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FUENTES DE RADIACIÓN IONIZANTE La mayor parte de la radiación recibida por la población del mundo proviene de fuentes naturales, siendo inevitable la exposición a la mayoría de ellas. Durante las ultimas décadas, el hombre ha producido artificialmente radionucleidos y ha aprendido a utilizar la energía nuclear con diferentes propósitos, tales como la aplicación con fines médicos, la generación de energía eléctrica, la prospección de minerales, etc. Estas fuentes, denominadas artificiales, aumentan la dosis de radiación recibida por los individuos y por la sociedad en su conjunto. Antes de analizar las diferentes variedades de fuentes naturales y artificiales existentes, veamos algunas nociones básicas sobre radiactividad.

FENÓMENO DE LA RADIACTIVIDAD En la naturaleza hay ciertos elementos inestables en el sentido que pueden emitir espontáneamente partículas o radiación modificando la naturaleza o el estado de los núcleos de sus átomos. Este proceso de emisión se llama desintegración radiactiva y el fenómeno radiactividad. La desintegración radiactiva responde a las leyes estadísticas y sus propiedades son independientes de cualquier influencia del entorno, tales como, presión, temperatura, campos eléctricos o magnéticos y reacciones químicas. Para precisar más, es una propiedad característica de cada nucleido en particular. Se suele denominar nucleido, al núcleo estudiado, sin hacer referencia al átomo del que forma parte. Considerando una muestra formada por átomos de un elemento radiactivo, en instantes de tiempo estadísticamente al azar se producirán desintegraciones radiactivas. Esto ocurrirá con una probabilidad, que es propia del nucleido considerado. Se define entonces una constante de desintegración, que es la probabilidad de que un núcleo se desintegre en la unidad de tiempo. Se la denota con la letra l y su unidad es la inversa de tiempo, por ejemplo: segundo-1, minuto-1, año-1.

TIPOS DE RADIACIONES Los trabajos de P. Becquerel, M. Curie y E. Rutherford entre 1896 y 1907, demostraron no sólo la existencia de la transformación espontánea llamada desintegración, sino también que había radiaciones que tenían distinto poder de penetración. Fuentes de radiación ionizante - Capítulo 1

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A las radiaciones menos penetrantes, que son absorbidas por una hoja de papel o una delgada lámina metálica, se las denominó rayos a y a otras, más penetrantes, rayos b. Se comprobó que estos rayos, que podían ser desviados por un campo magnético, son de naturaleza corpuscular. Más tarde se reconoció que las partículas a son núcleos de helio y las partículas b, electrones. Otro tipo de radiación, a la que se denominó rayos g, que no se desvía en presencia de un campo magnético, fue identificada con la emisión de radiación electromagnética o fotones. También se detectaron partículas con propiedades idénticas a las b pero cuya desviación en un campo magnético indicaba que tenían carga positiva. A éstas se las llamó b+, y a las anteriores, para diferenciarlas, b-. En la Tabla 1 se muestran algunas propiedades generales de los tipos de radiación emitida por núcleos radiactivos y en la Figura 1 un esquema representativo de la penetración de la radiación. Interesa la penetración de la radiación en la materia fundamentalmente por dos motivos, primero, porque cuando la radiación es frenada se produce una conversión de la energía de la radiación en energía térmica y, segundo, porque la radiación es dañina para los sistemas biológicos y es necesario conocer cómo protegerlos de las fuentes de radiación. Tabla 1. Naturaleza y penetración de la radiación Radiación

Naturaleza

Carga

Penetración en aire

Penetración en sólidos

a

núcleo de helio (2 protones y 2 neutrones)

+2e

~ centímetros

~ micrómetros

b

electrón

-1e

~ metros

~ milímetros

g

Radiación electromagnética

0

~ 100 metros

~ centímetros/metros

Figura 1. Penetración de la radiación

Fuente a

Papel

Fuente b

Detector

Fuente g Fuente a Fuente b

5 mm de Aluminio

Detector

1 cm de Plomo

Detector

Fuente g Fuente a Fuente b Fuente g

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Capítulo 1 - Fuentes de radiación ionizante

LEY DE DECAIMIENTO En una muestra de materiales radiactivos compuesta por N0 núcleos en un instante t0, se producirán desintegraciones radiactivas de modo que en un instante t posterior ya no se tendrá N0 núcleos de la sustancia original, sino un número menor dado por la siguiente expresión conocida N ( t) = N 0 e -lt como ley general de la desintegración radiactiva: Esta expresión permite calcular el número de núcleos de una sustancia activa presentes al tiempo t, conociendo cuántos había en el instante t0. La constante l es una propiedad de cada nucleido que lo identifica inequívocamente, independiente de cualquier factor exterior. En consecuencia, si se conoce una sustancia es posible identificar su l y si se mide el l de una sustancia incógnita, se puede revelar su naturaleza. Es cómodo definir otra magnitud asociada a la velocidad con que una sustancia radiactiva se desintegra, llamada indistintamente semiperíodo de desintegración, período de semidesintegración, o simplemente período. El período T es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos de una sustancia radiactiva en una muestra se reduzca a la mitad de su valor inicial, es decir: Si se reemplaza en la ley general de la desintegración, se hallará la relación entre T y l:

N(T) =

T=

N0 2

In2 0,693 = l l

El período se mide en unidades tiempo. Su valor puede variar desde el orden de los 10-10 segundos hasta 1015 años. En la Tabla 2 se presentan algunos valores indicativos. Tabla 2. Valores indicativos del período de semidesintegración Nucleido Radiactivo

Período T

Constante de Desintegración l

U

4,5 . 109 años

4,9 . 10-18 s-1

Ra

1620 años

1,3 . 10-11 s-1

I

8,05 días

10 . 10-7 s-1

33 76

As

26,5 horas

7,3 . 10-6 s-1

218 84

Po

3,05 minutos

3,78 . 10-3 s-1

218 85

At

3,05 minutos

0,4 seg-1

214 84

Po

1,64 . 10-4 segundos

4,23 . 10-3 s-1

238 92 86 26 131 53

Fuentes de radiación ionizante - Capítulo 1

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ACTIVIDAD En una muestra dada de material radiactivo se desintegran dN núcleos en el tiempo dt. Enæ dN ö tonces el cociente ç - ÷ es el número de núcleos que se desintegran en la unidad de è dt ø tiempo. Esta magnitud, que puede entenderse como dN A =una velocidad de desintegración, se llama actividad, y dt se la denota con la letra A: A partir de la expresión anterior es posible expresar la actividad como función del tiempo:

A( t) = A O e -lt

Se observa que la actividad sigue también una ley exponencial. La actividad se puede presentar medida en unidades inversas de tiempo, por ejemplo, como “desintegraciones/segundo”. La Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU), en su Publicación Nº 33, recomienda el uso del Becquerel (Bq) como unidad de actividad. Se define el Becquerel como una de1 Bq = 1 s -1 sintegración por segundo: Dado que 1 Bq es una cantidad muy pequeña de actividad es muy frecuente el uso de los múltiplos del mismo, por ejemplo, MBq, GBq, TBq, etc. Durante mucho tiempo se utilizó otra unidad de actividad llamada Curio o Curie. El Curie, cuya abreviación es Ci, es una unidad de actividad definida como la cantidad de cualquier nucleido radiactivo 1Ci = 3,7.10 10 Bq 10 que produce 3,7.10 desintegraciones por segundo. Se puede escribir entonces: Si se desconoce el período T de una sustancia, para la que se pudo graficar A(t) en cierto intervalo de tiempo mayor que dicho período, se puede hacer una determinación gráfica del mismo en forma muy sencilla como se aprecia en la Figura 2.

ACTIVIDAD ESPECÍFICA La actividad específica de una muestra de sustancia radiactiva es la actividad de dicha muestra por unidad de masa y se expresa en Bq/g.

Ae =

A m

TABLA DE NUCLEIDOS Todos los isótopos existentes, estables e inestables, pueden mostrarse en una tabla como la indicada en la Figura 3.

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Capítulo 1 - Fuentes de radiación ionizante

Figura 2. Determinación gráfica del período

104

2000 des/min 1000 des/min=A 3

10

T

500 des/min=A 2

ACTIVIDAD (des/min)

T

10

2

10

1

0

10

20

60

50

40

30

70

MINUTOS

Figura 3. Tabla de nucleidos: vista parcial

4

He 3 0,000135

s 0,332

He 4 99,999862

s 0,00006 s n,p 5327

s abs< 0,05

1

s 0,028 s n,a 940

p

He 4,00260

H 1,0079

Li 6 7,5

Li 5

Li 6,941 s 70,7

2

e g 478 s n,p 480000

2p

s 0,0092

3

Be 7 53,29 d

Be 6

Be 9,01218

H1 99,985 s 0,332

H2 0,015 s 0,00053

n1 10,6 m

He 5

n

H3 12,323 a

Be 8

Bo 9 100

Be 10 1,8 - 105 a

Be 11 13,8 s

Be 12 24,4 ms

Be 14

-

b 11,5 ... g 2125; 6791 .... ba 0,77 ...

-

2a

s 0,0092

Li 8 842 ms

Li 7 92,5 -

s 0,037

b 1,25 b2a ~ 1,6

He 6 808,1 ms

He 7

n

b- 3,5

4

b 0,6 no g

Li 9 178,3 ms b- 13,6 bn 0,7 ba

Li 10

He 8 122 ms

6

Li 11 8,7 ms

b- ~ 18; 20, 4 ... g 3368; 320; .... 2590 ...; bn; b2n; b3n; ba

n

b-~ 10 ... g 981 bn

b- 11,7 ...

10

He 9

n

8

b- 0,02

2

-

b 0,8

Fuentes de radiación ionizante - Capítulo 1

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En este tipo de clasificación, originalmente propuesta por E. Segre, se representan los nucleidos conocidos (emisores artificiales, naturales o núcleos estables) en un sistema de ejes en el cual Z, número atómico, corresponde a las ordenadas y N = A - Z, número de neutrones, a las abscisas. Los isótopos son nucleidos con el mismo número de protones y se encuentran ubicados horizontalmente uno al lado del otro. Los isótonos son nucleidos con el mismo número de neutrones y se encuentran ubicados verticalmente uno encima del otro. Los isóbaros son nucleidos con el mismo número de nucleones, A = N + Z, y se encuentran ubicados sobre una diagonal de pendiente negativa. En la Figura 4 se muestran esquemáticamente los aspectos mencionados. Figura 4. Esquema de la tabla de nucleidos

ISÓBAROS

49 48 74

47

ISÓTOPOS 45

Z

72

44 43 60

62

N

64

66

68

70

ISÓTONOS

Cada nucleido ocupa un cuadrado cuyo color identifica sus propiedades. Para cada nucleido se indica el símbolo, el número másico y la abundancia del mismo, si fuese estable. También figuran, el período de semidesintegración, el tipo o tipos de decaimiento radiactivo y la energía de la radiación emitida. Los elementos estables ocupan una estrecha franja indicada habitualmente con un grisado característico. En las Figuras 5 y 6 se pueden observar algunos detalles más específicos de la tabla de nucleidos. página 6

Capítulo 1 - Fuentes de radiación ionizante

Figura 5. Tipos de desintegración: colores y símbolos

Nucleidos estables

Radionucleidos primordiales, esto es, los producidos durante la formación de la materia terrestre y presentes en ella hasta el presente.

b+ : Desintegración b + : Captura electrónica b : Desintegración ba : Desintegración a Sf : Fisión espontánea p : Desintegración p

e-

e+ b

Los datos de la columna izquierda se refieren al estado metaestable y los de la derecha al estado fundamental. lg: indica fotones g emitidos en la transición al estado fundamental.

b-

a

sf

p

lg

Indica que la asignación de datos de desintegración al estado metaestable o al estado fundamental es dudosa. Los isómeros de períodos cortos que se desintegran exclusivamente por fisión espontánea, se indican mediante un rectángulo vertical verde.

Fuentes de radiación ionizante - Capítulo 1

sf

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Figura 6. Clasificación de los símbolos y datos

ELEMENTOS

Cd 112,41

Símbolo del elemento 12 Peso atómico estándar basado en C=12 Sección eficaz de absorción para neutrones térmicos (b)

s 2450

NUCLEIDOS ESTABLES

Te 126 18,95 s 0,135 + 0,90

Se 77 7,6

17,5s I g 162

s 42

Símbolo del elemento y número de nucleones Abundancia isotópica en el elemento natural expresada en por ciento atómico Secciones eficaces de los procesos (n,g) para la formación del 127m

Te y del 127g Te con neutrones térmicos (b)

Símbolos del elemento y números de nucleones Lado izquierdo: período de semidesintegración del estado metaestable energía del fotón g emitido durante la transición isométrica en keV Lado derecho: abundancia isotópica en el elemento natural en por ciento atómico; sección eficaz (n,g) para neutrones térmicos (b)

NUCLEIDOS INESTABLES

Tm 170 128,6 d

b- 1,0...

e

g 84... e_, s 92

Sr 85 67,7m 64,9d I g 232 ...

e;b+...

g 151...

Am 240 50,8 h

e sf a g g

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5,378... 988; 889...

Símbolo del elemento y número de nucleones Período de semidesintegración Formas de desintegración; energía máxima de la radiación b en MeV, energía del fotón g en keV Electrones de conversión y sección eficaz (b) del proceso (n,g) para neutrones térmicos

Símbolo del elemento y número de nucleones Períodos Ambos estados se desintegran por captura electrónica, pero el estado metaestable también pasa parcialmente al estado fundamental 5%