Jose A. Moleón. Dpto. de Física 1

Tema 6

Radiactividad en el Laboratorio

Departamento de FísicaUniversidad de Jaén

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Características de la Radioactividad. Efectos biológicos. Protección y medidas de seguridad. Descontaminación.

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Introducción. Cadenas de

desintegración. Radiactividad natural

y artificial.

a- Características de los Isótopos radiactivos.

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Introducción Átomo: electrones, protones (número atómico Z)

y neutrones (N). Número de masa A = Z + N.

Radio nuclear: R = R0 A1/3.R0 = 1.5·10-15 m. (a0 = 5.29·10-11 m).

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Introducción Núcleo Atómico: protones (número atómico Z) y neutrones (N). Número de masa A = Z + N. Isótopos: igual Z, diferentes A y N.Hidrógeno, Deuterio, Tritio.Helio, 3He, 4He (partícula ).

Fuerza entre nucleones:fuerza nuclear fuerte (o hadrónica).Muy fuerte y disminuye muy rápidocon la distancia.

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Introducción

Energía de enlace por cada partícula del núcleo: la masa deun núcleo es menor que la masa de sus partes ( m = E / c2 ).

En núcleos grandes la energía va disminuyendo mientras quela repulsión eléctrica entre protones aumenta con Z2, portanto, se llegará a una fisión espontánea.

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Ley de decaimiento radiactivo

Los núcleos radiactivos se desintegran en otros por emisión de:fotones, electrones, neutrones o alfa.

Velocidad de desintegración no es constante en el tiempo,disminuye exponencialmente (pues las desintegración es unproceso estadístico):

R - velocidad de desintegración - Constante de desintegración N - número de núcleos radiactivos en cada instante de tiempo

teNN 0teRR 0

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Ley de decaimiento radiactivo

Tiempo de vida media.

Periodo de Semidesintegración

1

693.02ln2/1 t

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Actividad Radiactiva La unidad en SI de desintegración

radiactiva es el Becquerel (Bq),equivale a 1 desintegración/seg.

La radiación que un gramo de radioemite en un segundo se llama Curie(ci):

1 ci = 3.7·1010 Bq

Cadena de desintegración: un núcleoemite diversos tipos de radiaciones(alfa, beta y gamma) hasta llegar aelementos estables.

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Tipos de emisión radiactiva

alfa, beta y gamma

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Tipos de emisión radiactiva

Desintegración Beta: Se produce en núcleos que tienen exceso o defecto de

neutrones: - ־: neutrón = protón + electrón + neutrino (1957).

Z’ = Z + 1; E = 0.782 MeV

- +: protón = neutrón + positrón + neutrinoZ’ = Z + 1

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Tipos de emisión radiactiva

Ejemplo de Desintegración ־: 14C 14N + ־ + energía. Periodo de semidesintegración: 5730 años. Datación por carbono 14: la cantidad de 14C en un

organismo vivo es fija dando 15.0 desintegraciones porminuto y gramo. Midiendo esta cantidad para unorganismo muerto podemos datarlo.

Ejemplo: 3.75 des./min gr. 15/2 7.5/2 3.75 2·5730 = 11460 años

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Tipos de emisión radiactiva

Desintegración alfa: Los núcleos pesados (Z > 83) son

teóricamente inestables y pueden emitiruna partícula (2 protones y 2neutrones): Z’ = Z -2; A’ = A -4.

El núcleo resultante suele ser radiactivoy vuelve a emitir partículas o ,transformándose de nuevo en otroelemento.

La partículas de fuentes radiactivas naturales tienen una energíaentre 4-7 MeV.

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Tipos de emisión radiactiva Desintegración gamma: Consiste en la emisión de un fotón por parte de un núcleo, que

pasa de un estado de energía superior a otro inferior. Como no hay emisión departículas los númerosatómico y de masa no cambian. Los cambios de energía sondel orden de un MeV.Por tanto, = hc/E =1240 nm (en átomos y en enlaces

químicos son del orden de eV).

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Tipos de emisión radiactiva

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Radiactividad natural y artificial Radiactividad Natural:

Todos los elementos químicos se formaron en reaccionesnucleares estelares, por tanto, los isótopos radiactivos yaestaban cuando se formó la Tierra (4 mil millones de años).

Sólo quedan los que tienen una vida media mayor y susdescendientes, según sus series radiactivas naturales:

Serie del torio (serie 4n, 1010 años). Serie del uranio-radio (serie 4n+2, 109 años). Serie del uranio-actinio (serie 4n+3, 108 años). Serie del Neptunio (serie 4n+1, 106 años, ya agotada ). Todas acaban en plomo. Sirven para datar la Tierra.

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Radiactividad natural y artificial

Las fuentes de radiactividad artificial son aquellasproducidas como resultado de alguna actividadhumana: obtención artificial de núcleos radiactivospor reacciones nucleares provocadas: a + X b + Y; + 27Al13 n + 30P15

El fósforo se desintegra por + en 2.5 min. Los reactores nucleares permiten obtener núcleos

artificiales emisores , muy útiles en campos comometalurgia o medicina.

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Radiactividad natural y artificial

Dos tipos de reacciones nucleares:

Fisión: división de un núcleo pesado en dos (radiactivos).

Fusión: unión de dos núcleos ligeros.

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Interacción de neutrones con la materia. Interacción de partículas cargadas. Interacción de fotones con la materia.

b- Efectos biológicos de las radiaciones.

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La emisiones, tanto corpusculares como electromagnéticas, tienen capacidad de penetrar en la materia e interaccionar con ella.

Partículas: mayor poder ionizante.

Radiación: mayor penetración.

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Neutrones

Los Neutrones solo interaccionan chocando con núcleos: Dispersión elástica Dispersión inelástica (captura y emisión) Captura (forma iótopos) Fisión (reacción en cadena)

Tienen alta penetración: en agua 3.2 cm para 2 MeV

Clasificación: Lentos (E < 1 eV) Intermedios (1 eV < E < 0.5 MeV) Rápidos (E > 0.5 MeV)

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Partículas Cargadas Ceden energía por choques elásticos o inelásticos con átomos o

núcleos (muy rara): Ionización de los átomos: primaria o secundaria. Excitación de los átomos: los electrones volverán a caer

emitiendo radiación electromagnética. Radiación de frenado: depende de la desaceleración.

Alcance: es la distancia queuna partícula, con incidencianormal, puede penetrar en unmaterial.

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Partículas Cargadas

Partículas alfa: núcleos de helio-4, q =2·e-, m =4 u. Ionización: I = 2.88·104 · E Recorrido: R = 0.309 · E

Si E = 5 MeV I = 144000 pares iónicos en aire.R =3.52 cm en aire; 0.44 mm en tejido biológico.

Pierden su energía en un recorrido muy corto que será rectilíneo,por tanto, la densidad de pares producidos es muy elevada.

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Partículas Cargadas

Partículas beta: electrones, positrones, q =e-, m =0. Ionización: entre 50-100 pares/cm con energías entre 1-5 MeV. Curva de absorción:

I (x) = I0 e-x

coeficiente de absorción lineal.

Espesor de semirreducción

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Partículas Cargadas

Partículas beta: alcance máximo

Energía (MeV)

Alcance aire (mm)

Alcance agua (mm)

Alcance aluminio (mm)

0,2 300 0.4 0.15

0,5 1230 1.6 0.59

1,0 3700 4 1.5

2,0 7300 9.5 3.5

3,0 11300 15 5.5

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Fotones Interacciones entre materia y energía:

emisión-absorción transiciones de la materia entre dos estados energéticos

Rayos X en átomos, Rayos gamma en núcleos. E=hf

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Fotones

Procesos de interacción entre materia y energía:

Efecto Fotoeléctrico: La energía cinética del electrón: E = h f - W0

Ee capa k = 0.5 – 0.088 = 0.412 MeV La extracción de un electrón interior provoca la reordenación del átomo

con emisión secundaria de rayos X.

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Fotones

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Fotones

Efecto Compton: Colisión elástica entre un fotón y un

electrón libre o de capas externas.

Producción de Pares:

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Fotones

Atenuación-absorción de radiación electromagnética

I -> Intensidad del fotón; -> Coeficiente de atenuación, depende del tipo de material y

de la energía del fotón. Coeficiente másico de atenuación:

Probabilidad de interaccionar con la materia por unidad derecorrido:

Son excluyentes: f para bajas energías, C para medias y pp paraaltas (figuras página siguiente).

)g/cm( 2m

ppCf

x0 eI)x(I

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Fotones

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Fotones

Ejemplo de atenuación: fotones 0.3 MeV en 2 cm de material.mAl = 0.1 cm2/g Al = 0.1 cm2/g · 2.7 g/cm3 = 0.27 cm-1

I(L) = I0 e-0.27·2 cm = 0.583 I0 58.3 % de la inicial.

mPb = 0.3 cm2/g Al = 0.1 cm2/g · 11.35 g/cm3 = 3.4 cm-1

I(L) = I0 e-3.4·2 cm = 0.0011 I0 11 % de la inicial.

Espesor de semirreducción x1/2 (con decaimiento exponencial no se puede definir el alcance). Para un fotón de 1 MeV: agua 9.816 cm, hormigón 4.65 cm,

aluminio 4.175 cm, plomo 0.893 cm

Espesor de atenuación En plomo para llegar a 1 % x = 5.934 cm

)x(I

Iln1x 0

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Actividad Radiactiva: unidadesMagnitud y

símbolo Unidad Equivalencia en SI Unidad especial antigua

Exposición (X) C/Kg C/kg Roëntgen (R)

Dosis absorbida (D) Gray (Gy) J/kg rad (rad)

Dosis equivalente (H) Sievert (Sv) J/kg rem (rem)

Actividad (A) Becquerelio (Bq)Curie (Ci)

Actividad de 1 gr de radio puro

1 R = 2,58E-4 C/kg 1 C/kg = 3876 R

1 rad = 1E-2 Gy = 1cGy 1 Gy = 100 rad

1 rem = 1E-2 Sv = 1 cSv 1 Sv = 100 rem

1 Ci = 3,7E10 Bq = 3,7G Bq 1 Bq = 2,70E-11 Ci = 27 pCi

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Exposición (X): Carga eléctrica de un mismo signo recolectada por unidad masa de aire en condiciones normales de P y T.

Dosis absorbida (D): Energía absorbida por unidad de masa de medio irradiado.

Dosis equivalente (H): Dosis de radiación que produce los mismos efectos biológicos que una dosis absorbida de Rayos X de 0.2 MeV.

H = D*EBR (siendo el EBR la eficacia Biológica Relativa, factor adimensional que multiplicado por la dosis absorbida de Rayos X de 0.2 MeV, nos da la dosis de radiación necesaria para producir un determinado efecto biológico).

Actividad (A): Número de desintegraciones por minuto de una muestra radiactiva.

Actividad Radiactiva: unidades

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Actividad Radiactiva: unidades

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Estocástico: probabilístico, aleatorio

Actividad Radiactiva: unidades

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Real Decreto 783/2001 6 de julio, por el que se aprueba el reglamento de protección sanitaria contra radiaciones ionizantes.

Real Decreto 815/2001 13 de julio, sobre justificación del uso de radiaciones ionizantes para la protección radiológica de las personas con ocasión de exposiciones médicas.

Real Decreto 1132/1999 14 de septiembre, por el que se establecen medidas fundamentales de Protección Radiológica de las Personas sometidas a Exámenes y Tratamientos Médicos. (BOE 18 de sept).

Real Decreto 1976/1999 de 23 de diciembre por el que se establecen los Criterios de Calidad en Radiodiagnóstico(B.O.E. nº 311, de 29 de dic.).

Real Decreto 413/1997 de 21 de marzo, sobre protección operacional de los trabajadores externos con riesgo de exposición a radiaciones ionizantes por intervención en zona controlada (BOE nº 91, de 16 de abril).

Real Decreto 1841/1997 de 5 de diciembre, por el que se establecen los Criterios de Calidad en Medicina Nuclear(BOE nº 303, de 19 de dic.).

Real Decreto 1566/1998 de 17 de julio, por el que se establecen los Criterios de Calidad en Radioterapia (BOE nº 206, 28 de agosto).

c- Proteción Radiológica.

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Protección radiológica

Control de Exposición 86 % Radiación natural, 10 % Rayos X, 4 % Medicina nuclear. a) Control de exposición interna:

Usar guantes y prendas protectoras y no tocarse la piel. Usar mascarillas en caso de volatilidad del material usado. No comer, beber, etc. donde haya material radiactivo. No almacenar alimentos en estas áreas. Realizar semanalmente tests de radiación.

b) Control de exposición externa: Minimizar el tiempo. Maximizar la distancia ( r-2). Utilizar blindajes (espesores según ya hemos visto).

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Protección radiológica Límites de Dosis:

ComisiónInternacionalde ProtecciónRadiológica

Ministeriode trabajoy asuntossociales

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Protección radiológica

Derramamientos, accidentes, situaciones especiales: Desalojar inmediatamente. Prevenir la diseminación del material o del personal

afectado. Notificar, solicitar ayuda y requerir instrucciones a los

responsables correspondientes. Descontaminar al personal (ropa, usar agua y detergente). Descontaminar el área afectada y aislar todo el material

contaminado. Controlar el área con detectores.

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d- Medidas de seguridad y técnicas de trabajo. Utilización de dosímetros personales: film fotográfico,

termoluminiscente o cámara de ionización de bolsillo. Señalización: signo internacional e indicaciones con texto.

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Medidas de seguridad y técnicas de trabajo

Instalaciones adecuadas. Calibraciones y mantenimiento periódico por

personal autorizado. Personal técnico cualificado para el manejo de

dispositivos de radiación. Formación continúa.

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e- Descontaminación.

Eliminación de contaminación externa: lavado con agua y detergentes específicos (Hipocloríto de sodio, alcohol) o incluso normales (jabón).

(el agua debe tratarse después como residuo radiactivo).

Eliminación de contaminación interna: por vías metabólicas normales o con algún medicamento para acelerar estos procesos.

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e- Descontaminación.

Eliminación de contaminación en instalaciones: blindaje con metales, hormigon, etc.

Eliminación de contaminación en tierra: tiempo (?) o enterramiento (?).

Fukushima: 2000 km2, 100 mill. de m3. Zonas marinas cercanas:

dispersión o acumulación??