Radioquímica

Radioactividad proceso de transformación nuclear

Nucleido X está definido por 3 parámetros:

1- A número de masa suma de protones (p+) y neutrones (n)

2- Z número atómico protones

3- Contenido Energético estado de mínima E estable

otros estados E metaestables o excitados

AXZ Ejemplos : 62Co7 ; 238U92

Isótopos igual Z; diferente A 131I53 ; 127I53 ; 125I53

Propiedades químicas iguales

Isóbaros igual A; diferente Z 130Xe54 ; 130Cs55

Isómeros igual A y Z; diferente E 99mTc43 ; 99Tc43

Nucleídos estables :

n/p+ 1 para átomos ligeros

n/p+ 1,56 para átomos de alto Z

Nucleídos Inestables desintegraciones espontáneas

Corpusculares : α; Β; captura e-; neutrones

Desintegraciones

electromagnéticas : γ

Los procesos ocurren en forma simultánea y/o consecutiva siempre en igual %; igual forma de desintegración e igual contenido E siendo característicos de cada Isótopo.

ISOTOPOS PROTONES NEUTRONES ESTABILIDAD %

C-11 6 5 ARTIFICIAL

C-12 6 6 ESTABLE 98,9

C-13 6 7 ESTABLE 1,1

C-14 6 8 RADIOACTIVO TRAZAS

Nucleido Vida Media Radiación Uranio-238 4.510.000.000 años Alfa Cobalto-60 5 años Beta, Gamma Fosforo-32 14 días Beta Tritio (Hidrogeno-3) 12,26 años Beta Carbono-14 5.600 años Beta Yodo-131 8 días Beta, Gamma

a) Desintegración alfa (α); monoenergética, capturan 2 e- (al atravesar el medio) :

A X Z (A-4) Y (Z-2) + 4 α 2

Ejemplo 238U92 234Th90  + 4He2

b) Desintegración Beta (β) ; espectro continuo de energía característico :

β- : A X Z A Y (Z+1) + β- + ζ (anti neutrino)

Proceso nuclear : n p+ + e- + ζ Ej. 14 C 6 14 N 7 + β- + ζ

β+ : A X Z A Y (Z-1) + β+ + ζ (neutrino)

Proceso nuclear : p+ n+ β+ + ζ Ej. 22 Na 11 22 Ne 10 + β+ + ζ

Proceso Beta (β) generalmente acompañado de captura electrónica :

Rayos X origen orbital

Captura electrónica :

p+ + e- n + ζ A X Z A Y (Z-1) + ζ + Rayos X

Ejemplo : 51 Cr 24 + e- 51 V 23 + ζ + Rayos X

c) Desintegración por neutrones : 235 U 92 138 Cs 55 + 95 Zr 40 + 2 n

d) Desintegración γ (origen nuclear) transición isomérica

conversión internaFotones Monoenergéticos, espectro característico de cada nucleido

Esquema de desintegración

Z-1-2 1

ENucleído madre

α

γγ

Β+ c.e.

γ γ

Β-

Transición Isomérica: 99m Tc 43 99 Tc 43

Conversión Interna:

γ e- C.I.

Rx

Estados excitados

Nucleidos hijos

γ emitida excita e- interno

expulsandolo y otro e- externo ocupa su orbita liberando Rx

Ejemplos : Vida Media 15,0 h

24 Na 11

Β- 1,39 MeV; 99,997 %

Β- 4,17 MeV; 0,003 %γ 2,75 MeV

γ 1,36 MeV

99 Tc 43 Vida Media 2,12 x 105 años

Vida Media 6,0 h

99m Tc 43

γ 0,142 MeV

γ 0,140 MeV

99 Ru 44Β- 0,292 MeV

Radioactividad fenómeno nuclear cuya velocidad es una constante independiente de las condiciones físico químicas

λ : constante de desintegración característica de cada nucleído

nº de átomos que se desintegran por unidad de tiempo

-dn/dt = -λ . N -dn/N = -λ . dt integrando ln N = -λ t + cte

Para t = 0 N = N0 cte = ln N0

Por lo tanto ln N/N0 = -λ t N/N0 = e –λt

N = N0 . e-λt

proceso de desintegración sigue una ley exponencial negativa Período de semidesintegración (T) :

es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los átomos

existentes al estado inicial : t = T N = ½ N0

T = ln 2/λUnidad es el Becquerelio (Bq) = una desintegración/segundo

Tambien se acostumbra a expresar la actividades en otra unidad, el "curie" (Ci). 1 Ci equivale a 3,7x1010 desintegraciones por segundo.

INTERACCION CON LA MATERIA

Choques elásticos y/o ineslásticos con los núcleos y/o e-

a – Detección (medir) α

b – Aplicación β

c – Seguridad γ

α La interacción más importante inelástica con e-

a) Ionización

+

b) Excitación la energía de la partícula excita el e-

luego regresa a su estado basal liberando energía electromágnética Radiación

electromágnetica

β a) Interacción inelástica con e-

1) ioniza, menos que α por menor contenido energético

2) excitación

b) Choque inelástico con núcleos β es frenado cerca del núcleo, por efectos electrostáticos, la energía se disipa radiación de frenamiento (electromagnética)

c) Choque elástico con el núcleo partícula β se desvía de su trayectoria sin perder energía (retrodispersión)

d) β+ produce aniquilamiento del positrón

Al llegar al reposo β+ + e- (del medio) 2 fotones

Ejemplo de conversión de masa en energía (electromagnética β+

e-2 m C2

Fotón 511 Kev

Fotón 511 Kev

γ Puede interaccionar de 3 maneras :

a) Efecto Fotoeléctrico

Interacción con e- interno

Puede generar Rx

γ

Foto e-

b) Efecto Compton

Interacción e-

externo

γ

e- compton

c) Producción de pares fotón incidente E > 1,02 Mev, interacciona con campo eléctrico del núcleo dando un positrón y un electrón energía se transforma

en materia γe-Β+

Foton se dispersa

Penetración de los distintos tipos de radiación

Radiación al atravesar el medio cede energía (E) hasta detenerse la E es absorbida material absorbente

α penetra 5-7 cm en el aire

Β dispersión, alcance lineal > que α

γ mayor penetración que todas ( 1 cm de Pb reduce al ½ la intensidad

   La radiación a la que estamos expuestos de manera natural es aproximadamente 100 mrem por año.

Rem es la unidad que integra la cantidad de dosis y sus efectos biológicos 1 Rem = 1 Rep x 1RBE

Rep es el equivalente físico de un roetgen, la dosis correspondiente a la absorción de 93 erg g-1 de tejido blando

REB es la unidad de efectividad biológica relativa

Esta condición puede variar de acuerdo a diferentes factores (altitud, condiciones del suelo, estación del año, etc.

El impacto de las radiaciones en la salud se estiman por:

a) El tiempo de exposición

b) Intensidad de la exposición

c) Organo o tejido expuesto

a) Exposición crónica:

Efectos genéticos, puede producir cáncer, lesiones precancerosas, tumores benignos, cataratas, cambios en la piel y defectos congénitos.

b) Exposición aguda : Genera lesiones en la piel, desórdenes gastrointestinales,

condiciona infecciones bacterianas, hemorragias, anemia, pérdida de fluidos corporales, esterilidad temporal, cáncer y efectos genéticos. La muerte en unos cuantos días puede ser una de sus consecuencias

Detección y medición de la Radiación

Instrumentos de detección se basan en los fenómenos de interacción de la

radiación con la materia :

1- Detectores de Ionización :

a) Sin campo eléctrico

b) Con campo eléctrico cámara de ionización, contadores proporcionales

y los detectores Geiger Muller

Cámara de Ionización

(-)

Iones se recombinan

Iones 2º guardan proporcionalidad con los 1º

Ionización total

Los detectores de ionización tienen buen rendimiento para α y β pero poca para γ (aproximadamente 1 %)

Detector de centelleo fotomultiplicador

Cristal de centelleo al incidir una radiación emite un fotón (UV ó Visible) que termina en un impulso eléctrico

Sustancias luminiscentes hay gran variedad, orgánicas, inorgánicas, sólidas, líquidas, etc.

Los detectores de centelleo se utilizan fundamentalmente para γ

Cristal NaI activadocon Tl

CONTADOR DE CENTELLEO LÍQUIDO

Espectro Rayos γ de una fuente monoenergeticaA- Pico principal es el fotopicoB- Borde Compton corresponde a la maxima E de los e- en una colisión frontal con los fotones incidentesC- Pico de back scattering corresponde a la E de los fotones que son retrodispersados en el medio circundante y reingresan al detector

Espectro Emisión γ de 137Cs con el centellador

Voltaje aplicado

Detector de Centelleo Líquido

Medida de radiacion β ; Isótopos más utilizados Tritio, 14C, 32P, 45Ca Detector sólido de cristal antraceno antraceno

Muestras (dentro de un recipiente transparente) se colocan en un líquido de centelleo que contiene un solvente aromático fluorescente, compuesto por ejemplo de 2,5 -difenil oxazol (PPO), 1,4 -bis 2-5 fenil oxazolil benceno (POPOP) y naftaleno disueltos en toxilol, dioxano, 2- metoxictanol, 2-etoxie- etcétera

El centellador interactúa con la radiación y emite luz en la región cercana al visible la que se transforma en la señal.

El fotón emitido incide sobre dos fotocátodos y 2 tubos fotomultiplicadores de manera de disminuir el ruido porque sólo se considera señal aquella que es detectada por ambos detectores simultáneamente Relación señal/ruido optimizada.

Aplicaciones

a) Análisis Radiométrico :

1- Titulación directa y/o indirecta

Ag (TSH) + Ac* (anticuerpo) Ag-Ac* (orgánico)

*Ag+ + Cl- *AgCl (inorgánico)

Analito (An)

Trazador (Tz)

b) Dilución Isotópica : sirve para determinar cuatitativamente un componente de una mezcla, que es muy difícil de separar

Actividad específica Tz : Act. Tz / Masa Tz

Actividad específica An : Act Tz / (Masa Tz + Masa An)

Act. esp. Tz / Act esp An

Despejo

Masa Analito

d) Esterilización de equipamiento médico, alimentos, etc.e) Tomografías y radioterapias. f) Medicina Nuclear para realizar diagnóstico : in vivo 99m Tc , en cámara gamma por ejemplo en la detección del cáncer de huesos e in vitro en análisis de radioinmunoensayo

c) Análisis con Radioligandos : utilizados para medios complejos como los biológicos

Radioinmunoanálisis Dosaje de hormonas, receptores, etc.

H

H*

H + Ac H-Ac

H* + Ac H* -Ac