1

Rayos X Hace algo más de un siglo, en 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), científico alemán de la Universidad de Würzburg, descubrió una radiación (entonces desconocida y de ahí su nombre de rayos X) que tenía la propiedad de penetrar los cuerpos opacos Los rayos X son invisibles a nuestros ojos, pero producen imágenes visibles cuando usamos placas fotográficas o detectores especiales para ello.

Imagen radiográfica de una soldadura bien hecha

Soldadura mal hecha por falta de penetración (línea

negra)

De casi todos son conocidas las aplicaciones de los rayos X en el campo de la Medicina para

realizar radiografías, angiografías (estudio de los vasos sanguíneos) o las llamadas tomografías computarizadas. Y el uso de los rayos X se ha extendido también a la detección de

fallos en metales o análisis de pinturas. Históricamente hablando, pasaron muchos años desde el descubrimiento de los rayos X en 1895, hasta que el descubrimiento de esta radiación revolucionó los campos de la Física, la Química y la Biología. La potencialidad de su aplicación en estos campos vino indirectamente de la mano de Max von Laue (1879-1960), profesor sucesivamente en las Universidades Munich, Zurich, Frankfurt, Würzburg y Berlín, quien pretendiendo demostrar la naturaleza ondulatoria de esta nueva radiación usó un cristal de blenda frente a los rayos X, obteniendo la confirmación de su hipótesis y demostrando al mismo tiempo la naturaleza periódica de los cristales. Laue recibió por ello el Premio Nobel de Física de 1914. Pero quienes realmente sacaron provecho del descubrimiento de los alemanes fueron los británicos Bragg (padre e hijo), William H. Bragg (1862-1942) y William L. Bragg (1890-1971), quienes en 1915 recibieron el Premio Nobel de Física al demostrar la utilidad del fenómeno que había descubierto von Laue para obtener la estructura interna de los cristales. Pero todo esto será objeto de apartados posteriores. Los rayos X son radiaciones electromagnéticas, como lo es la luz visible, o las radiaciones ultravioleta e infrarroja, y lo único que los distingue de las demás radiaciones electromagnéticas es su llamada longitud de onda, que es del orden de 10

-10 m (equivalente a la unidad de

longitud que conocemos como Angstrom). Los rayos X que más interesan en el campo de la Cristalografía de rayos X son aquellos que disponen de una longitud de onda próxima a 1 Angstrom (fundamentalmente los denominados rayos X "duros" ) y corresponden a una frecuencia de aproximadamente 3 millones de THz (tera-herzios) y a una energía de 12.4 keV (kilo-electrón-voltios), que a su vez equivaldría a una

2

temperatura de unos 144 millones de grados. Estos rayos X se producen en los laboratorios de Cristalografía o en las llamadas grandes instalaciones de sincrotrón (como el ESRF: European

Synchrotron Radiation Facility).

Los equipos que se utilizan en los laboratorios de Cristalografía para producir estos rayos X son relativamente sencillos. Disponen de un generador de alta tensión (unos 50.000 voltios), que se suministra al llamado tubo de rayos X, que es realmente donde se produce la radiación.

Esos 50 kV se suministran como diferencia de potencial (alto voltaje) entre un filamento incandescente (por el que se hace pasar una corriente i de bajo voltaje, unos 5 A a unos 12 V) y un metal puro (normalmente cobre o molibdeno), estableciéndose entre ambos una corriente de unos 30 mA de electrones libres. Desde el filamento incandescente (cargado negativamente) saltan electrones hacia el ánodo (cargado positivamente) provocando, en los átomos de este último, una reorganización electrónica en sus niveles de energía

Estado energético de los

electrones en un átomo del ánodo que va a ser alcanzado por un

electrón del filamento

Estado energético de los

electrones en un átomo del ánodo después del impacto con un

electrón del filamento

Electrones que vuelven a su estado inicial, emitiendo esta energía en forma de rayos X

llamados característicos

Esquema sobre la producción de rayos X característicos de un metal. Un electrón de alta energía puede producir la salida de un electrón cercano al núcleo. La vacante así producida se rellena por el salto de otro electrón de una capa superior, con mayor energía. Esa diferencia de energía entre niveles (característica del átomo) se transforma en radiación X característica, con una longitud de onda (energía) determinada. Animación tomada de

En las grandes instalaciones de sincrotrón, la generación de los rayos X es distinta. Una instalación sincrotrónica contiene un anillo muy grande (del orden de kilómetros) por el que se hacen circular electrones a altísima velocidad en el interior de canales rectilíneos que de vez en

3

cuando se quiebran para adaptarse a la curvatura del anillo. A estos electrones se les hace cambiar de dirección para pasar de un canal a otro usando campos magnéticos de gran energía. Y es en ese momento, en el cambio de dirección, cuando los electrones emiten una radiación muy energética denominada radiación sincrotrónica. Esa radiación está compuesta por un contínuo de longitudes de onda que abarcan desde las microondas hasta los llamados rayos X duros.

Esquema del punto de giro entre dos segmentos rectilíneos en un sincrotrón. Imagen adaptada según aparece en el ESRF

Detalle de cómo se producen los rayos X en las curvaturas de la trayectoria de los electrones en un sincrotrón. Imagen adaptada según aparece en el ESRF

Los rayos X que se obtienen en las instalaciones de sincrotrón tienen dos grandes ventajas para la Cristalografía de rayos X: 1) la longitud de onda se puede modular a voluntad, y 2) su

brillo es un billón de veces (1012

) superior a la de los rayos X convencionales.

4

La Radiactividad

El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel en

1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba

un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica

envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba

velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol

y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima.

Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia

ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía

una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie

Curie llamaría más tarde radiactividad.

Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que

había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que

otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la

radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental

del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los

átomos. En 1898 descubren dos nuevas sutancias radiactivas: el radio y el polonio,

mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y

Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado

de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura

y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de

las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el

premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad

natural. Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por

el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en

la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford,

quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres

componentes que denominó: alfa, beta y gamma.

5

Como se observa en la Figura, las partículas son desviadas levemente por la presencia

de placas eléctricas, hacia el polo (- ), las partículas se desviaban bastante en la

dirección del polo (+) de manera similar al electrón, con las mismas características de

masa, etc. Finalmente, los rayos simplemente no eran afectados por la presencia de

campos externos. Aplicando entonces las mismas ecuaciones a las descritas

anteriormente para electrones y Espectros de Masas, se logró determinar para cada una

lo siguiente:

La radiación es un haz de electrones provenientes del núcleo del átomo.

Los rayos consisten de partículas cargadas positivamente en la cantidad 2+. Las

partículas son comparativamente de mucho mayor masa que las partículas . La

medición de su masa dio por resultado que correspondía a ser iones de Helio, He++.

Los rayos no transportan carga, no poseen masa medible, son de alta energía y su

movimiento es semejante al de los rayos X;

no

corresponden a partículas.

Los rayos son de baja penetrabilidad: los detiene una hoja de

papel. En cambio, los rayos son alrededor de 100 veces más

penetrante y los rayos son 1000 veces más penetrante en la

materia. La figura muestra de manera gráfica esta capacidad de

cada una de las radiaciones planteadas, junto a una tabla de sus características.

Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida,

prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los

rayos X, recien descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por

su querido radio, Mme Curie murió a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene

continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la

radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel.

Radiactividad

El calor natural de la Tierra que calienta a las aguas termales, o que proporciona

energía a los géiseres o a un volcán proviene de las reacciones químicas nucleares que

son producidas por la radiactividad de los minerales del interior de la Tierra.

La radiactividad libera energía, pero no ha llegado a ser una fuente importante. En

pequeña escala, la radiactividad se usa para alimentar pequeñas fuentes de energía en

los vehículos espaciales y hace que se caliente una muestra de radio. A gran escala

6

funde rocas y es la fuente de energía geotérmica que proviene del interior de la Tierra.

Las reglas de la radiactividad están regidas por la equivalencia entre la masa y la

energía. Las partículas se desintegran sólo si los productos combinados tienen menos

masa después de la desintegración que antes. La masa de un neutrón es ligeramente

mayor que la masa total de un protón más un electrón (y el antineutrino). Cuando un

neutrón se desintegra la masa final es menor que la masa inicial.

Uno de los factores que limitan el número de núcleos atómicos estables diferentes que

pueden existir es la inestabilidad del neutrón. No se produce una desintegración

espontánea en las reacciones químicas nucleares en las que la masa final es mayor que

la masa inicial. EL nucleo es una pequeña región central del átomo donde se encuentran

distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben

el nombre de nucleones. La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción

eléctrica. Es más, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración.

El hecho de que en el núcleo existan protones y neutrones es un indicador de que debe

existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente

relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama

nuclear y es la que predomina en el núcleo. Para explicar la naturaleza de las fuerzas

nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los núcleos, es necesario

analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene una masa y está cargado

electricámente. Además, tiene un tamaño que se puede medir por su radio. Los

nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones mutuas y la intensidad de sus

interacciones se puede medir por su energía de enlace o energía de ligadura nuclear.

Los nucleidos se clasifican en:

Isótopos: núcleos con igual número de protones, pero distinto número

de neutrones, y por tanto distinto número másico.

Isótonos: núcleos con igual número de neutrones, pero distinto

número de protones, y por tanto distinto número másico.

Isóbaros: núcleos con distinto número de protones y distinto número

de neutrones, pero igual número másico.

Un núcleo se considera estable si no se transmuta(desintegra) en 1021

años, si bien puede

transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones.

Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el

resto ha sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 nucleidos, de

los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han

producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los nucleidos son radiactivos.

Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el

tiempo formando otros nucleidos.

ENERGIA DE ENLACE NUCLEAR

Se define como la energía necesaria para separar los nucleones de un núcleo, o bien

como la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el núcleo.

El origen de la energía de ligadura o de enlace nuclear reside en la desaparición de una

parte de la masa de los nucleones que se combinan para formar el núcleo. Esta

diferencia de masa recibe el nombre de defecto másico, y se transforma en energía cuyo

cálculo se puede realizar por la ecuación de Einstein, E=m.c2

Si a la suma de las masas de los nucleones y electrones de un átomo le restamos la masa

medida experimentalmente a través del espectrógrafo de masas, obtenemos el defecto

másico, y podemos calcular la energía total de enlace. La energía de enlace o de

ligadura será equivalente a la energía liberada en la formación de un núcleo.

7

La u.m.a. se define como la doceava parte de la masa del átomo 6C12

y 1 u.m.a.=1'66.10-

27Kg, por lo que sustituyendo en la ecuación de Einstein, E=m.c

2, E = 931.5 MeV, es

decir, 1 u.m.a. libera 931'5 MeV. Por tanto, la energía liberada (B) en la formación de

un núcleo será:

B = defecto másico × 931 MeV.

CARACTERISTICAS DE LAS FUERZAS NUCLEARES

Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de gran intensidad dado el tamaño

de los núcleos y su enorme densidad, que predominan en el núcleo venciendo la

repulsión electrostática entre los protones.

Son de corto alcance, es decir, cada nucleón interacciona con los nucleones más

próximos, si bien a distancias muy cortas, las fuerzas nucleares se hacen

repulsivas lo que explica que los nucleones permanezcan a distancias medias

constantes y que el volumen por nucleón sea constante.

La fuerza de interacción entre dos nucleones es independiente de la carga, por lo

que la fuerza entre dos nucleones, bien sean protón-protón, neutrón-neutrón o

protón-neutrón, es aproximadamente la misma

Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos diferentes de los que cerca de 300

son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del

tiempo. La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones

que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los

elementos químicos ligeros, por ejemplo, los isótopos 612

C, 714

N y 816

O son estables. Al

graficar el número de neutrones “contra” el número de protones de los isótopos se

obtiene la zona conocida como “el cinturón de estabilidad”

8

.

N= neutrones Z=PROTONES

Los isótopos estables tienen una relación neutrones/protones que cae dentro del

“cinturón de estabilidad”. Para isótopos ligeros de peso atómico pequeño, la relación

estable es de 1.0 y para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1.5. No existen

isótopos estables para elementos químicos de número atómico mayor a 83 (el bismuto).

Los isótopos que tienen una relación neutrones/protones mayor o menor al “cinturón de

estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de

reacción nuclear que se llama radiactividad. A medida que aumenta el número atómico

Un núcleo inestable produce una reacción química llamada descomposición radiactiva o

desintegración. En la naturaleza existen sólo unos pocos núcleos inestables y su

descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad natural. En el

laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de

descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial. La radiactividad

natural emite tres radiaciones que se conocen como radiaciones alfa (), beta () y

gamma (), y nunca se emiten positrones.

La radiación alfa () consiste en la emisión de partículas con carga positiva de +2

y con una masa de 4 uma. Estas partículas son idénticas a los núcleos de los átomos de

helio ordinario 24He

+2. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados

situados al final de la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen muchos protones

y la repulsión eléctrica es muy fuerte pn, por lo que tienden a obtener N

aproximadamente igual a Z, y para ello emite una partícula alfa. En el proceso se

9

desprende mucha energía que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, es

decir que estas partículas salen con velocidades muy altas.

En el proceso un núcleo cualquiera de número másico A y número atómico Z, se

convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nºatómico Z-2, y se emite una

partícula alfa.

ZAX ----> Z-2

A-4H +

4 He

2+

Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico disminuye en 2

unidades y su masa atómica disminuye en 4 unidades. Por ejemplo, si un átomo de

uranio de número atómico 92 y número de masa 238, emite una partícula alfa se

produce un isótopo de torio de número atómico 90 y número de masa 234. El proceso

nuclear se representa mediante la ecuación química nuclear:

92 238

U ---> 90 234

Th + radiación alfa + radiación gamma.

Como partículas alfa son núcleos de helio, 24He

2+, contienen 2 protones y 2

neutrones, y una carga de +2, pero por convención la ecuación anterior se representa

como:

92 238

U ---> 90 234

Th + 24He

Esta ecuación química es una ecuación química nuclear típica en la que se conservan

tanto los números de masa como los números atómicos, es decir, el número de masa del

“reactivo” (238) es igual a la suma de los números de masa de los “productos” (234 + 4)

y el número atómico (92) es igual a la suma de los números atómicos de los “productos”

(90 + 2)

La radiación beta () consiste de una emisión de partículas cargadas negativamente,

de propiedades idénticas a las de los electrones. La emisión de partícula (m=0, carga =

-1) transforma a un neutrón (masa = 1, carga = 0) del núcleo en un protón (masa = 1,

carga = +1). Por lo tanto, la emisión de radiación no cambia el número de masa, pero

el número atómico aumenta en una unidad Aparece para cualquier tipo de núcleo, pero

es típica de núcleos con exceso de neutrones, es decir n>p. Es un mecanismo usado por

los núcleos para llegar a la línea de estabilidad (N aproximadamente igual Z)

La radiación Beta- consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los

núcleos, pero en el núcleo sólo hay protones y neutrones, ¿cómo puede emitir

electrones? En 1934 Fermi explicó esta radiación suponiendo que en la desintegración

beta menos, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino

mediante la reacción:

n0 ----> p

+ + e

- + antineutrino

10

La emisión beta menos da como resultado otro núcleo distinto con un protón más, la

reacción sería:

ZAX ----> Z+1

AY + e

-+ antineutrino

.Un ejemplo de emisión de radiación es la desintegración radiactiva del torio-234 (90

protones y 144 neutrones) a protactinio-234 (91 protones y 143 neutrones) más

radiación , que se representa mediante la ecuación química nuclear:

90234

Th ---> 91234

Pa + -10e

RADIACIÓN BETA positiva

Mediante este mecanismo un núcleo emite espontáneamente positrones, e+,

antipartículas del electrón de igual masa pero con carga eléctrica opuesta. Lo que ocurre

es que un protón del núcleo se desintegra dando lugar a un neutrón, un positrón o

partícula Beta+ y un neutrino . Así el núcleo se desprende de los protones que le sobran

y se acercan a la línea de estabilidad N = Z. Por ello se da en núcleos con exceso de

protones. la reacción sería:

p+nº +e

+

ZAX ----> Z-1

AY + e

++ neutrino

Algunos ejemplos son:

30P ---->

30Si + e

+

40K ---->

40Ar + e

+

Captura electrónica

Se da en núcleos con exceso de protones. El núcleo captura un electrón de la corteza

electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.

p+ + e

- ----> n

0 + neutrino

ZAX + e

- ----> Z-1

AY + neutrino

La radiación gamma ()

11

Consiste en una emisión de fotones de alta energía y de longitud de onda muy corta (

= 0.0005 a 0.1 nm). La emisión de radiación gamma acompaña a casi todas las

reacciones nucleares. Se produce debido a un cambio de energía en el núcleo. Un núcleo

excitado, procedente de la emisión de partículas o , emite a su vez un fotón,

descendiendo a un estado energético más bajo y más estable. La radiación no produce

ningún cambio en el número atómico ni en el número de masa. Esta es la razón por la

que suele no escribirse en las ecuaciones de las reacciones nucleares. Es una radiación

muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena con planchas de plomo y

muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética, de los tres tipos de

radiación es la más peligrosa.

ZAX

* ----> Z

AX + Rad gamma

Ley de desintegración radiactiva

En 1902 Ernest Rutherford y Frederick Soddy, sugirieron que el ritmo con que una

sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el

tiempo. La desintegración radiactiva tiene lugar cuando un elemento se transforma en

otro cambiando el número de nucleones que forman el núcleo. Es un fenómeno

probabilístico que sigue la ley de Poisson. De forma natural sólo ciertos isótopos son

adiactivos. Cuando se transforman en otros elementos se dice que decaen. El elemento

de partida se llama isótopo radiactivo, radioisótopo o isótopo padre, y aquel en el que se

transforma se conoce como elemento hijo o isótopo radiogénico.

Para caracterizar el decaimiento radiactivo de un material se utiliza el periodo de

semidesintegración, T1/2. Es el tiempo que debe transcurrir para que se desintegren la

mitad de los isótopos dados.

La cantidad de radioisótopo N que permanece sin desintegrar transcurrido un tiempo

dado se relaciona con la cantidad inicial No a través de la ley de decaimiento

radiactivo:donde N es el número de núcleos que quedan sin desintegrar, N0 es el número

de núcleos iniciales, y N0 - N es el número de núcleos desintegrados. La constante

lambda λes la constante de desintegración.

N=No e-λ.t

El fenómeno de la radiactividad es aleatorio sujeto a una cierta probabilidad de

desintegración. Por eso lambda es la probabilidad por unidad de tiempo de que los

núcleos pertenecientes a esa población se desintegren.

12

Semivida o periodo de desintegración, T1/2, es el tiempo que tarda una muestra

radiactiva en reducirse a la mitad.

no depende de la cantidad de nucleos (tiene una cinetica de 1er orden)

Se define también la vida media como el tiempo que tarda un núcleo en desintegrarse:

En la tabla siguiente aparecen los periódos de semidesintegración de algunos isótopos

radiactivos.

Berilio-8 10-16

s

Polonio-213 4 10-6

s

Aluminio-28 2.25 min

Yodo-131 8 días

Estroncio-90 28 años

Radio-226 1600 años

Carbono-14 5730 años

Rubidio-87 5.7 10 10

años

13

Series Radiactivas

Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto

también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que

aparezca un núcleo estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del

inicial(núcleo padre) forman una serie o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o

familias radiactivas, tres de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los

radionúclidos primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que

sobreviven en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es

comparable a la edad de la Tierra.

Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac-227, la otra

serie radiactiva es laa del Np-297, que debería haberse extinguido, pero las pruebas

nucleares relizadas han liberado estos núcleos y por lo tanto ha vuelto aparecer esta

cadena radiactiva. En cada serie todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232,

por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n

un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series radiactivas.

Series radiactivas

NºMásico Cadena del Padre Semivida (años) Producto final

4n Torio Th-232 1.41 1010

Pb-208

4n+1 Neptunio Np-237 2.14 106 Pb-209

4n+2 Uranio-Radio U-238 4.51 109 Pb-206

4n+3 Uranio-Actinio U-235 7.18 108 Pb-208

Magnitudes y unidades radiológicas

Magnitud Definición Unidad

Sistema Internacional Otros

Actividad Nº de desintegraciones por 1 Becquerelio = 1 Bq = 1 Curio = 1 Ci

14

unidad de tiempo 1 d.p.s(desintegración

por segundo)

= 3.7 1010

Bq

Exposición

Carga total dee iones

liberada por unidad de masa

de aire (válido en aire seco)

1 Culombio/kilogramo

= 1 C/kg

1 Roentgen = 1

R = 2.58 10-4

C/kg

Tasa de

exposición

Exposición por unidad de

tiempo 1 C/kg s 1 R/s, 1 R/h

Dosis

absorvida

Energía depositada por

unidad de masa de material

(Análoga a la exposición

pero para materiales)

1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg

1 rad = 100

ergios/gramo

1Gy = 100 rad

Tasa de

dosis

absorvida

Dosis aabsorvida por unidad

de tiempo 1 Gy/s rad/h, rad/min

Dosis

equivalente

La dosis absorvida produce

efectos distintos según el tipo

de radiación, por eso se

define la dosis equivalente

que es independiente de la

radiación que la haya

producido.

1 Sievert = 1 Sv 1 rem , 1Sv =

100 rem

Dosis

efectiva

Suma ponderada de las dosis

equivalentes en los distintos

órganos

1 Sievert = 1 Sv 1 rem 1 Sv =

100 rem

Radiactividad artificial o inducida. Reacciones de bombardeo.

En los últimos 50 años se han obtenido en el laboratorio más de 1200 isótopos

radiactivos. El número de isótopos por elemento químico varía desde uno (hidrógeno y

boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se obtienen por reacciones de bombardeo, en las que

un núcleo estable se transforma en radiactivo. Una reacción típica de bombardeo se

produce, por ejemplo, cuando se bombardea el isótopo estable del aluminio 1327

Al con

neutrones, al absorber un neutrón se transforma en el isótopo 1328

Al que es inestable y se

desintegra con emisión de un electrón formando un isótopo estable de silicio, 1428

Si.

Este proceso se representa mediante las ecuaciones nucleares:

1327

Al + 01n ---> 13

28Al , para la reacción de bombardeo con neutrones.

1328

Al ---> 1428

Si + -10e , para reacción de desintegración.

15

Los primeros isótopos radiactivos artificiales fueron elaborados, en 1934 por Irene

Curie (1897-1956) y Frédéric Joliot (1900-1958), bombardeando isótopos estables con

-30

radiactivo y se libera un neutrón, se representa mediante la ecuación nuclear:

1327

Al + 24He ---> 15

30P + 0

1n

El fósforo-30, que es radiactivo, se desintegra emitiendo una partícula llamada

positrón, que tiene la misma masa que un electrón pero con carga +1 (10e, e

+), este

proceso se representa mediante la ecuación nuclear:

1530

P ---> 1430

Si + 11e

se emiten positrones pero es frecuente en la desintegración en la radiactividad inducida.

Se puede observar en la ecuación de desintegración del fósforo-30, que el resultado de

la emisión de un positrón es la transformación de un protón del núcleo en un neutrón (el

1530

P tiene 15 protones y 15 neutrones y el 1430

Si tiene 14 protones y 16 neutrones).

La emisión de positrones se produce en los isótopos “ligeros” con núcleos poco

estables, debido al bajo contenido de neutrones. Por ejemplo, el isótopo del carbono-11,

611

C, (tiene 6 protones y 5 neutrones) se desintegra formando el boro (511

B) y con la

emisión de un positrón, dicho proceso de desintegración se representa mediante la

ecuación nuclear siguiente:

611

C ---> 511

B + 10e

614

C ---> 714

N + -10e

Una aplicación de las reacciones de bombardeo es la obtención de elementos

químicos muy pesados. Quienes más han contribuido en este campo son los

norteamericanos Glenn Theodore Seaborg (1912- ),

Albert Ghiorso y sus colaboradores y el grupo ruso dirigido por G. N. Flerov. Seaborg

propuso el uso de núcleos muy pesados como partículas de bombardeo para sintetizar

elementos químicos de número atómico mucho más grande que cualquier otro

conocido. Para utilizar este procedimiento se requiere de grandes aceleradores y por este

método se sintetizaron elementos químicos con números atómicos más grandes que el

del uranio (del 93 al 106).

El bombardeo con neutrones es efectivo para sintetizar los siguientes elementos

químicos al uranio, pero el rendimiento decrece rápidamente al aumentar el número

atómico. Por lo que, para sintetizar elementos químicos muy pesados es necesario

bombardear blancos apropiados con iones positivos de alta energía, acelerados a

velocidades muy altas. Es posible conseguir un aumento grande del número atómico,

utilizando como partícula de bombardeo el carbono-12.

Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con neutrones.

16

Uranio-238 ---> Neptunio-239: 92238

U + 01n ---> 92

239U ---> 93

239Np + -1

0

Neptunio-239 ---> Plutonio-239: 93239

Np ---> 94239

Pu + -10e

Plutonio-239 ---> Americio-241: 94239

Pu + 2 01n ---> 94

241Pu ---> 95

241Am

+ -10e

Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con iones positivos.

Plutonio-239 ---> Curio-242: 94239

Pu + 24He ---> 96

242Cm + 0

1n

Curio-242 ---> Californio-245: 96242

Cm + 24He ---> 98

245Cf + 0

1n

Uranio-238 ---> Californio-246: 92238

U + 612

C ---> 98246

Cf + 4 01n

Californio-249 ---> Elemento 104: 98249

Cf + 612

C ---> 104257

Unq + 4 01n

Californio-240 ---> Elemento 105: 98249

Cf + 715

N ---> 105260

Unp + 4 01n

Californio-249 ---> Elemento 106: 98249

Cf + 818

O ---> 106263

Unh + 4 01n

Nota. Los investigadores Estadounidenses propusieron los nombres de

“Rutherfordium” y “Hahnium” para los elementos químicos 104 respectivamente y los

investigadores rusos propusieron “Bohrium” y “Kurchatovium”. La Unión Internacional

de Química Aplicada propuso los nombres de “Unnilquadium”, Unq; “Unnilpentium”,

Unp; y Unnilhexium”, Unh, para los elementos químicos 104, 105 y 106

respectivamente.Los isótopos de los elementos muy pesados tienen un periodo de vida

media muy cortos. La mayor parte de ellos han sido sintetizados en cantidades muy

pequeñas, en algunos casos sólo unos pocos átomos. Uno de los grandes logros de los

investigadores de estos elementos químicos es su habilidad para estudiar sus

propiedades con muestras inferiores a los microgramos. Las evidencias químicas y

físicas de los elementos químicos del 89 (Actino, Ac) al 102 (Nobelio, No) forman una

serie de tierras raras, al ir completando el subnivel 5f. El elemento químico 103 forma

una nueva serie de elementos químicos de transición.

.