Tema 1 INTRODUCCIN A LAS RADIACIONES IONIZANTES NATURALEZA

Tema 1. INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES. NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA IR-OP-BA-PW 1 -1 © CSN - 2012

INDICE ü INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES ü NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN. ü Estructura atómica y nuclear ü Radiación electromagnética ü Radiactividad y reacciones nucleares ü INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA MATERIA ü Interacción de partículas cargadas con la materia ü Interacciona de fotones con la materia ü Interacción de neutrones con la materia IR-OP-BA-PW 1 -2 © CSN - 2012

INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES DESCUBRIMIENT O RADIACTIVIDAD LOS RAYOS X 1895 WILHELM K. RÖENTGEN alrededor de 1895, y la radiografía de la mano de su esposa mostrando el anillo de boda IR-OP-BA-PW 1 -3 1896 HENRY BECQUEREL, en 1896, descubre la radiactividad natural (un mineral de Uranio emite una radiación similar a los rayos X) © CSN - 2012

RADIACTIVIDAD NATURAL Y ARTIFICIAL ESPOSOS CURIE aportan grandes conocimientos; separan radio y polonio. Premio Nobel 1903 IR-OP-BA-PW 1 -4 RUTHERFORD JOLIOT-CURIE ENRICO FERMI descubre la 1934, descubren Desde 1934 naturaleza nuclear radiactividad investiga la de la radiactividad y artificial radiactividad sus emisiones: , bombardeando artificial. y (1899). átomos con Premio Nobel 1938 Transforma los partículas a. elementos químicos Premio Nobel 1935 Premio Nobel 1908 © CSN - 2012

LA RADIACIÓN IONIZANTE ES LA RADIACIÓN NATURAL ¡¡¡UNA FUERZA DE LA NATURALEZA!!! IR-OP-BA-PW 1 -5 © CSN - 2012

¡¡EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD MODIFICA EL CONCEPTO DEL MUNDO, DESDE EL ÁTOMO HASTA EL UNIVERSO!! • El átomo está formado por partículas • Se pueden transformar unos átomos en otros • Del núcleo atómico se puede extraer una gran cantidad de energía • Las radiaciones ionizantes tienen unas propiedades particulares que pueden ser utilizadas para obtener beneficios: medicina, agricultura, industria, centrales nucleares, armas. . . IR-OP-BA-PW 1 -6 © CSN - 2012

NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN LA RADIACIÓN IONIZANTE: radiación que deposita energía en el medio provocando ionizaciones en los átomos del medio La radiación ionizante es capaz de arrancar electrones a los átomos. ¿CÓMO SON LOS ÁTOMOS? IR-OP-BA-PW 1 -7 © CSN - 2012

LA RADIACIÓN IONIZANTE: radiación que deposita energía en el medio provocando ionizaciones en los átomos del medio. La radiación ionizante es capaz de arrancar electrones a los átomos. EL ÁTOMO EL NÚCLEO NEUTRÓN (0) PROTÓN (+) : Z = nº protones; define el átomo En el núcleo se concentra prácticamente toda la masa del átomo. CORTEZA ELECTRÓNICA: ELECTRÓN (-) El electrón, 1836 veces más ligero que el protón o el neutrón, se encuentra alrededor del átomo en niveles de energía estacionarios. En condiciones normales el átomo es eléctricamente neutro (nº protones=nº electrones) y los electrones están en los niveles energéticos posibles de menor energía. El átomo es la cantidad más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas. A Z IR-OP-BA-PW 1 -8 X ¡¡IONIZACIÓN!! Proceso mediante el cual el átomo pierde electrones, adquiriendo carga eléctrica. © CSN - 2012

EL ÁTOMO: A Z X • NÚMERO ATÓMICO Z = NÚMERO DE PROTONES: define el átomo Ejemplo: Carbono: Z=6 • NÚMERO MÁSICO A = NÚMERO DE PROTONES + NEUTRONES: Define la masa del átomo Ejemplo: Carbono: A=12 CARBONO IR-OP-BA-PW 1 -9 12 6 C © CSN - 2012

EL ÁTOMO: LA TABLA PERIÓDICA IR-OP-BA-PW 1 -10 © CSN - 2012

EL ÁTOMO: NÚCLEO ESTABILIDAD NUCLEAR: Compensación: * FUERZAS REPULSIÓN ++ (protones) * FUERZAS NUCLEARES DE ATRACCIÓN Los nucleones pueden existir en diversos estados de energía muy definidos. El estado que corresponde al nivel de energía más bajo es el estado fundamental NÚCLEO INESTABLE: emite partículas o radiación para alcanzar la estabilidad: RADIACTIVIDAD. Depende: nº de nucleones y su estado de energía IR-OP-BA-PW 1 -11 © CSN - 2012

EL ÁTOMO: NÚCLEO ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR: La masa del núcleo atómico es menor que la suma de las masas de sus componentes (protones + neutrones): defecto másico o energía de amarre Energía necesaria para romper un núcleo en sus componentes separadamente ( Z protones y N neutrones): ¡¡La diferencia de masa se transforma en energía!! Ej: Deuterio 2 H Masa núcleo: 2, 014102 u. a. m. Masaprotón: 1, 007277 u. a. m. ; Masaneutrón: 1, 008665 u. a. m. IR-OP-BA-PW 1 -12 E = mc 2 Masa núcelo – (Masaprotón + Masa neutrón) = 2, 014102 - 2, 016491 u. a. m. = - 0, 002389 u. a. m. = 2, 23 Me. V © CSN - 2012

EL ÁTOMO: ISÓTOPOS CARBONO: Z=6; A=12 CARBONO: Z=6; A=14 ISÓTOPOS son aquellos átomos que perteneciendo al mismo elemento (igual número atómico) tienen distinto nº de neutrones (diferente masa). IR-OP-BA-PW 1 -13 © CSN - 2012

EL ÁTOMO: CORTEZA ELECTRÓNICA Átomo excitado: el electrón está en niveles energéticos superiores El átomo se desexcitará -un electrón de un nivel energético superior pasa a ocupar la vacante en el nivel energético inferior- emitiendo un fotón de energía igual a la diferencia de energía de los niveles inicial y final. IR-OP-BA-PW 1 -14 © CSN - 2012

EL ÁTOMO: CORTEZA ELECTRÓNICA + E 1 E 2 E 3 E 4 IONIZACIÓN: ÁTOMO IONIZADO Átomo ionizado: un electrón adquiere energía suficiente (potencial de ionización) y se escapa del átomo. El átomo queda cargado positivamente. IR-OP-BA-PW 1 -15 © CSN - 2012

UNIDADES EN FÍSICA ATÓMICA MASA Neutrón ~ 1, 008 u. m. a. = 1, 675 · 10 -27 kg Protón ~ 1, 007 u. m. a. = 1, 673 · 10 -27 kg Electrón 1/1836 u. m. a. = 9, 11 · 10 -31 kg DIMENSIONES Átomos 10 -10 m Núcleo 10 -15 m Mili = 10 -3 Micro = 10 -6 Nano = 10 -9 Pico = 10 -12 Fermi = 10 -15 1 u. m. a. = Unidad atómica de masa= 1/12 átomo 12 C (Carbono con 6 p + 6 n) Energía Electronvoltio Kilo = 103 e. V Kiloelectronvoltio Ke. V 1000 e. V = 103 e. V Mega = 106 Megaelectronvoltio Me. V 1000000 e. V = 106 e. V Giga = 109 Gigaelectrovoltio Ge. V 100000 e. V = 109 e. V 1 e. V = energía cinética que adquiere un e, inicialmente en reposo, cuando se le somete a una diferencia de potencial de 1 voltio. IR-OP-BA-PW 1 -16 © CSN - 2012

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: La RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA es un transporte de energía a través del espacio que puede ser interpretar de dos maneras (naturaleza dual): 1) como una ONDA combinación de un campo eléctrico y otro magnético 2) como pequeños paquetes (FOTONES) de energía, sin soporte material A mayor energía de los fotones mayor frecuencia de la onda. Viajan a la velocidad de la luz Órdenes de magnitud de la energía que transportan los fotones: Microondas: 0, 0001 -0, 01 e. V Luz visible: 1 e. V Rayos X: 1. 000 -100. 000 e. V Rayos gamma: 10. 000 -1. 000 e. V La radiación X y gamma posee suficiente energía como para “arrancar” electrones a los átomos del medio de forma significativa: radiaciones ionizantes IR-OP-BA-PW 1 -17 © CSN - 2012

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Dos campos: eléctrico y magnético * se engendran secuencialmente por inducción * planos de propagación perpendiculares. La velocidad de propagación en el vacío de tales ondas, c, es una constante fundamental, cuyo valor es aproximadamente: c = 3 x 108 m/s IR-OP-BA-PW 1 -18 © CSN - 2012

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA fotones o cuantos de radiación La energía que transporta un fotón es proporcional a la frecuencia de la onda asociada. h = 6, 626 · 10 -34 J · s = 4, 136 · 10 -15 e. V · s IR-OP-BA-PW 1 -19 © CSN - 2012

ORIGEN DE LOS RAYOS X: • Cuando el átomo tiene exceso de energía, ésta se puede emitir por los electrones de la corteza en forma de radiación electromagnética. En ocasiones la energía emitida corresponde al espectro de los rayos X (fotones de alta energía) • Cuando los electrones que penetran en algún medio material se frenan (éste es el fundamento de los equipos de rayos X). FUNDAMENTO DE LOS EQUIPOS DE RAYOS X IR-OP-BA-PW 1 -20 © CSN - 2012

LA RADIACIÓN IONIZANTE PROVIENE LA RADIACTIVIDAD: DE: Radiación alfa, beta y gamma. emisión de partículas o radiación electromagnética de alta energía debida a la inestabilidad de los núcleos atómicos. La radiación electromagnética de alta energía: Rayos X y rayos gamma IR-OP-BA-PW 1 -21 © CSN - 2012

RADIACTIVIDAD Y REACIONES NUCLEARE Emisión espontánea de partículas o radiación por núcleos atómicos inestables. >> el núcleo se transforma dando lugar a otro núcleo estable o inestable. UN NÚCLEO PUEDE SER INESTABLE POR: desequilibrio entre sus componentes (PROTONES y NEUTRONES) exceso de ENERGÍA RADIACTIVIDAD NATURAL: propia de los cuerpos tal y como aparecen en la naturaleza. Uranio (232 U), Carbono-14 (14 C), Potasio-40 (40 K) RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL: núcleos que han alcanzado la inestabilidad mediante el bombardeo con partículas IR-OP-BA-PW 1 -22 © CSN - 2012

226 Ra 88 1602 años 222 Rn 86 26. 8 minutos 214 Pb 82 164 microseg. 214 Po 83 218 Po 84 % 8 99. 9 210 Po 84 IR-OP-BA-PW 1 -23 3. 05 minutos 0. 02 214 Bi 83 % 100 218 At 85 . 98% 99 2 segundos % 138. 4 dias 3. 823 dias 210 Pb 82 210 Bi 83 206 Po 82 19. 7 minutos 0. 02 % 21 años 1. 3 minutos 210 Tl 81 5. 01 dias 0. 00 4. 19 minutos 013 4 % Estable 206 Tl 81 © CSN - 2012

ACTIVIDAD: nº de transformaciones nucleares por unidad de tiempo (Bequerelio=Bq= nº transformaciones/s) A=Nxl l= probabilidad de que un átomo se desintegre por unidad de tiempo; N = nº átomos Comportamiento exponencial A = A 0 e-(l. t) núcleo estable núcleo inestable transformándose IR-OP-BA-PW 1 -24 © CSN - 2012

PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: Ritmo de desintegración: tiempo que ha de transcurrir para que la actividad de la muestra decaiga a la mitad T 1/2 = ln ( 2)/ l A mayor l menor t 1/2 A menor l mayor t 1/2 núcleo inestable 232 Th(torio) 137 Cs 60 Co (cesio) (cobalto) IR-OP-BA-PW 1 -25 t 1/2 núcleo estable T 1/2 = 14. 000 M. de años T 1/2 = 30, 2 años T 1/2 = 5, 26 años 222 Rn (radón) 124 In (indio) T 1/2 = 4 días T 1/2 = 3 segundos © CSN - 2012

Las sustancias radiactivas se transforman en estables CADA radionucleido SE CARACTERIZA POR SU PERIODO DE SEMIDESINTEGRACION El número inicial de átomos radiactivos se reduce a la mitad a cada paso de un tiempo T (período de semidesintegración) T 1/2 = ln ( 2)/ l IR-OP-BA-PW 1 -26 © CSN-CIEMAT 2009 © CSN - 2009

TIPOS DE DESINTEGRACIONES: 1) DESINTEGRACIÓN ALFA NÚCLEOS DE HELIO POCO PENETRANTES: una hoja de papel o unos centímetros en aire la frenan - Depositan toda su energía en un recorrido muy corto. - Propias en la desintegración de núcleos pesados. - Suelen ir acompañadas de desintegración gamma U 241 Am 226 Ra 222 Rn 235 IR-OP-BA-PW 1 -27 (Uranio) (Americio) (Radón) © CSN - 2012

TIPOS DE DESINTEGRACIONES: 2) DESINTEGRACIÓN BETA : ELECTRONES : POSITRONES MÁS PENETRANTE: una lámina de aluminio o unos metros en aire la frenan - Depositan su energía en un recorrido más largo. - Se producen en núcleos con exceso de neutrones ( ) o de protones ( ) - Suelen ir acompañadas de desintegración gamma 137 Cs (Cesio) (Cobalto) (Carbono) (Fósforo) (Tritio) (Sodio) (Carbono) (Oxígeno) (Nitrógeno) 60 Co 14 C 32 P 3 H 22 Na 11 C 15 O 13 N IR-OP-BA-PW 1 -28 © CSN - 2012

TIPOS DE DESINTEGRACIONES: ENERGÍA 3) DESINTEGRACIÓN GAMMA: (ondas electromagnéticas) MUY PENETRANTE : requiere materiales densos y pesados (una lámina de plomo, hormigón, etc. ) para ser absorbidos. Un núcleo con un exceso de energía puede de forma espontánea emitir radiación . 137 60 Cs (Cesio) – ( -) Ba-137 Co (Cobalto) – ( -) Ni – 60 99 m Tc IR-OP-BA-PW 1 -29 (Tecnecio) © CSN - 2012

REACCIÓN NUCLEAR Bombardeo nuclear con partículas o fotones de alta energía. El núcleo resultante puede ser inestable: ¡RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL! B( p, p´)X BLANCO (proyectil, partícula o fotón desprendido) NÚCLEO RESIDUAL v ¡Transmutación de la materia! v ¡Obtención de gran cantidad de energía! IR-OP-BA-PW 1 -30 © CSN - 2012

REACCIÓN NUCLEAR REACCIONES DE DISPERSIÓN: El proyectil se dispersa. No hay núcleo compuesto * Colisión mecánica elástica: no hay alteración nuclear * Colisión inelástica: núcleo excitado CAPTURA RADIATIVA: El núcleo compuesto emite radiación gamma (1 fotón o cascada de fotones) 113 Cd (n, γ) 114 Cd EMISIÓN DE PARTÍCULAS: El núcleo compuesto emite partículas (Típica de núcleos ligeros. En núcleos pesados hay una barrera coulombiana mayor) 6 Li(n, a)3 H 14 N(n, p)14 C FOTODESINTEGRACIÓN: El proyectil es un fotón IR-OP-BA-PW 1 -31 © CSN - 2012

REACCIÓN NUCLEAR FISIÓN: El núcleo compuesto se escinde en varios fragmentos asimétricos emitiendo neutrones Ej. : 235 U bombardeado con un neutrón; en su fragmentación emite otros neutrones Fermi fue el primero en conseguir una reacción en cadena en un reactor nuclear. Universidad de Chicago, 1942 FUSIÓN: IR-OP-BA-PW 1 -32 Varios núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado © CSN - 2012

RADIACIONES IONIZANTES IR-OP-BA-PW 1 -33 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA MATERIA DEPENDE: Ø PARTÍCULA/FOTÓN (masa, carga, energía) y 1) Partículas cargadas 2) Partículas (con masa) sin carga 3) Fotones (energía sin soporte material) Ø MEDIO de interacción (densidad, componentes, estado físico) IR-OP-BA-PW 1 -34 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA ¡INTERACCIÓN COULOMBIANA! TIPOS DE COLISIÓN: Ø COLISIÓN ELÁSTICA (sin alteración atómica ni nuclear) Ø COLISIÓN INELÁSTICA (provoca ionización y excitación) Ø COLISIÓN RADIATIVA (emisión de radiación electromagnética) IR-OP-BA-PW 1 -35 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA 1. COLISIÓN ELÁSTICA: No se produce alteración atómica ni nuclear. Se conserva la cantidad de movimiento y la energía. IR-OP-BA-PW 1 -36 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA 2. COLISIÓN INELÁSTICA: La partícula choca con el átomo provocando: 1 1 2 2 2 EXCITACIÓN IR-OP-BA-PW 1 -37 IONIZACIÓN © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA 3. COLISIÓN RADIATIVA: RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA La partícula se frena ante las proximidades de un núcleo atómico y emite radiación IR-OP-BA-PW 1 -38 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA PODER DE FRENADO : Energía que pierde una partícula determinada en un medio dado por unidad de longitud recorrida: S(E) = d. E/dx ALCANCE: Recorrido total de una partícula determinada en un medio dado, supuesta la trayectoria rectilínea. IR-OP-BA-PW 1 -39 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIAx = longitud recorrida ATENUACIÓN: N = N 0 e -m x m = Coeficiente de atenuación lineal= probabilidad de interacción por unidad de recorrido Fórmula válida si: NO N • Fotones monoenergéticos • Haz colimado • Absorbente delgado Cuando la radiación electromagnética (Rayos X ó γ ) penetra en un medio natural disminuye el número de fotones por unidad de recorrido (ATENUACIÓN) debido a dispersiones y absorciones. IR-OP-BA-PW 1 -40 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA COEFICIENTE DE ATENUACIÓN MÁSICO: m = m/r (cm 2/g) m Ley de atenuación: N = N 0 e -mmxm ; donde xm= xr ESPESOR DE SEMIRREDUCCIÓN: Grosor del material que consigue atenuar el haz (monoenergético) a la mitad: d 1/2= Ln (2) / m = 0. 693/ m d 1/2 IR-OP-BA-PW 1 -41 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA 1. EFECTO FOTOELÉCTRICO : • El fotón interacciona con un electrón de las capas más cercanas al núcleo, cediéndole toda su energía. + • El electrón, si la energía es suficiente, se escapa del átomo. • El átomo queda ionizado. Un electrón de las capas más alejadas ocupa su lugar emitiendo radiación electromagnética EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS BAJAS (E < 100 ke. V) IR-OP-BA-PW 1 -42 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA 2. EFECTO COMPTON : + • El fotón interacciona con un electrón poco ligado, cediéndole parte de su energía. • El electrón se escapa del átomo. • El átomo queda ionizado. EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS INTERMEDIAS (100<E<1. 000 kev) IR-OP-BA-PW 1 -43 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA 3. CREACIÓN DE PARES : • El fotón, si su energía es superior a 1. 022 ke. V, y en presencia de un núcleo atómico, se materializa en un electrón y un positrón. • El electrón interacciona en el medio. + - • El positrón se aniquila con un electrón, emitiendo dos fotones de 511 ke. V cada uno. EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS ALTAS ( E>1. 022 ke. V ) IR-OP-BA-PW 1 -44 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA m = Coeficiente de atenuación lineal= Probabilidad de que un fotón sufra una interacción en el medio Coeficiente de atenuación Aumenta Energía fotón Aumenta Z del material FOTOELÉCTRICO DISMINUYE (1/E 3) AUMENTA Aumenta Densidad material AUMENTA (r) COMPTON DISMINUYE (1/E) PRÁCTICAMENTE NO VARÍA AUMENTA (r) CREACIÓN DE PARES AUMENTA IR-OP-BA-PW 1 -45 © CSN - 2012

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA: LOS NEUTRONES Partículas sin carga -> ¡Gran penetración en la materia! 1. DISPERSIONES ELÁSTICAS CON LOS NÚCLEOS DEL MATERIAL: Ej. : núcleos de hidrógeno-> protones de retroceso Los neutrones van perdiendo energía -> la energía cinética media de los átomos o moléculas del medio Neutrones de baja energía: neutrones térmicos 2. DISPERSIONES INELÁSTICAS: El núcleo, después del choque, queda en estado excitado -> emisión, en general, de un fotón gamma 3. ABSORCIÓN DEL NEUTRÓN POR UN NÚCLEO DEL MATERIAL: Reacciones nucleares ( captura radiativa, emisión de partículas o fisión): 6 Li (n, α) 3 He ; 27 Al (n, p) 27 Mg ; IR-OP-BA-PW 1 -46 10 B (n, α) 7 Li ; 113 Cd (n, γ) 114 Cd © CSN - 2012