EMISIONES NUCLEARES, CARACTERÍSTICAS, MEDICIONES Y PREDICCIONES

 

EMISIONES NUCLEARES, MEDICIÓN Y PREDICCIÓN DEL TIPO DE DESINTEGRACIÓN NUCLEAR.

Recordemos que el átomo es un conjunto de partículas o, definido de otra manera, es la partícula más pequeña de un elemento químico que puede existir conservando las propiedades del mismo. Contiene tres partículas fundamentales: los electrones y los nucleones que están ubicados en el núcleo y son 2 (protones y neutrones). Los átomos de un determinado elemento químico X lo podemos representar en general como: ^A_zX siendo z=número atómico (cantidad de protones) y A=número másico=cantidad de nucleones.

Por otro lado no todos los átomos de un elemento químico son exactamente iguales: pueden tener diferente A (diferente cantidad de neutrones). A los átomos de un mismo elemento químico con diferente A se les llama isótopos o nucleidos.

A su vez, los isótopos de un elemento químico van a diferir en la estabilidad de sus núcleos: algunos son estables y otros son inestables. Los inestables se conocen como radioisótopos (o radioactivos) y a sus núcleos se les denomina radionucleidos: espontáneamente se transformarán en otros núcleos con emisión de partículas y/o radiaciones. Dicha emisión espontánea se denomina radiactividad y tiene múltiples aplicaciones, una de las cuales corresponde a una TEP (tomografía de emisión de positrones) como lo ilustra la imagen que encabeza este artículo extraída de “Química. La Ciencia Central” de Brown, Le May, Bursten. Editorial Pearson Prentice Hall Año 2004 (novena edición).

El cuadro siguiente nos muestra algunas propiedades de las radiaciones que en general se propagan en línea recta y en todas las direcciones, provocan luminiscencia de determinadas sustancias, ionizan el aire (excepto las γ), tienen efectos mecánicos, calóricos o químicos.

Características	Radiación α	Radiación β	Radiación γ
Carga	+2	-1	0
Masa (en gramos)	6,64x10-24	9,11x10-28	0
Poder relativo de penetración	1	100	1000
Poder ionizante	“grande”	Menor que α	No tiene (sin carga)
Naturaleza de la radiación	Núcleos de 42He	Electrones	Fotones de alta energía

Del cuadro anterior se deduce que como blindaje a las radiaciones α alcanza con una hoja de papel y es suficiente trabajar a una distancia de unos 10 cm de la fuente para que al organismo no le llegue ninguna partícula. Las partículas β requieren otras medidas de blindaje que dependen de la energía de las mismas (por ejemplo: se frenan colocando una hoja de aluminio o estando a varios metros de distancia). Por último las emisiones γ no son absorbidas completamente por el material de blindaje empleado y por eso éste último debe ser suficientemente grueso para que el nivel de dosis fuera de él sea aceptable (de ahí el empleo del plomo).

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN Y UNIDADES

La radiación al atravesar la materia produce diferentes efectos como ser: ionización de gases, excitación de luminiscencia en sólidos, ennegrecimiento de placas fotográficas.

Una radiación ionizante al atravesar un gas provoca la ionización de una parte de sus átomos y entonces se liberan iones positivos y electrones convirtiendo a ese gas en conductor eléctrico (se genera un pulso de corriente que puede ser detectado).

Basados en los hechos mencionados existen dispositivos de detección y medida de radiaciones: cámaras de ionización; contadores de centelleo; contadores Geiger-Muller...

El contador Geiger-Muller, mostrado en la figura, “comienza” su historia en 1908 con el físico alemán Hans Geiger (1882-1945) y continúa con Walter Müller (físico alemán, 1905-1979).

En síntesis: consiste en un tubo metálico lleno de gas que tiene una ventana construida con un material (por ejemplo: mica) que permite ser atravesado por radiaciones. En el centro del tubo hay un cable que puede ser conectado a una fuente de corriente directa y el cilindro de metal está conectado a la otra terminal. A través de la fuente de alto voltaje la corriente fluye entre el alambre y el cilindro metálico siempre que haya iones producidos por la radiación que entra. El pulso de corriente así generado se amplifica y el número de pulsos es proporcional a la actividad, siendo la altura de cada pulso proporcional a la energía.

La actividad (la velocidad de desintegración de un núcleo radiactivo) es proporcional al número de partículas que se emiten por unidad de tiempo. Se ha usado la unidad Curio (Ci): definida como la actividad correspondiente a 3,7x10¹⁰ desintegraciones por segundo. Actualmente se usa la unidad Becquerel (Bq): igual a una desintegración por segundo.

La desintegración radiactiva es un proceso espontáneo: cumple con las leyes estadísticas (aleatorias). En consecuencia la cantidad de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo será variable de medida en medida. Una fuente de radiación irradia continuamente y nosotros sólo registramos ciertos tiempos de medida. Por eso, en una actividad experimental repetimos varias veces una misma medida y determinamos el valor medio.

PREDICCIÓN DEL TIPO DE DESINTEGRACIÓN NUCLEAR

Exactamente no puede afirmarse si un núcleo es estable o radiactivo o qué tipo de desintegración sufrirá: depende de varios factores. Sin embargo existen observaciones empíricas que nos permiten realizar predicciones.

La estabilidad de un núcleo está dada por las interacciones nucleares (fuerza de atracción entre los nucleones en la cual participan los neutrones: de alguna manera éstos“moderan” la repulsión entre los protones).

Las observaciones experimentales sugieren que la razón entre neutrones y protones de núcleos (¹₀n/¹₁p) nos permiten predecir el tipo más probable de desintegración radiactiva de cada radioisótopo comparando dicho cociente con los núcleos cercanos que están dentro del llamado cinturón de estabilidad: en donde se ubican los núcleos estables (en la banda coloreada de la gráfica adjunta). La razón de neutrones a protones de los núcleos estables aumenta al aumentar el número atómico. En la mayoría de los casos los núcleos radiactivos están fuera del cinturón de estabilidad. Éste termina en el elemento bismuto (número atómico, z, igual a 83).

Distinguimos algunas situaciones generales que nos permiten predecir cuál es la desintegración más probable. Veámoslas.

1) Núcleos por encima del cinturón de estabilidad (alta relación ¹₀n/¹₁p), ricos en neutrones pueden emitir una partícula β (reduce la cantidad de neutrones y aumenta la de protones).

Ejemplo: Desintegración del ¹⁴₆C.

La cantidad de neutrones y de protones en este caso es 8 (14-6) y 6 respectivamente; la relación ¹₀n/¹₁p es 8/6=1,3. Observamos que esta relación se encuentra por encima del cinturón de estabilidad (para átomos de número atómico pequeño dicha relación es 1 o próxima a ello). Por lo anterior sufrirá preferentemente una desintegración β: ésta aumenta la cantidad de protones y disminuye la cantidad de neutrones. La ecuación es: ¹⁴₆C → ⁰_-1e + ¹⁴₇N y ¹₀n/¹₁p es 7/7=1 en el ¹⁴₇N.

2) Núcleos por debajo del cinturón de estabilidad (pequeñas razones de ¹₀n/¹₁p ): pueden “mejorar” su estabilidad nuclear emitiendo positrones o por captura electrónica (ambas desintegraciones aumentan la cantidad de neutrones y disminuye la de protones); en los núcleos más ligeros es más común la emisión de positrones que la captura electrónica. Esta última se torna más común a medida que aumenta la carga nuclear.

Ejemplo: Desintegración del ¹¹⁸₅₄Xe.

En este caso la relación ¹₀n/¹₁p es (118-54)/54=64/54=1,18. Según el cinturón de estabilidad esta relación está por debajo. Entonces para alcanzar la estabilidad dicho núcleo debería reducir la cantidad de protones y aumentar la de neutrones lo cual es posible mediante emisión de positrones o captura electrónica, por lo que es posible que se den esas reacciones nucleares.

Las ecuaciones respectivas son: ¹¹⁸₅₄Xe →⁰₁e + ¹¹⁸₅₃I para la emisión de positrones y para la captura electrónica ¹¹⁸₅₄Xe + ⁰_-1e → ¹¹⁸₅₃I. Ahora la relación ¹₀n/¹₁p pasó a ser:

(118-53)/53=65/53=1,22 (aumentó acercándose a la estabilidad)

3) Todos los núcleos con número atómico ≥ 84 son radiactivos y tienden a emitir partículas α en la cual se reduce el número de neutrones y de protones.

Ejemplo: Desintegración del ²³⁹₉₄Pu.

Como z es ≥ 84, la desintegración más probable es la α.

En este caso la ecuación es: ²³⁹₉₄Pu → ⁴₂α + ²³⁵₉₂U

Notas

Observaciones empíricas sugieren que:

a) los núcleos que contienes números mágicos de ¹₁p o de ¹₀n generalmente son más estables (números mágicos: 2,8,20,28,50,82 para los ¹₁p o 2,8,20,50,82,126 para los ¹₀n). 

b) los núcleos con números pares de ¹₁p y ¹₀n son más estables que los que tienen números impares de nucleones.