+radiación+ionizante+y+radiactividad_ccaa2015

7/24/2019 +Radiacin+Ionizante+y+Radiactividad_CCAA2015

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TEMA 9.RADIACIN IONIZANTE

Y RADIACTIVIDAD

1 CCAA. Profesora Marta Rojo

Tema 9. Rad. Ionizante y Radiactividad

RESUMEN IDEAS FUNDAMENTALES

BIBLIOGRAFA

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Serway&Jewett,Fsica, 6 Ed., cap 20, 22, 23 [SJ] Wilson & Buffa & Lou,College Physics, 6 Edicin, cap 27 y 29

[WB]

Hewitt, Fsica Conceptual, cap 33 [H]

Jaque&Aguirre, Bases de Fsica Medioambiental, cap 9 [JA]

Jou & Llevot & Prez, Fsica para Ciencias de la Vida, cap 8 [Jou]

Kane&Sternheim,cap 30 [KS]


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CONTENIDOS

1. El mundo microscpico: tomos y ncleos2. Descubrimiento de las radiaciones ionizantes3. Rayos X4. El ncleo atmico

- Algunas propiedades de los ncleos- Energa de enlace- Fuerza nuclear fuerte- Estabilidad

5. Radiactividad6. Procesos de desintegracin

- Desintegracin alfa- Desintegracin beta- Desintegracin gamma- Ley de desintegracin radiactiva

- Detectores de radiactividad7. Fisin y Fusin8. Dosimetra y efectos biolgicos9. Radiacin ambiental


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1. EL MUNDO MICROSCPICO: TOMOS Y NCLEOS

Mundo Microscpico

MECANICA CUNTICA

La Fsica Clsica no es adecuada para explicar los fenmenos a nivel atmico y nuclear


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Cuando un tomo o un ncleo se encuentrainicialmente en un estado permitido de energa Eiycambia a otro de energa Efpor intercambio entresus niveles de un electrn o un protn, emiteradiacin electromagntica de una frecuencia

precisa f

hfes la energa del fotnemitido en la transicin

Transiciones Atmicas o Nucleares

1. EL MUNDO MICROSCPICO: TOMOS Y NCLEOS

Tanto tomos como ncleosslo puedentener determinados valores de energa,correspondientes a estados o nivelescuantificados

Cuantizacin de la Energa

[Qumica, Tema 1]


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Antes del comienzo del siglo XX (1895), el fsico alemnRoentgen descubri una nueva clase de rayos capaces deatravesar materiales slidos, a los que llam RAYOS Xporser de naturaleza desconocida

W. C. Roentgen (1895)P.N. Fsica 1901

2. DESCUBRIMIENTO DE LAS RADIACIONES IONIZANTES

Dos meses despus de que Roentgen anunciara sudescubrimiento de los rayos X, el fsico francs Becquerel,tratando de determinar si algunos elementos emitan rayos Xde forma natural , encontr que el uranio tambin producarayoscapaces de atravesar la materia slida.

Despus de una serie de experimentos, lleg a la conclusin deque esta radiacin era de un nuevo tipo y se denominRADIACTIVIDAD

A. H. Becquerel (1896)P.N. Fsica 1903


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Marie CurieP.N.Qumica 1911

Pierre y Marie CurieP.N. Fsica 1903

Marie y Pierre Curie realizaron las investigaciones ms importantes ydescubrieron dos elementos desconocidos y adems radiactivos: elpolonioy

el radioLos trabajos de diversos cientficos demostraron la existencia de otrassustancias radiactivas, como el torioy el actinio

Experimentos posteriores, sugirieron que la radiactividad se deba acambios dentro del ncleo atmico



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Los RAYOS X y la RADIACTIVIDAD son radiacionesionizantes, lo que significa que tienen energa suficiente

para ionizar la materia, extrayendo los electrones de susestados ligados al tomo


Directos: Rompe o daalas molculas inters biolgico decisivo (ADN,enzimas, cidos nuclecos, protenas) alterando su funcin biolgica y creanlas condiciones para que se formen nuevas molculas que pueden serdainas para los procesos vitales

Indirectos: Altera el entorno de las molculas de inters biolgico, lo queafecta a sus funciones o acaba destruyndolas

La radiacin, aunque es potencialmente perjudicial para la salud, utilizada en lasdosis adecuadas es beneficiosa en el diagnstico y tratamiento de muchasenfermedades

Por ejemplo, en el tratamiento del cancer. Las clulas que se estn reproduciendoson mucho ms sensibles a la radiacin. Este efecto se aprovecha para combatirlas clulas cancerosas, cuyo ritmo de proliferacin es mucho mayor que el de lasclulas sanas

Los principales efectos perjudiciales de la radiacinionizante sobre las clulas vivas son de dos tipos:


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3. LOS RAYOS X

Martn Mtnez Ripoll, CSIC: http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02.html

Produccin de rayos XLos rayos X se emiten al bombardear un metal con un haz deelectrones de alta energa

Hoy da sabemos que aquellos rayos de naturaleza desconocida,sonondas electromagnticas de alta energa


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Los rayos X se originan cuando un electrn de alta energaimpacta contra un tomo de un metal y extrae un electrn de suscapas internas

El hueco creado es ocupado por otro electrn de un nivel superiorque emite un fotn de alta frecuencia y, consecuentemente,alta energa (E=hf), tpicamente de 1000 eV, que es capaz deatravesar materiales slidos

3. LOS RAYOS X
http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02.htmlhttp://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02.html


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AplicacionesDiagnstico mdicoA pesar de las altas energas, los rayos X,adecuadamente usados, constituyen unaexcelente herramienta de diagnstico.

A bajas intensidades, pueden usarse conrelativa seguridad para explorar la estructurainterna de los seres vivos.

Si los rayos X que atraviesan un cuerpo incidensobre una placa fotogrfica, las reasexpuestas presentan variaciones de intensidaddebidas a la diferente absorcin de los rayos Xpor los distintos tipos de tejidos. El resultadofinal es una imagen de la estructura internadel cuerpo que llamamos radiografa

Determinacin de estructuras biolgicas

Los rayos X han permitido resolver uno de los problemas ms importantes de la biofsica: ladeterminacin de la estructura de protenas y otras molculas biolgicas como lahemoglobina (1950) y el ADN (1953)

3. LOS RAYOS X


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4. EL NCLEO ATMICO

El nmero atmico Z= nmero de protones del ncleo =n electrones tomo

N es el nmero de neutrones

Elnmero msico A=Z+N, es igual alnmero denucleones

Simbolismo: Elemento qumico X Ej.:

La mayor parte de la masa del tomo est concentrada en su ncleo (r 10-14m),el cual est compuesto de protones (q=+e) y neutrones (q=0), llamados enconjunto nucleones

Mientras que los RAYOS X se originan en la nube de electrones del tomo,la RADIACTIVIDAD se debe a cambios dentro del ncleo atmico

FSICA NUCLEAR

Constituyentes del ncleo atmico

[SJ, cap 22] [Qumica, Tema 1]


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4. EL NCLEO ATMICO

El ncleo de todos los tomos de un elemento tiene siempre el mismo nmerode protones, pero puede contener diferente nmero de neutrones

Istopos delhidrgeno

Istopos

Istopos delcarbono

[Qumica, Tema 1]


Los ncleos atmicos son aproximadamente esfricos y tienen un radio medio

donde, ro=1.210-15 m, es una constante y A es el nmero msico

La masa de los ncleos se expresa en unidades de masa atmica, uma,que corresponde la doceava parte de la masa de un tomo de 12C

1 uma = 1.66053910-27 kg

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Tamao y masa

4. EL NCLEO ATMICO


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La masa de los ncleos es inferior a la suma dela masa de los nucleonespor separado:

(Suma masa de los nucleones) - (Masa ncleo) = m

Esta prdida de masa, m, equivale a la energa queceden los nucleones para unirse y formar elncleo, segn la conocida ecuacin de Einstein queestablece la equivalencia entre masa y energa

Esta es la energa que hay que suministrar al ncleopara descomponerlo en sus nucleones y se denominaenerga de enlace

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Energa de enlace

4. EL NCLEO ATMICO


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Fusin

Fisin

Ncleos MsEstables

Energa de enlace por nuclen, en funcin del nmero msico, para los

istopos ms estables de los tomos. Los ncleos menos estables dan lugara los procesos defusin y fisinnuclear, en los que se libera energa

4. EL NCLEO ATMICO [SJ, fig 22.5]


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Fuerza nuclear fuerte

4. EL NCLEO ATMICO

A pesar de la existencia de fuerzas electrostticas derepulsin entre los protones, el ncleo es establedebido a la existencia de una fuerza atractivamuy intensa, llamada fuerza nuclear fuerte:

Es la ms intensa de la naturaleza: Muchoms intensa que la fuerza de electrosttica ymuchsimo ms que la gravitatoria.

Es independiente de la carga y aproximadamentela misma entre: p-p, p-n, n-n

Es una fuerza de corto alcance: disminuyerpidamente con la distancia y es despreciable aunos pocos femtmetros fermis

1 fm = 10-15m

Qu mantiene unido al ncleo?


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Estabilidad nuclear

4. EL NCLEO ATMICO

La fuerza nuclear da lugar a 270ncleos estables (en la grfica)

Los ncleos ligeros son establescuando N=Z

Los ncleos pesados, Z>20, sonestables cuando N>ZCuando el nmero de protonesaumenta, la fuerza de atraccinnuclear disminuye y la fuerzarepulsiva de Coulomb entre losprotones hace que el ncleotienda a dividirse. Para mantenerla estabilidad son necesarios msneutrones, ya que stos sloexperimentan la fuerza deatraccin nuclear

Cuando Z>83, los ncleos soninestables: las fuerzas repulsivas deCoulomb no pueden ser compensadaspor las fuerzas nucleares Grfica del nmero de protones y

neutrones de los ncleos estables


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5. RADIACTIVIDAD

Es la emisin espontnea de radiacin comoconsecuencia de la desintegracin de ncleosinestables

Emisiones radiactivas

Puede emitirse tres tipos de radiacin:

PartculasAlfa : Ncleos de 4He

Partculas Beta : Electrones (e-) o positrones(e+) (antipartcula del electrn: m=mey q=+e)

Rayos Gamma : Fotones de alta energa(todava mayor que la de los rayos X) emitidospor los ncleos

Las partculas alfa apenas pueden penetraruna hoja de papel

Las partculas betapueden penetrar variosmilmetros de aluminio

Los rayos gammapueden penetrar varioscentmetros de plomo

Poder de penetracin


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5. RADIACTIVIDAD

Procedimiento experimental para distinguirlos diferentes tipos de radiacin

La radiacin gammano se desva no tienen carga

Las partculas alfaexperimentan deflexin hacia arriba carga positiva

Las partculas beta experimentan deflexin con un radio menor que laspartculas alfa me


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6. PROCESOS DE DESINTEGRACIN

La figura es una representacin del nmero deneutrones de los distintos istopos de ncleosatmicos, en funcin del nmero atmico Z

Los puntos azulesrepresentan los ncleosestables, vistos anteriormente en el apartadode estabilidad nuclear

Los puntos rojos, representan istoposinestables ricos en neutrones que experimentandesintegracin beta, con emisin de unelectrn

Los puntos verdes, representan istopos

inestables ricos en protones que experimentandesintegracin beta, con emisin de unpositrn

En color amarillo, representan istoposinestables, todava ms abajo de la lnea deestabilidad (salvo excepciones) queexperimentan desintegracin alfacon emisinde un ncleo de helio

Istopos de los ncleos atmicos


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Desintegracin alfa

Algunos ncleos pesados e inestablessedesintegran transformndose en ncleos deelementos ms ligeros:

Pierden 2 protones y 2 neutrones que emitenen forma de 1 partcula alfa(ncleo dehelio 4)

X ncleo padre

Y ncleo hija

A A 4Z Z - 2


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Desintegracin beta Emisin de un e- y un antineutrino

(partcula sin masa ni carga)

El ncleo resultante tiene el mismo nmero deneutrones que el ncleo padre, pero unprotn ms

Desintegracin

-


A A (cte)Z Z + 1

Emisin de un e+ y un neutrino (partcula

sin masa ni carga) El ncleo resultante tiene el mismo nmero de

neutrones que el ncleo padre, pero unprotn menos

A A (cte)Z Z - 1

Desintegracin

+


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Desintegracin gamma

Los ncleos poseen niveles de energa anlogos a los de los tomos, perola diferencia de energa entre los niveles de los ncleos es muy grande(KeV MeV)

Por tanto, los ncleos excitados, X*, cuando vuelven al estadofundamental emiten fotones muy energticos con longitudes de onda

muy cortas ( E=hf=hc/ ), llamados rayos gamma

*

Los rayos son ondaselectromagnticas emitidas porlos ncleos atmicos cuya longitudde onda muy pequea (10-10a 10-14m)

En una desintegracin los nmerosmsico y atmico no cambian:


A = CteZ = Cte


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Ley de desintegracin radiactiva En una muestra radiactiva, el nmero Nde ncleos sin

desintegrarse se reduce exponencialmente con eltiempo:

, constante de desintegracin, es laprobabilidad de desintegracin por ncleo porsegundo

Noes el nmero inicial de ncleos sin desintegrar

Vida media, T1/2: tiempo durante el cual Nodecae ala mitad

Actividad, R: Rapidez de desintegracin

- Unidad SI: 1 Becquerel (Bq) = 1 desintegracin/s

- Unidad histrica: 1 Curie (Ci) = 3.71010Bq



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El ms comn es el contador Geiger. Consiste enun tubo metlico cilndrico con un electrodo delgadoen su eje, que est lleno de un gas a baja presin.Entre el electrodo positivo y el tubo existe unadiferencia de potencial elevada, de unos 1000 V

Cuando una partcula de alta energa que resultade una desintegracin radiactiva atraviesa la finaventana que cierra el tubo, parte de los tomosdel gas se ionizan

Los electrones liberados son atrados por elelectrodo positivo, y en su trayectoria chocan conotros tomos que se ionizan a su vez ydesprenden ms electrones, causando flujo deelectrones hacia el electrodo

Se produce una corriente elctrica que puedemedirse o conectase a un altavoz que emite unclic cada vez que se detecta una partcularadiactiva

Detectores de radiactividad

[SJ, cap 23(45)/ H, p.665]6. PROCESOS DE DESINTEGRACIN


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7. FISIN Y FUSIN

FISIN NUCLEAR Consiste en la DIVISIN de un ncleo grande inestable, en dos ncleos

menores ms estables, con desprendimiento de energa

La fisin se inicia cuando el ncleo pesado captura un neutrn

Los 3 neutrones emitidos en este proceso pueden incitar a otros 3 ncleos afisionarse, dando lugar a una reaccin en cadenaen la que se libera una grancantidad de energa

[SJ, cap 23(45)]


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7. FISIN Y FUSIN

Energa nuclear

La fisin nuclear es la base de la bomba atmicay de los reactores nuclearespara la generacin de energa elctrica. La diferencia entre ambos estriba en unacuestin de control:

En el caso de la bomba el proceso es rpido y explosivo

El reactor nuclear es un sistema diseado para la obtencin de energamediante una reaccin en cadena autosostenida y controlada

En el uranio natural no se producen reacciones en cadena por dos motivos:

Contiene slo un 0.7% del istopo radiactivo U235 y el restante 99.3% es U238que casi nunca se fisiona

Adems el abundante U238 absorbe los neutrones liberados sin fisionarse, por loque amortigua rpidamente la reaccin en cadena

[SJ, cap 23(45), p.779/ H, p.665]


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7. FISIN Y FUSIN

El reactor nuclear

Para que la reaccin en cadena fuera autososteniday controladahubo que resolverdos problemas:

Si los neutrones liberados en la fisin son muy rpidos, el U238 (no radiactivo) losabsorbe y la reaccin en cadena se amortigua rpidamente. Por tanto, haba queidear un procedimiento para desacelerar los neutrones liberados y as aumentarla probabilidad de que fueran capturados por el U235 (radiactivo), dando lugar anuevas fisiones de este istopo

Adems, el proceso de fisin depende de la masa de uranio involucrada. La masacrticaes la cantidad que determina que cada fisin produzca una nueva fisin. Si lamasa es subcrtica, la reaccin en cadena no se produce; y si es supercrtica, lareaccin en cadena aumenta de forma explosiva

Fermi y su grupo usaron grafito para desacelerar los neutrones y dividieron eluranio en porciones discretasde tamao adecuado que se incrustaban a intervalosregulares en el grafito

El primer reactor nuclear se desarroll en laUniversidad de Chicago en 1942(2 GuerraMundial) por Enrico Fermiy su equipo

Enrico FermiP.N.Fsica 1939


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7. FISIN Y FUSIN

Esquema de un reactor nuclear

El combustible nuclear es U238 enriquecido con un 3%, aproximadamente, de U235 La rapidez de la reaccin se controla con las barras de un material absorbente de neutrones(cadmio o

boro) cuyo nmero y posicin permiten ajustar el nivel de potenciadeseado El agua a presin del circuito primario alcanza elevadas temperaturas por el calor liberado en la fisin que

transfiere al circuito secundario donde se produce el vapor de agua. ste acciona la turbina conectada a un

generador para producir energa elctrica Los dos circuitos de agua estn separados para que la radiactividad no llegue a la turbina

[SJ, cap 23(45)/ H, p.666]


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7. FISIN Y FUSIN

FUSIN NUCLEAR Consiste en la UNINde dos ncleos ligeros inestables, en un ncleo ms estable,

con desprendimiento de energa

El deuterioexiste en grandes cantidadesen los ocanos, pero el tritioesradiactivo y debe producirseartificialmente

La fusin nuclear es el fundamento de labomba de hidrgeno, de los reactores defusin y del calentamiento de las estrellas

Ventajas de la fusin: Abundancia decombustible, mayor rendimientoenergtico y desechos menos peligrosos

Inconvenientes de la fusin: En laactualidad, el proceso presentanumerosas inestabilidades que estn enfase de investigacin

[SJ, cap 23]


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8. DOSIMETRA Y EFECTOS BIOLGICOS

La DOSIS FSICA de radiacin ionizante = Energa de absorbida/Unidad masa

Dosis fsica = E/ m

Depende del n desintegraciones/s, la energa de la radiacin y el tiempo de exposicin

Unidades: 1 Gray = 1 J/Kg y 1 rad = 10-2J/Kg

Los efectos biolgicos dependen de la dosis fsica y del tipo deradiacin. Se miden por comparacin con los producidospor los rayos X de 250 keV

Eficacia biolgica relativa, EBR

Radiacin EBR

Rayos X y Gamma 1

Beta 1

Protones 10

Neutrones 10

Alfa 20

Dosis Efectos Biolgicos

0-250 mSv Pocas consecuencias

250-1000 mSv Ligeros cambios en sangre

1000-2000 mSv Perjuicios observables perorecuperables

2000-6000 mSvLesiones en sistema nerviosoy digestivo, con probabilidad

de muerte

>6000 mSv Probabilidad 90-100% demuerte

La DOSIS BIOLGICA combina la dosis fsicacon la EBR

Dosis biolgica = Dosis fsicaEBR

Unidades: 1 Sievert (Sv) = 1 EBR1 Gray1 rem = 10-2Sv


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9. RADIACIN AMBIENTAL

Radiaciones artificialesProceden de equipos fabricados artificialmente por el hombre Aparatos de radiologa (rayos X de aplicacin mdica o industrial) y medicina

nuclear (radiactividad), aceleradores de partculas utilizados en medicina, industriae investigacin, las centrales elctricas de carbn o energa nuclear

Otras fuentes de radiacin tienen su origen en los restos de las explosionesatmicas en la 2 Guerra Mundial, las pruebas nucleares llevadas a cabo durante laGuerra Fra, o las debidas a accidentes en centrales nucleares como el deChernobyl o Fukushima. Estos restos dan lugar a la presencia ubicua de elementosradiactivos que entran en la cadena alimentaria


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9. RADIACIN AMBIENTAL

Radn

Csmica

Terrestre

Interna Rayos X

Medicinanuclear

Otros

Alimentos

Resulta interesante destacar que:

Ms del 80% de las radiaciones ionizantes a las que est expuesta la poblacinproviene de las fuentes naturales

Con relacin a las fuentes artificiales, el mayor porcentaje corresponde a los rayos X

El lmite mximo permitido por la ICRP (Comisin Internacional de Proteccin

Radiolgica) es de 5 mSv al ao


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FORMULARIO

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