Teoria_radioquimica

7/26/2019 Teoria_radioquimica

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QUÍMICA INORGÁNICA AVANZADA

NOCIONES DE RADIOQUÍMICA

Química nuclearComprende el estudio de: reacciones nucleares (energía, tipo de decaimiento, energía dedesactivación), propiedades de los elementos radiactivos, efectos de la radiación ionizante.

Radioquímica!"# Roentgen descubre los rayos X!"$ Becquerel descubre la radiactividad del uranio!"$-"%# Crookes, Becquerel , Rutherford , Soddy, Dorn y otros estudian radioelementos!"! P. y M. Curie descubren &o y Ra empleando el primer mtodo radio!uímico"' Fajans y Soddy e"plican las series radiactivas asumiendo la e"istencia de isótopos"(" comienza en #rgentina el uso de la energía nuclear con fines pacíficos

"#% se crea la Comisión $acional de %nergía #tómica (CNEA)

"#' se cuenta con un acelerador de partículas"#) se inaugura el reactor &#-' en el Centro #tómico Constituyentes"$! se inaugura el reactor &#- diseado y construido en el país en %zeiza#ctividades de la CNEA: radio!uímica, metalurgia, minería del uranio, construcción y operaciónde reactores de investigación y sus combustibles, producción de radioisótopos, empleo de lasradiaciones ionizantes para diagnóstico y tratamiento mdico, nucleoelectricidad.

Unidade*eV eV* ',+"'-' /Curie +Ci, Ci* ,0"'' desintegraciones1seg-ecquerel +-q, -q* ' desintegración1seg

Roen./en +R, R * ,23"'-4 C15g capacidad ioniante de ra0o* 1

N2cleo a.3mico6i7metro de un 7tomo 8 '-3 cm, del n9cleo 8 '-' cm, radio del 7tomo es '2 veces mayor !ue elradio del n9cleo, el n9cleo tiene una densidad de 8 ''4 g1cm. &r4c.icamen.e la ma*a del 4.omo*e concen.ra en el n2cleo5

!ucleido 7tomo con características nucleares específicas, caracterizado por el n9mero de: protones (n"#ero at$#ico, ) y neutrones (n).

%sodi&fero: igual e"ceso de n. %s$#ero: igual A y y distinto estado energtico.

'



Elemen.o* en el uni6er*o#bundancia de 7e + 8 9$, y Ni + 8 9!, n"cleos esta'les: energía de uni$n. ;e libera un e(ceso

de energía si: dos n9cleos con A ; #$ se mezclan ( fusi$n) un n9cleo con A < #$ se divide ( fisi$n).

Serie de de*in.e/raci3n na.urale*%"isten tres series: =>?9'9, U?9'!, Ac?99) y la serie N@?9"): !ue debería <aberse e"tinguido

pruebas nucleares <an liberado n9cleos de la cadena radiactiva. N * n9mero entero.

-anda de e*.ailidad

=asta 8 los is$topos esta'les en general tienen lamisma cantidad de n !ue de p, a > .

?os isótopos estables tienen mayor cantidad de neutrones.



=ala de nucleido*

@abla de )gger'ert

N2mero* m4/ico*: se <a establecido !ue los n9cleos !ue presentan n o p igual a los siguienten9meros son m7s estables !ue otros n9cleos: , 3, , 3, 2, 3, '+. ;erían los n9merosnecesarios para completar todos los niveles en el modelo de capas.

Modelo de capas: los n y p se ubican en capas de distintos niveles energticos

?a estabilidad se puede lograr por una transformación o por una cadena de transformaciones, ladesintegración radiactiva se produce al aBar.

Radiacti*idad : fenómeno por el cual n9cleos inestables decaen espont&nea#ente emitiendo partículas de alta energía.



@ipos relevantes de desintegración:

- : n9cleos de (e, partículas energticas y poco penetrantes, A* '-0 segundos a ''2 aos,radiaciones son #onoenerg+ticas: 4-3 Be, se e"plica por efecto t"nel , esta energía es menor !ue la necesaria para superar la barrera de energía potencial de Be, cuanto m7s estrec<a es la

barrera de energía potencial, m7s probable y frecuente es la emisión .

%spectro de energía D para

'Ei 3@l

Regla de ,eiger-!uttal : los n9cleos !ue e"perimentan desintegración con m7s frecuencia (menor A) emiten las partículas m7s energticas.- : electrones o positrones emitidos con un espectro continuo de energía, tienen todo un espectro

continuo de energía ( al valor m7"imo), para cumplir con el principio de la conservación de laenergía y de momento angular se supuso la e"istencia del neu.rino (descubierto en '2+), ni la

partícula ni el neutrino e"isten dentro del n9cleo, se forman al emitirse.

4



%spectro de electrones (F-)emitidos por el Cs-'0

?: e- producidos como consecuencia de la conversión de un neutrón a un protón, n p G ?

F: positrones producidos por la conversión de un protón a un neutrón, p n G F?os positrones interaccionan con electrones deHando como saldo una radiaci$n de

aniquila#iento en forma de rayos I.

- : fotones de alta energía muy penetrantes. @ienen altas energías* varios Be, las transiciones

ocurren entre unos '-'0 a '- segundos.

%spectro de #u-'0

2



- [email protected] elec.r3nica: si en alg9n momento <ay un solapamiento entre el campo energtico deln9cleo y un orbital el electrón puede ser capturado por el n9cleo, el electrón se neutraliza y un

protón se convierte en un neutrón, es un proceso competitivo con emisión F. %l electrón pertenece generalmente (3 J) a la capa K, al saltar los electrones de las capas superiores seemiten rayos X, estos rayos X a su vez pueden arrancar otros electrones: electrones uger .

- 7i*i3n e*@on.4nea: un n9cleo inestable se rompe en dos n9cleos pr7cticamente iguales, sucede enn9cleos muy pesados (de L en adelante), por eHemplo en ' 5g de L-3 se producen 4,2' '

emisiones de partículas D por segundos.

- Con6er*i3n in.erna: la energía de transición de un estado e"citado es transferida a un electrón!ue luego es e"pelido del 7tomo.

- =ran*ici3n i*omHrica: el n9cleo tiene un estado metaestable con un período definido y cae a un

nivel energtico menor emitiendo un rayo I o alg9n otro proceso.

Velocidad de de*in.e/raci3n?a pro'a'ilidad de !ue un 7tomo radiactivo en particular se desintegre en la unidad de tiempo esindependiente del destino de los 7tomos !ue lo rodean y de las condiciones físicas (independiente delas propiedades !uímicas), sólo depende de la estructura del n9cleo, es un proceso gobernado por las leyes del aBar por lo !ue se puede tratar por mtodos estadísticos.?a pro'a'ilidad se denomina constante de desintegraci$n (M), d ! * -M ! .dt, en el instante t 0 e"isten

! 7tomos radiactivos, despus de t 0 G dt se <an desintegrado d ! 7tomos.- d ! 1dt se denomina acti*idad , se mide en Cu o E!, representa la velocidad de desintegración de

un n9cleo, no representa una velocidad de emisión de partículas.

Nor eHemplo, si bien el Bo- emite una partícula ? de ',' Be sólo en un '0 J de lasdesintegraciones y en un 3 J una partícula ? de ,'4 Be. %s importante para calcular laactividad medida por un detector o para c7lculo de dosis recibidas.Ontegrando la ecuación fundamental de la desintegración radiactiva para ! * ! / en el instante t*:

! * ! / e-Mt, la *ida #edia (, mean life) es el tiempo promedio de las vidas de los 7tomos iniciales:* '1M y el tie#po de *ida #edia (<alf life, J) es el intervalo de tiempo necesario para !ue el

n9mero de 7tomos iniciales se reduzca a la mitad: J * ln 1M= ,+1M.

In.eracci3n de la radiaci3n con la ma.eria@oda interacción de un isótopo radiactivo depende de la radiación emitida (energía y tipo de

desintegración), es imprescindible conocerlos para protección.

&adiación %nergía #lcance enaire agua

'?" MeV '?! cm 9%?(% Km %?# Me6 %?% m %? mmn %?% MeV %?%% m %? m % LeV?% MeV cm?%% m mm?% cm

1 eV?%% LeV m?% m Km? cm

+



%oniaci$n: cuando una partícula cargada pasa cerca de un 7tomo act9an fuerzas electrost7ticasentre la partícula y los electrones de los orbitales, un electrón puede ad!uirir energía suficiente parasepararse del 7tomo, se forma un par de iones, la partícula pierde parte de su energía.

%n aire se re!uieren unos ,2 e para formar un par de iones, por eHemplo, si se dispone de ' mCide un emisor D !ue proporciona partículas de 4 Be y !ue transfiera esa energía al aire se produce

una corriente de 0,"'-0 #, la base para la medición de la actividad mediante corriente iónica. )(citaci$n: se produce cuando la energía impartida al electrón no es suficiente para arrancarlo del7tomo, pero es suficiente para ad!uiera mayor energía dentro del 7tomo, el 7tomo e"citado vuelve alestado inicial emitiendo luz de radiación característica, es la base para la medición de la actividad

por detección de radiaciones mediante contadores de centelleo.

%oniaci$n específica: se mide por par de iones por cm de recorrido, cuando una partícula atraviesaun medio dado, la longitud del recorrido depender7 de la energía inicial y de la velocidad con !ueesa energía se pierde por unidad de longitud de recorrido, por eHemplo es 4"' 4 para partículas D y2 para las partículas beta.

Bre#sstrahlung : radiación electromagntica originada por el cambio en la velocidad de una partícula F cuando es desviada cerca de un n9cleo, tiene propiedades similares a los rayos X, losmeHores absorbentes de 're#sstrahlung son los materiales de n9mero atómico baHo.

utoa'sorci$n: e"iste cuando un emisor de partículas F est7 uniformemente distribuido en unmedio absorbente, depende de la energía y del espesor en mg1cm, es importante para el conteo deemisores F de baHa energía como el C-'4 y el ;-2.

niquilaci$n de positrones: cuando decrece la energía cintica de la partícula FG aumenta la probabilidad de la interacción directa entre un electrón y la partícula FG, la energía de la masa dedos electrones se convierte en radiación electromagntica se forman dos fotones de ,2' Be cadauno.

Radiaci$n Cerenko*: la velocidad de la luz (c) en la materia depende del índice de refracción delmedio, partículas F con % > ,+ Be se mueven en agua m7s r7pidamente !ue la luz, cuando lavelocidad de la partícula es > c use emite radiación electromagntica (color azulado).

?os rayos 0 interacciona con la materia mediante tres procesos conocidos: )fecto fotoel+ctrico: la energía total es transferida a un electrón, predomina a baHas energías y enmateriales de z alto.

)fecto Co#pton: es un c<o!ue el7stico, la energía total es compartida con el electrón, resultando un

0



rayo I de menor energía y distinta dirección, predomina a energías medias. Producci$n de pares: si el fotón I tiene energía suficiente y se <alla cerca de un n9cleo puede crear un par positrón-electrón, predomina a altas energías y en materiales de z elevado.&ro@iedade* de la* radiacione*- partículas : por su alta ionización específica la distancia !ue pueden recorrer en un medio dado es

pe!uea, alcance (&) se mide en mg1cm

# z * N# del absorbente

densidad (P, g1cm):- aire * ,'- teHido 8 ',- #l * ,0- Cu* 3,+

%n aire una partícula D de Be tiene un alcance de ',+ cm y puede ser detenida por una l7mina dealuminio de un espesor de apro"imadamente ,'2 mm.- partículas 1 : abandona el n9cleo con una velocidad apro"imadamente igual a la de la luz, si pasacerca de un electrón es desviada perdiendo energía, cuanto mayor es el n9mero de 7tomos !ueencuentra m7s r7pidamente pierde su energía <asta ser capturada por un 7tomo. Nor eHemplo, sere!uieren unos + mm de #l para detener una partícula F de Be.

Radiodo*ime.ríaUnidade* de do*i* de radiaci3nRad ' rad* '- /15g * ' erg1gGra0 (Qy) ' Qy* ' radr: &oentgenrem: roentgen e!uivalente <ombreSie6er. (;v) ' ;v* ' /15g * ' rem

Do*i* le.al #% (6?2): dosis necesaria para matar el 2J de una población dada

%l efecto !ue producen las radiaciones en un medio depende de la energía depositada en el medio, siatraviesa el medio sin interactuar no produce efecto, si cede energía se producen cambios físicos,!uímicos o biológicos.

%ntensidad de dosis (O6, Be1cm s): es la cantidad de entrega de energía por unidad de volumen yunidad de tiempo.

%ntensidad de la radiaci$n (O, Be1cm s): es la cantidad de energía por unidad de superficie yunidad de tiempo.

)(posici$n a rayos 2 o 0 (X, r): es una medida de la capacidad ionizante de los rayos X o I en elaire, se tiene una e"posición de ' r cuando la ionización producida por electrones secundarios en 'cm de aire seco en C$N@ es igual a la unidad electrost7tica de carga de cada signo.

3

& (mg/cm) = ,'0 % / α # ' /

z & R(cm) = & (mg /cm-)

',( ρ(g /cm()

& R(g /cm) = ρ(g / cm) & (cm)



Dosis a'sor'ida (6, Qy): es la cantidad de energía por unidad de masa !ue es absorbida en un punto de inters.3asa de dosis a'sor'ida (S, Qy1s): es la cantidad de energía por unidad de masa y unidad de tiempo

Dosis equi*alente (=, ;v): es la dosis absorbida por la calidad de la radiación (T) y un factor n !uemodifica la dosis de acuerdo a las condiciones: = * 6. T. n. Nara conocer T se debe conocer el tipode radiación, valores de T medio:

T* ' para rayos X, I y F-T* , para neutrones trmicosT* ' para neutrones y FGT* para partículas D

Dosis equi*alente efecti*a (=e, ;v): se estableció como magnitud limitante de dosis por el OC&N(Comisión Onternacional de Nrotección &adiológica): =e * Ut =t. Vt, =t* dosis absorbida por unórgano (teHido, t) en particular, Wt* factor !ue indica la proporción de dao !ue sufre ese órgano encomparación con el dao total (por eHemplo, Wt* , para gónadas Wt* ,' mdula ósea, colon,estómago y pulmón Wt* ,2 para tiroides, <ígado Wt* ,' para piel, <ueso).

Dosi#etría de fuente e(terna: la fuente de radiación se encuentra fuera del sistema al cual sesometa para producir un determinado efecto, si se suponen fuentes puntuales y un <az de rayos

paralelos a lo largo de un espesor ": $* $ e-Y" donde Y: es el coeficiente lineal de atenuación, dala probabilidad de interacción.

Dosi#etría de fuente interna: la fuente de radiación se introduce en el sistema al cual se someta para producir un determinado efecto, si se introduce en el organismos es metabolizado. %l $rgano

crítico: es a!uel !ue recibe la mayor dosis total de radiación, por eHemplo se usa ''O para estudiar tiroides.E@o*ici3n a radiaci3n ioniBan.e

-lindaPe;e calcula el espesor de blindaHe de tal manera de cumplir con las normas de seguridad.'lindaje hacia adentro: si se conoce la distancia entre la fuente y el receptor.'lindaje hacia afuera: se conoce la distancia de la fuente <acia la pared interna del blindaHe.Nor eHemplo, 'lindaje contra radiaci$n 0, el caso m7s simple si se supone un sistema con geometría

de <az estrec<o y atenuación e"ponencial: O x* O e-Y x donde O x: intensidad con un absorbente de

espesor x, O: intensidad sin absorbente, Y: coeficiente de absorción lineal y x: espesor delabsorbente.

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