Departamento de Fsica Fac Ciencias Exactas UNLP Series

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 1

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 2 Series radiactivas Un grupo de radioisótopos genéticamente relacionados en el cual cada isótopo sucesivo es formado como resultado de la desintegración alfa o beta de un isótopo precedente. Cada serie radiactiva tiene un isótopo padre, que es el que tiene la mayor vida media. Las series radiactivas terminan en un isótopo estable. Si un núcleo emite una partícula alfa su número atómico y su masa cambian. Si un núcleo emite una partícula beta su número másico no cambia. Luego, en cada serie radiactiva, el número másico de los miembros difiere en múltiplos de cuatro o no cambia. Así podemos distinguir las series radiactivas según el resto de dividir por cuatro el número másico de uno de los miembros sea cero, 1, 2 ó 3. Así, las los números másicos de los elementos de las series pueden ser dados por la fórmula general 4 n, donde n es un número entero, ó 4 n+1, 4 n+2 ó 4 n +3.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 3 Las series radiactivas son usualmente nombradas de acuerdo a al isótopo padre: Asi se habla de la serie del Torio, del Neptunio, del Uranio (238 U) y del actino (235 U) Debe quedar claro que cada isótopo radiactivo pertenece solo a una serie específica. Las series del Torio, del 235 U y del 238 U existen en la naturaleza. La razón para esto es que las vidas medias del 232 Th (1. 41 × 1010 años), 235 U (7. 13 × 108 años) y 238 U (4. 51 × 109 años) son comparables a la edad de la tierra (varios miles de millones de años ) y que estos isótopos aún no han desaparecido. Estas series naturales terminan en los isótopos estables del Pb: 208 Pb, 207 Pb y 206 Pb. La vida media del 237 Np es 2. 14 × 106 años. Esta serie no es encontrada en la naturaleza. Los isótopos de esta serie fueron obtenidos artificialmente en la década del 40 y del 50. La serie del 237 Np termina en el isótopo estable 209 Bi.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 4 Cada serie radiactiva incluye tanto isótopos de larga vida como de corta. Si un isótopo pertenece a una serie radiactiva natural debe estar presente en la naturaleza aun si su vida media es muy corta. Esto esta relacionado al establecimiento, con el tiempo, del equilibrio secular en la serie. El tiempo necesario para llegar a ese equilibrio es del orden de 10 veces el tiempo de vida más largo de algún miembro de la serie. En el equilibrio secular la razón de formación de un isótopo es igual a la razón de su desintegración. Así, el contenido del isótopo permanece virtualmente sin cambiar durante cientos de años. Su presencia decrece en forma indetectable con la desaparición del padre de la serie.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 5

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 6

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 7

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 8 ¿En estos procesos, cuántas partículas y cuántas son emitidas? ¿Hay una fórmula general?

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 9 ¿En estos procesos, cuántas partículas y cuántas son emitidas? ¿Hay una fórmula general?

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 10 Realizando un experimento similar al de Becquerel, es posible reproducir a nivel doméstico, la demostración de la existencia de la radiactividad natural de algunos elementos químicos como el potasio y el torio. El potasio es el elemento químico cuyo símbolo es K y su número atómico es Z=19. Es un metal alcalino de color blanco plateado que se oxida rápidamente en el aire y se lo considera un elemento esencial, es decir, su consumo es imprescindible para preservar la vida. El potasio constituye el 2, 4% en peso de la corteza terrestre, siendo el séptimo elemento en abundancia. Se lo encuentra en muchos alimentos como la banana, las carnes, la leche y la berenjena.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 11 La hipertensión arterial y el potasio Un número significativo de personas sufren de hipertensión arterial, o sea que normalmente tienen valores altos de presión sanguínea. La hipertensión arterial se asocia a tasas de morbilidad y mortalidad considerablemente elevadas y es considerada como uno de los problemas más importantes de salud pública ya que afecta cerca de 1. 000 millones de personas a nivel mundial. Se recomienda a estos enfermos evitar en las comidas el uso de la sal común de mesa (Cloruro de Sodio – Na. Cl) ya que la misma produce retención de agua a nivel celular. Pero es factible sustituirla por una sal dietética especial en la cual se sustituye el sodio por el potasio.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 12 La radiactividad natural del potasio Se conocen 17 isótopos del potasio y sólo 3 son naturales (K-39, K-40, K-41). Entre ellos, el principal por su abundancia relativa es el K-40, que es radiactivo y se transforma con una vida media de 1. 250 millones de años en argón-40 y calcio-40. La desintegración radiactiva del K-40 en Ar-40 se emplea como método para la datación de rocas, a partir de la hipótesis de que éstas no contenían argón cuando se formaron, y que el formado posteriormente no escapó de ellas, sino que fue retenido. De este modo, el argón que se encuentra presente en la roca, se supone debe provenir completa y exclusivamente de la desintegración del potasio original.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 13 El torio (Th) es el elemento químico de número atómico Z=90. Se trata de un elemento de la serie de los actínidos que se encuentra en estado natural en los minerales como la monazita, torita y torianita. El mismo tiene importantes aplicaciones en la fabricación de piezas para motores, y en el futuro posee un gran potencial ante la posibilidad de utilizarlo como parte del ciclo del combustible nuclear. Sólo a título informativo, se puede afirmar que existe más energía en el interior de los núcleos de los átomos del torio de la corteza terrestre que en todo el petróleo, carbón y uranio existentes en el planeta. Este elemento pertenece a la familia de las sustancias radiactivas naturales, lo que significa que su núcleo es inestable y que en un lapso más o menos largo se transforma en otros elementos.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP El farol tipo “Sol de noche” y el torio En los campamentos o excursiones de pesca, frecuentemente se encuentran estos dispositivos utilizados para la iluminación en lugares en los cuales no hay suministro de electricidad por red. Su principal característica consiste en que posee una manta luminosa, conocida comúnmente como “camisa”, que brilla poniéndose incandescente sin quemarse. Esto se debe a que en su construcción se utiliza el torio, que es un metal radiactivo natural de alto punto de fusión. Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 14

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 15 EXPERIMENTOS DE LABORATORIO: ¿Cómo se puede comprobar que el torio o el potasio son naturalmente radiactivos? Se puede demostrar la existencia de la radiactividad procedente del torio o del potasio a través de un sencillo experimento, en el cual todos los materiales pueden ser obtenidos fácilmente.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 16 Materiales necesarios - Sal dietética para hipertensos o una manta (“camisa”) de farol tipo Sol de Noche. - Tres placas radiográficas de uso odontológico. - Objetos metálicos (llave, moneda o clips). -Procedimiento de trabajo 1)En un lugar en el cual puedan permaneceren reposo y en condiciones estables de humedad y temperatura durante un período de aproximadamente 30 días, se coloca una capa de algunos milímetros de espesor de sal dietética o la camisa del farol. Sobre ello se disponen objetos metálicos como los mencionados radiográficas. 2)Transcurrido el tiempo de exposición, se retiran las placas radiográficas y se revelan 3) Colocando las placas sobre un fondo blanco en contraluz, se observarán las imágenes formadas por la radiación que incidió sobre las placas. Las zonas claras representarán los objetos metálicos, ya que los mismos actuaron como blindaje, evitando el paso de la radiación.

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 17 Espectro de una fuente de 22 Na obtenido con un detector de Ge hiperpuro

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Espectro de una fuente de 22 Na obtenido con el detector INa(Tl) Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 18

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Carnotita Formula química : K 2(UO 2)2 V 2 O 8 • 3(H 2 O) Composición: Peso molecular = 902. 18 gm Potasio 8. 67 % K 10. 44 % K 2 O Uranio 52. 77 % U 59. 86 % UO 2 Vanadio 11. 29 % V 20. 16 % V 2 O 5 Hidrógeno 0. 67 % H 5. 99 % H 2 O Oxígeno 26. 60 % O Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 19

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Espectro de Carnotita Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 20

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Espectro de camisas de farol de noche. Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 21

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 22 Espectro gama de Uranio natural obtenido con detector de Germanio hiperpuro

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 23 Espectro gama del fondo del laboratorio GISDRAMA* • Grupo de Investigación y Servicios de Radioactividad en Medio Ambiente FCE-UNLP, IFLP-CONICET

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 24

Departamento de Física Fac. Ciencias Exactas - UNLP Series de desintegración naturales Física Experimental IV Curso 2014 Clase 11 Página 25