un Z grande, los nucleidos estables tienden a tener un mayor número de neutrones que de protones. También vemos que para un Z cualquiera, puede haber varios isótopos estables y por lo tanto varios valores N posibles.
Figura 4
Forma esquemática de la tabla de nucleidos. Aparecen en ella los nucleidos
estables y aquéllos que pueden decaer mediante distintos tipos de procesos. En la figura 5, puede visualizarse la tabla de nucleidos en una zona parcial de Z = 1 a 28.
Ejercicios Resueltos
1) El elemento de masa atómica 234 y número atómico 91 tiene una constante
de desintegración radiactiva λ de 9,77 x 10 -3 seg -1. Al cabo de cierto tiempo el
número de nucleidos en una muestra ha disminuido al 10% del valor original. Calcular dicho tiempo y a cuántos periodos corresponde.
N(t)=N0e–λt N(t) /N
0 )=e–λt
Si N(t)/ N0 )= 0,1
Obtenemos: ln 0,1 = e–λt por lo tanto t = ln 0,1 / 9,77x 10 -3 seg-1 = 235,6 seg
Además T = 0,693 / λ = 70,93 seg
Entonces 235,6 / 70,93 = 3,3
Se disminuye al 10 % del número original de núcleos si transcurre un tiempo igual a 3,3 veces el periodo de semidesintegración.
2) Se desea conocer la masa de una fuente de Sodio 22 de 100 Ci de actividad,
cuyo periodo de semidesintegracion es 2,62 años.
m = T/0.693 x A X P at/NA
donde:
m = masa / T = período de semidesintegración / A = actividad / P at = peso
atómico del elemento en cuestión / NA = número de Avogadro.
A = 3,7 x 1010 x 100 = 3,7 x 1012 dps
T = 2,62 años x 365 días /año x 24 hs/día x 3600 seg/ hs = 8,8 107 seg
Reemplazando
m = 8,8 10 7seg / 0,693 x 3,7 x 1012 dps x 22 gramos / 6,023 1023 átomos /at gramo
Ejercicios Propuestos
A) Para los siguientes ejercicios, Ud. deberá enviar vía plataforma, según se le
solicite, la respuesta al tutor en un archivo.
3 - Calcular la actividad de un miligramo de cromo 51 en desintegraciones por
segundo y en Curie, sabiendo que el período de semidesintegración es de 27,8 días.
4 - Se desea conocer la masa de una fuente de Sodio 24 de 100 Ci de actividad,
cuyo periodo de semidesintegración es 15,05 horas.
5 - Una muestra contiene dos sustancias radiactivas independientes cuyas
constantes de desintegración son: λ1 = 10 -6 seg -1 y λ
2 = 10 -8 seg -1, siendo
las actividades iniciales A1.0 = 1 mCi y A2.0= 2 mCi. Calcular la actividad total al cabo de 10 días y compararla con la original.
6 - Marque según la tabla de radionucleidos la posición que ocupan las
desintegraciones alfa, beta positiva, beta negativa, y captura electrónica:
Z Z número protones
N número neutrones
N Zona de estabilidad
7 - Un isótopo radiactivo tiene un número atómico Z= 92 y A= 235, su masa
atómica es 235,0439 y su densidad 18,92 g / cm3. a) ¿De qué elemento químico se trata?
b) ¿Cuál es el número de neutrones? c) ¿Cuántos átomos hay en 100 gramos? d) ¿Qué volumen ocupan los 100 g?
e) ¿Cuántos átomos hay por cm3?
8 - a) Transforme 10mCi a Bequerel.
b) Transforme 1000 dpm a microCurie.
9 - ¿Qué tipo de radiación tiene mayor producción de pares iónicos?
B) Los siguientes ejercicios, Ud. deberá realizarlos en plataforma y allí podrá
10- La constante de desintegración radiactiva es un valor que me permite conocer: si el material radiactivo decae rápidamente.
si el material es emisor gamma.
si el material es capaz de producir efectos estocásticos.
11- La desintegración alfa es:
poco ionizante. muy ionizante.
produce ionización indirecta.
12- La desintegración beta positiva y la captura electrónica tienen diferencias
y similitudes, marcar las similitudes entre ambas en las siguientes consideraciones:
los Z en ambos decrecen. los Z en ambos aumentan.
en ambas desintegraciones, las partículas emitidas son de origen nuclear. ambas emiten rayos X.
ninguna emite rayos X.
ocupan diferentes lugares en la tabla de radionucleidos. ambas emiten electrones Auger.
ninguna emite electrones Auger.
13- Los isótopos tienen el mismo número de:
protones. neutrones. electrones.
14- Concepto de actividad
velocidad de producción de radioisótopos. velocidad de desintegración.
relación entre masa y desintegración. ninguna de las anteriores.
15- Definición de T ½ . Marque la respuesta que considere correcta.
tiempo en que tarda los radionucleidos en decaer a actividad cero. tiempo que tarde una población de nucleidos en decaer a la mitad. tiempo en que tarda una población en aumentar su actividad al 50%. ninguna de las anteriores.
16- La dosis debida a fuentes naturales es variable y depende de diversos
factores como:
La altura sobre el nivel del mar.
El contenido de material radiactivo en el suelo. La altura de las mareas.
Las corrientes climáticas. Las explosiones nucleares.
17- Los electrones Auger son de origen: extranuclear.
Glosario
Nucleido. Isóbaros. Isótopos. Isómeros. Número de Abogador.u.m.a, ergios, Joule, electrovoltios. Defecto de masa.
Desintegración radioactiva. Constante de la misma. Nucleido madre e hija.
Desintegración alfa, beta positiva y negativa, gamma. Captura electrónica. Conversión interna. Transición Isomérica. Decaimiento radioactivo. Semiperíodo de desintegración. Actividad. Curie. Actividad específica.
Equilibrio transitorio y secular.
Mezclas de radionucleidos independientes. Tabla de nucleidos.
Unidad
3
Protección
Radiológica
Interacción
de la Radiación
con la Materia
Objetivos específicos de la Unidad 3
Interpretar distintas reacciones de la materia ante el paso de electrones.
Reconocer los efectos que producen las mismas.
Describir la secuencia de procesos que originan cada una de esas reacciones.
Internalizar el significado de distintos coeficientes y su comportamiento según
el material.
Diferenciar distintas dispersiones, así como otras reacciones.
Introducción
Todos los empleos de la radiación están basados en cualquiera de las dos siguientes propiedades:
Penetración de la materia. Las radiografías, por ejemplo, son posibles gracias
a que los rayos X penetran de manera distinta a los diferentes materiales.
Depósito de energía. Por su lado, en la radioterapia se busca depositar energía
en los tejidos malignos para eliminarlos.
A final de cuentas, el depósito de energía en el material, también da lugar a una
elevación de temperatura.
Lo que le sucede a la radiación al pasar por la materia es, por tanto, de primordial interés en varios campos. Uno es el ya mencionado de la medicina. Otro, que más
nos incumbe aquí, es el de la protección radiológica.
Además, la presencia misma de la radiación en general, no es evidente si no se cuenta con detectores especiales, cuya función es hacernos notar los efectos que la radiación les induce.
Si los orígenes de las radiaciones son atómicos o nucleares, también es de esperarse que sus efectos se inicien a nivel atómico o nuclear. Imaginemos a nivel microscópico que una de las radiaciones que hemos descrito penetra en un material. Lo que
esta radiación encuentra a su paso son: electrones y núcleos atómicos; pero en
general mucho más electrones que núcleos (por cada núcleo hay Z electrones). Por lo tanto, en términos generales las interacciones con los electrones serán mucho más abundantes que con los otros núcleos.
Los efectos más comunes son la ionización y la excitación atómica del material; menos numerosos son los cambios estructurales..
La energía promedio necesaria para producir ionización en un elemento, depende de su número atómico, como ya hemos dicho:
En los elementos ligeros es del orden de decenas de eV.
Para aire se acepta el valor de 34 eV.
Aunque no toda la energía se va a ionizar, esto significa que una sola radiación de
energía de varios MeV es capaz de producir un total de unos 100 000 pares ión-electrón en aire. La forma detallada en que se produce esta ionización, es distinta
para cada tipo de radiación y su energía.
Conviene separar los tipos de radiación en cuatro grupos según su interacción con la materia:
1) Las partículas pesadas cargadas positivamente, que incluyen partículas alfa, protones e iones pesados energéticos.
2) Las partículas ligeras cargadas, como electrones, betas y positrones.
3) Las radiaciones electromagnéticas, incluyendo rayos X y gamma.
4) Los neutrones. La figura 1 esquematiza los rasgos principales de estos
procesos.
Figura 1 - Resumen de cómo los distintos tipos de radiación interaccionan con la materia.
Paso de Partículas Alfa y otros Iones por la Materia
Las partículas alfa (y otros iones pesados) tienen carga positiva y carga grande.
Al penetrar la materia atraen a su paso eléctricamente a los electrones cercanos, y producen la ionización de estos átomos. Pierden una pequeña fracción de su
energía en cada ionización producida, y se frenan gradualmente hasta llegar al reposo. Cuando su velocidad ya se ha reducido de manera sensible, atrapan
electrones del material, finalmente se detienen, y constituyen átomos extraños de
