Libro: Núcleo Atómico y Radiactividad PDF

Libro: Núcleo Atómico y Radiactividad Sitio: Campus Virtual FFyB - UBA Imprimido por: Julieta Lucia Gomez Curso: Física 2024 1° cuatrimestre Día: domingo, 6 de octubre de 2024, 18:38...

Libro: Núcleo Atómico y Radiactividad Sitio: Campus Virtual FFyB - UBA Imprimido por: Julieta Lucia Gomez Curso: Física 2024 1° cuatrimestre Día: domingo, 6 de octubre de 2024, 18:38 Libro: Libro: Núcleo Atómico y Radiactividad Descripción Para descargar el Libro en PDF, acceder al ícono Tabla de contenidos 1. Núcleo Atómico y Radiactividad 2. El Núcleo atómico 3. Estabilidad Nuclear y Energía de Unión 4. Nucleidos, número atómico y número másico 4.1. Tabla de Nucleídos 5. Radiactividad 6. Formas de Radiación 6.1. Desintegración Alfa 6.2. Desintegración Beta 6.3. Transición Isomérica 7. Decaimiento Radiactivo 8. Interacción de la Radiación con la Materia 9. Aplicaciones y usos de los radioisótopos e isótopos estables 10. Resumen y Repaso 11. Bibliografía Complementaria :  1. Núcleo Atómico y Radiactividad Ya analizamos cómo está constituida la materia a la luz de la Teoría Estándar. En este marco, quarks y leptones son las partículas fundamentales que conforman los átomos. A su vez, vimos que distintas combinaciones de quarks forman nucleones, que pueden estar al estado protón o neutrón. Finalmente, discutimos cuáles son las fuerzas que participan en la interacción de las partículas de materia y cuáles son los bosones involucrados. Hasta el momento centralizamos nuestro estudio en átomos estables, cuya composición nuclear se mantiene inalterada a lo largo del tiempo. En este Taller veremos que ciertas especies atómicas sufren alteraciones en su núcleo. Discutiremos en detalle por qué algunos núcleos desintegran y analizaremos los distintos mecanismos de desintegración nuclear. A su vez, analizaremos las características de las partículas que se emiten en dichos procesos de desintegración y los mecanismos a través de los cuales interactúan con la materia. ¡Empecemos! 2. El Núcleo atómico La siguiente imagen muestra un detalle de la composición de un núcleo atómico. Imagen tomada de Wikipedia Como ya sabemos, el átomo está formado por un núcleo cargado positivamente y por electrones con carga negativa a su alrededor. El núcleo ocupa la parte central del átomo y tiene más del 99% de su masa. El hecho de que los electrones no colapsen y caigan hacia el núcleo lo vimos en el bloque de Teorías de la Física. El núcleo atómico está compuesto por un número determinado de nucleones que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, mediante el intercambio de mesones π o piones. Algunos de estos nucleones se encuentran al estado de protón y otros al estado de neutrón, cuyo estado se intercambia constantemente. El balance entre la cohesión dada por la fuerza nuclear fuerte y la repulsión coulombiana dada por la fuerza electromagnética (dado que los protones tienen todos carga positiva) que se da entre los nucleones del núcleo es lo que determina la energía de unión de cada nucleón y, por lo tanto, la estabilidad nuclear. Vamos a ver que esta energía de unión es fundamental para los fenómenos que vamos a estudiar en este bloque. :  3. Estabilidad Nuclear y Energía de Unión La magnitud que refleja o indica la estabilidad nuclear es la energía de unión. Si bien las energías involucradas en la composición del núcleo atómico son mucho mayores que las involucradas en los procesos estudiados por la química, podríamos decir que el concepto no difiere sustancialmente del llamado calor de formación, por lo que este tema podría denominarse también termodinámica nuclear. Si suponemos que un neutrón se acerca a un protón para formar un núcleo de deuterio (deuterón, conformado por un único neutrón y un único protón), parecería razonable que la masa del así formado deuterón (md) sea igual a la suma de las masas del neutrón (mn) y del protón (mp). Recordemos que la unidad de masa atómica (u.m.a.) se define como la 1/12 parte de la masa de un átomo de 12C, siendo la masa de un protón 1,00728 u.m.a, la de un electrón = 0,000549 u.m.a y las de un neutrón = 1,00867 u.m.a. Sin embargo, en la realidad, la masa del deuterón formado es menor que la suma de la masa de ambos nucleones constituyentes. Es decir, la masa del núcleo es menor que la suma de las masas que tienen los nucleones cuando están separados. A esta diferencia se le denomina defecto de masa, ∆m. Este defecto de masa, tiene su origen en la energía liberada por la unión estable de ambos nucleones. Se corresponde precisamente con la energía que mantiene unidos a las dos partículas en el núcleo formado, cuya equivalencia (entre el defecto de masa y la energía de unión) puede conocerse a través de la ecuación de Einstein, E = mc2 , y se simboliza como B. De modo análogo, como en todo proceso reversible, la energía liberada en la formación del núcleo es de igual magnitud (aunque de signo contrario) que aquella que hay que entregar para separar a los nucleones constituyentes. Esta energía será igual a: La constante 931,5 MeV/uma es la que brinda la equivalencia entre energía (expresada en megaelectrón volt) y masa (expresada en unidades de masa atómica uma). :  Si md < (mn + mp), indica que el valor de B tendrá signo negativo. En la convención de signos habitual, este hecho indica precisamente que el núcleo de deuterio se puede formar desde el punto de vista termodinámico. Un signo positivo del valor de B calculado con esta expresión, indicaría que el núcleo en cuestión no se puede formar por razones termodinámicas. Sin embargo, resulta más cómodo trabajar con números positivos, por lo que es habitual expresar B como sigue: En este caso B tendrá un valor positivo, cuyo valor absoluto es igual al calculado con la ecuación anterior. Su significado físico es: la energía que se debe aportar al núcleo de deuterio para separar sus nucleones constituyentes (lo que, como ya dijimos, equivale a la energía liberada si el núcleo se formara por la aproximación de los diferentes nucleones que lo conforman). Es evidente que, cuanto mayor es esa energía, mayor será la estabilidad del núcleo. Si el valor de B así calculado tiene signo positivo, el núcleo podrá formarse; si tiene signo negativo, el núcleo en cuestión no puede formarse termodinámicamente. El valor de B así calculado, sólo permite comparar la estabilidad de nucleídos isóbaros (es decir, que contienen el mismo número másico A, el mismo número de nucleones). Cuando es necesario comparar la estabilidad entre cualquier tipo de nucleídos se debe utilizar la energía de unión por nucleón (B/A): Siendo Z la cantidad de protones, N la cantidad de neutrones y A la cantidad de nucleones que componen el núcleo y mh la masa del núcleo ya formado. El significado físico de B/A es el de la energía que se debe aportar para arrancar un nucleón del núcleo en estudio. Nuevamente, cuanto mayor es su valor mayor será la estabilidad de todo el núcleo. Los valores de B/A nos permiten comparar la estabilidad entre distintos núcleos. Valor de B/A en función del número de nucleones (A). :  Analizando la imagen de arriba podemos notar que, independientemente de los picos que aparecen en la primera parte del gráfico, el valor de B/A es bastante constante y relativamente independiente de A para valores de A mayores a 20. En ambos extremos, para valores bajos y muy altos de A, B/A disminuye sensiblemente. Vale decir que los núcleos más estables con aquellos con un valor intermedio (ni muy bajo ni muy alto) de nucleones. Esto explica que núcleos livianos pueden unirse formando uno más pesado con liberación de energía (estabilizándose), lo que ocurre en el proceso de fusión nuclear y también explica que un núcleo muy pesado puede dividirse en aproximadamente dos mitades con liberación de energía (estabilizándose), fenómeno denominado fisión nuclear. De todas formas, resulta evidente que el valor de B/A no depende esencialmente de A. Como dato podemos aportar que la energía liberada en los procesos de fisión nuclear es la que alimenta la energía producida en las centrales termonucleares (de modo controlado) o las bombas atómicas (de modo no controlado), y que la energía liberada en los procesos de fusión nuclear, si bien se encuentra en la base de ciertas armas (bomba H), hasta el momento no pudo ser controlada como para su aprovechamiento pacífico. El día que existan reactores de fusión nuclear cambiará para siempre la matriz energética de nuestra civilización. En base a todo lo dicho, podemos agregar que: No todas las combinaciones de protones y neutrones conducen a un nucleído estable. Los núcleos inestables cambian emitiendo partículas y/o fotones para transformarse en núcleos más estables. Esta transformación es la que conocemos como decaimiento radiactivo o como proceso de transformación nuclear radiactiva Estos conceptos son los que van a guiar los contenidos del resto del bloque. 4. Nucleidos, número atómico y número másico Llamaremos nucleido a una especie atómica que se caracteriza por la composición de su núcleo. Vale decir que átomos de un mismo elemento (mismo Z) pueden poseer distinto A (por tener distinto N) y por lo tanto ser distintos nucleídos. A los nucleidos se los representa con el símbolo químico del elemento correspondiente (X), y arriba a la izquierda el número de nucleones (A). El símbolo químico define el número de nucleones al estado de protón (Z) y por lo tanto, queda automáticamente definido el número de neutrones (N). Así, el Número Atómico (Z) y el Número Másico (A) definen a un átomo en particular de un elemento. Existen 118 elementos conocidos, con Z desde 1 hasta 118, pero hay más de 1.300 variedades de núcleos. Cada elemento (definido por el Z) puede tener distintos A (al variar el N). En la tabla periódica de los elementos, cada elemento se encuentra ubicado en una única casilla de acuerdo a su número atómico Z, aunque otras propiedades nucleares sean diferentes. A partir de ahora, para definir el núcleo ya no alcanza definir la especie química con su nombre o su Z y por ende, se requiere un ordenamiento diferente al que brinda la tabla periódica. Este nuevo y mas completo ordenamiento es lo que se conoce como Tabla de Nucleidos: :  Si la tabla periódica tiene los distintos elementos ordenados por su Z, la tabla de nucleídos es una tabla de doble entrada en la que se ubican de acuerdo a su Z y su N. Es así que en cada fila horizontal encontraremos las distintas especies (distinto N) de un mismo elemento (igual Z), mientras que en cada columna vertical encontraremos especies que difieren en su Z pero comparten el valor de N. Para acceder y explorar esta Tabla de nucleídos pueden ingresar al siguiente link: https://www- nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html 4.1. Tabla de Nucleídos Como dijimos anteriormente, la tabla de nucleidos es una representación gráfica de todos los nucleidos conocidos, ya sean naturales o artificiales, estables o radiactivos. Tabla de nucleidos. Para acceder y explorar esta Tabla ingresar al siguiente link: https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html Estas tablas se representan como un gráfico Z = fn (N). Así, cada par de valores Z-N representa unívocamente un nucleído. :  En cada casillero de los pares Z-N que representan a un nucleído se encuentra información sobre este. Algunos autores identifican las propiedades representadas con diferentes colores. Por ejemplo, en la tabla presentada anteriormente, la identificación es como sigue: - el color negro representa los nucleidos estables - el color mostaza indica desintegración alfa - el color verde indica desintegración ß positiva o captura electrónica - el color celeste indica desintegración ß negativa - el color rosa indica fisión espontánea International Atomic Energy Services. Nuclear Data Services. Live chart of Nuclides. Sin embargo, en la representación gráfica de Karlsruhe la identificación de colores cambia. No es necesario memorizar estos datos, son simplemente referencias que permiten entender mejor esta información ordenada y presentada a modo de tabla. Es notorio que existe algo que podríamos llamar línea de estabilidad (indicada en negro) que se corresponde bastante bien con la diagonal ascendente de la representación Z=fn(N). Esta disposición específica de los nucleídos estables indica que existe cierta proporcionalidad entre el Z y el N que otorga estabilidad al núcleo cuando ambos valores son mas o menos parecidos. Cualquier desviación en un sentido (mayor Z) o en otro (mayor N) implica una pérdida de la estabilidad de dicha composición nuclear. También puede observarse que dicha línea de estabilidad se va desviando hacia la horizontalidad para valores altos de Z, lo que indica que a partir de cierto número de protones, la estabilidad se alcanza con un valor relativamente mayor de neutrones. Asimsimo, a partir de cierto valor de Z ya no existen casillas negras, por lo que a partir de cierto tamaño nuclear es imposible alcanzar la estabilidad si importar la combinación de protones y neutrones. Por su parte, a los nucleídos se los puede clasificar en isótopos, isóbaros, isómeros, isótonos o isodiáforos. Isótopos (del griego “mismo lugar”...) Son los nucleidos que poseen igual número atómico (número de protones en el núcleo), pero diferente número másico (suma del número de neutrones y de protones en el núcleo). :  Los distintos isótopos de un elemento difieren, pues, en el número de neutrones y son un mismo elemento químico, es decir, se encuentran todos en el mismo casillero de la tabla periódica. Ejemplos de isótopos: Si la relación entre el número de protones y neutrones en un isótopo no es la apropiada para obtener la estabilidad nuclear, el isótopo es radiactivo y se lo denomina radioisótopo. Estos pueden ser naturales y/o artificiales, y emiten energía y/o partículas para alcanzar la forma más estable. Ejemplo de radioisótopos son los del uranio. Otro caso es el 14C del ejemplo anterior.. Isóbaros (del griego “igual de pesados”...) Cuando dos nucleídos distintos poseen diferente número de protones, es decir, distinto número atómico pero idéntico número másico, se los denominan isóbaros. Ejemplo de isóbaros son el 40Ca y el 40K. Es importante notar que en caso de los isóbaros, cambia la especie química ya que cambia la cantidad de protones que componen el núcleo. La cantidad de protones Z por la cual uno excede al otro coincide con la de neutrones N deficitarios, de modo que la suma de nucleones A es la misma. Isómeros Existen casos en donde la única diferencia entre dos nucleídos está en su nivel energético. Entonces, si dos nucleidos poseen el mismo número atómico y el mismo número másico pero difieren en su nivel energético, se denominan isómeros. Por supuesto, al tener igual Z e igual N, comparten el mismo casillero en la tabla de nucleídos. Cuando el tiempo de vida media del nivel energético del estado excitado es del orden de 10-9 segundos o más, se utiliza el término meta-estable y se lo identifica con la letra m. Un ejemplo isómeros está representado por el 99Tc. El isómero metaestable emite su exceso de energía transformándose en el isómero 99 con una vida media de 6 horas, es decir que cada 6 horas el número de núcleos que emiten se reduce a la mitad. :  Isótonos Cuando dos nucleídos distintos poseen el mismo número de neutrones pero sus números atómicos y números másicos son distintos se los denominan isótonos. Un ejemplo de isótonos es el del 12B y el 13C, ambos con 7 neutrones. En cuanto a la nomenclatura, notar que “isótoPos” eran aquellos nucleidos con igual cantidad de Protones, mientras que los “isótoNos” son quienes poseen la misma cantidad de Neutrones en el núcleo y los "isóbAros" quienes tienen el mismo número másico A. Isodiáforos Son nucleidos con igual número isotópico (I), siendo este la diferencia que hay entre neutrones y protones: I = N - P. No profundizaremos en esta clasificación. En el siguiente cuadro se muestra un resumen de la clasificación recién expuesta: Por lo tanto, si prestamos atención a la tabla de nucleidos veremos que: Los isótopos (igual Z) se encuentran ubicados horizontalmente uno al lado del otro. Los isótonos (igual N) se encuentran ubicados verticalmente uno sobre el otro. Los isóbaros (igual A) se encuentran ubicados sobre una diagonal de pendiente negativa. :  Tabla de nucleidos. Representación gráfica de Karlsruhe. 5. Radiactividad La radiactividad es un fenómeno físico eminentemente nuclear. En el interior del núcleo, el balance entre la cohesión dada por la fuerza nuclear fuerte y la repulsión coulombiana dada por la fuerza electromagnética entre nucleones al estado de protón, es lo que determina la energía de unión de cada nucleón y, por lo tanto, la estabilidad nuclear. Los núcleos inestables son radiactivos, vale decir que emiten espontáneamente partículas y/o fotones alcanzando así un estado más estable. Esas partículas y fotones constituyen la radiactividad. Los núcleos de los elementos químicos que, por alguna razón, presentan cierta inestabilidad, emiten radiaciones de distinta naturaleza que interactúan con la materia ionizando el medio interpuesto en forma directa o indirecta. Es por ello que estas radiaciones se denominan radiaciones ionizantes. Si bien, la radiactividad es un fenómeno que se origina eminentemente en el núcleo de los átomos, en algunos casos se hallan involucrados electrones orbitales. En la tabla de nucleídos se relaciona al número de protones (Z) con el número de neutrones (N) y se observa que, en general, son radiactivas las sustancias que presentan un balance inadecuado entre protones y neutrones. Cuando el número de neutrones es excesivo o demasiado pequeño en relación al número de protones, se hace más difícil que la fuerza fuerte residual, descripta por la cromodinámica cuántica y debida al intercambio de quarks, en especial de piones, pueda mantener unidos a los nucleones. Este desequilibrio induce la corrección del exceso de neutrones y/o protones liberando la energía en forma de partículas, dando lugar a radiación alfa o beta. Así, un núcleo pasa de un estado excitado de mayor energía a otro de menor energía, el que eventualmente puede todavía seguir siendo inestable y dar lugar a la emisión de más radiación alfa o beta, además de radiación gamma (emisión de fotones). La radiactividad puede ser natural o artificial. La primera es originada por los radioisótopos que se encuentran originalmente en la naturaleza, tales como el uranio, el torio, el polonio o el radio. Por su parte, la radiactividad artificial, también conocida como inducida, es originada por los radioisótopos producidos en transformaciones nucleares artificiales. Estas transformaciones se producen cuando se bombardean núcleos estables con partículas de una energía tal que puedan penetrar el núcleo y formar uno nuevo que, en caso de resultar inestable, se desintegra radiactivamente. La radioactividad natural fue descubierta en 1896 por el científico francés Henri Becquerel cuando trabajaba con sales de uranio. Además de Becquerel, fueron los estudios de Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie y Marie Curie, entre otros, los que realizaron avances significativos en la comprensión de este complejo fenómeno. Estos primeros investigadores en el tema descubrieron que otros elementos químicos, además del uranio, tienen isótopos radiactivos. En este camino, Pierre y Marie Curie lograron aislar dos nuevos elementos: el polonio y el radio. :  En 1903, se otorgó el Premio Nobel en Física dividido. Una mitad fue otorgada a Antoine Henri Becquerel "en reconocimiento por el extraordinario servicio que ha realizado con su descubrimiento de la radiactivdad espontánea". La otra mitad fue entregada en forma conjunta a Pierre Curie y Marie Curie, née Sklodowska, "en reconocimiento por el extraordinario servicio que han realizado con sus investigaciones conjuntas sobre los fenómenos de la radiación descubiertos por el Profesor Henri Becquerel." Imagen tomada de https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1903/summary/ Luego, en 1911, Marie Curie, recibe un segundo Premio Nobel, esta vez en Química "en reconocimiento por sus servicios al avance de la química mediante el descubrimiento de los elementos radio y polonio, por el aislamiento del radio y el estudio de la naturaleza y compuestos de este destacado elemento". Se trata, hasta el momento, del único investigador que recibió dos premios Nobel en disiciplinas diferentes. Hoy se destacan y valoran los usos pacíficos de la energía nuclear, que son además, el origen de la medicina nuclear moderna. 6. Formas de Radiación De acuerdo a todo lo discutido hsta acá, podemos clasificar a los distintos isótopos, de acuerdo con su estabilidad nuclear, como estables o radiactivos. Así, la radiactividad es, como mencionamos anteriormente, la emisión de energía por la transformación de núcleos de átomos inestables. Se origina eminentemente en el núcleo de los átomos, si bien en algunos casos se hallan involucrados electrones orbitales. Ernest Rutherford en 1899 estudió el poder de penetración de las radiaciones provenientes de las sales de uranio; así se dio cuenta de que la penetraciónde la radiación disminuía rápidamente conforme aumentaba el espesor que la frenaba, pero que por encima de un determinado espesor esta reducción de la penetración, aunque continuaba, era muy pequeña. A partir de estos resultados, dedujo que el uranio emitía distintos tipos de radiaciones, unas que se frenaban relativamente rápido, y otras que no se frenaban ni aún interponiendo un material con un gran espesor. Comprobó la naturaleza múltiple de la radiación emitida haciéndola atravesar un campo eléctrico: observó que parte de la misma desviaba su trayectoria hacia el polo negativo, otra parte se desviaba hacia el polo positivo, mientras que otra fracción no modificaba su trayectoria. En función de este resultado definió que podría haber tres tipos de productos de las desintegraciones ocurriendo en :  simultáneo: alfa, beta y gamma. Hoy sabemos en que consiste cada uno de estos tipos de radiaciones y cuáles son las partículas emitidas. En el siguiente video veremos una sección de clase expositiva en la que se explican los tres tipos de desintegraciones que sufren los nucleos inestables, luego en los próximos subcapítulos se retoma cada tipo de desintegración y se muestran los esquemas y ecuaciones que describen a los correspondientes mecanismos.. Desintegraciones 6.1. Desintegración Alfa. Este tipo de radiación se da en aquellos nucleidos que poseen un exceso general de nucleones que le provoca inestabilidad,y por lo tanto, para alcanzar la estabilidad, emiten partículas formadas por cuatro nucleones, dos protones y dos neutrones. Por su composición, estas partículas emitidas son análogas a núcleos de helio (cuya carga es 2+) y que se desvían al atravesar campos eléctricos y magnéticos (ya entenderemos por qué!). Debido a su gran tamaño y carga, interactúan mucho con la materia que van atravezando, por lo que son muy poco penetrantes (es decir que tienen un recorrido corto) aunque sí muy energéticas e ionizantes (en su recorrido ionizan a la materia a atraviesan). :  En este tipo de desintegración, el elemento emisor disminuye su Número Másico en cuatro unidades y su Número Atómico en dos unidades. Este tipo de radiación la emiten elementos pesados situados al final de la tabla de nucleídos (A>100). La ecuación que representa esta reacción, y el cambio de energía de cada nucleído, se pueden simbolizar de la siguiente manera, donde X corersponde al símbolo del elemento radiactivo alfa emisor (madre), mientras que Y corresponde al símbolo del elemento del nucleído resultante de la transformación (hija): Notar entonces en la ecuación de la izquierda, que la hija posee alterados sus A y Z, y que como producto de la desintegración aparecen a la derecha la partícula alfa y energía que liberó el núcleido madre en el proceso. En el esquema de la derecha, la hija aparece un nivel por debajo de la madre (menos energía) y a la izquierda (Z menor). La flecha diagonal descendente representa el proceso de transformación de X en Y. El Qα representa la energía liberada en el proceso de desintegración y corresponde a la diferencia energética entre la hija y la madre. Esta energía se distribuye entre la energía cinética (Ec) de la partícula α y la Ec del núcleo hija que adquiere velocidad de retroceso. Por el principio de acción y reacción, y conservando el momento, el liberar una partícula relativamente masiva (A=4) provoca en el núcleo un movimiento de retroceso análogamente a lo que ocurre con un arma cuando dispara una munición. La energía típica involucrada en una desintegración de este tipo rondará los 4-9 MeV. Un ejemplo de desintegración α es la que ocurre cuando el 208Po decae a 204Pb. El proceso de desintegración alfa es monoenergético. Esto quiere decir que, como la energía involucrada en la desintegración de un nucleído dado (por ej. 208Po a 204Pb) es siempre la misma, todas las partículas α producto de dicha desintegración tendrán todas la misma energía cinética característica de ese proceso. Eso quiere decir que si eventualmente se detectaran partículas con distintas energías estas habrán sido emitidas necesariamente por distintas madres, y analizando la energía que poseen las partículas α detectadas uno puede saber de qué proceso de desintegración provienen, es decir qué madre las emitió. Citando el ejemplo anterior, siempre que 208Po decaiga por desintegración alfa a 204Pb, lo hará liberando la misma cantidad de energía. 6.2. Desintegración Beta. Se denomina desintegración beta al proceso mediante el cual un nucleido inestable emite una partícula beta. Esta desintegración se debe a la interacción nuclear débil. Las partículas beta pueden ser o bien partículas de masa y carga iguales a las del electrón (desintegración beta negativa, β-) ó bien positrones (antielectrones), cuya masa es igual a la del electrón pero de carga opuesta (desintegración beta positiva, β+), resultantes de la transformación de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Las radiaciones beta, tienen menor capacidad para interaccionar con la materia que las alfa (son mas livianas y con menos carga), y es así que penetran más en ella aunque su poder de ionización no es tan elevado. Al igual que las partículas alfa, son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. :  A diferencia del proceso de decaimiento alfa que ocurre cuando un núcleo tiene un franco exceso de nucleones y su estabilización depende de disminuir su número, en este caso los núcleos poseen un desbalance relativo de protones neutrones y se tiende a la estabilidad variando su proporción. En el caso de la beta negativa aumentando el número de protones a expensas de dismiuir la cantidad de neutrones, y en el caso de la beta positiva y la captura electrónica incrementando el número de neutrones reduciendo el de protones. En todos los casos, el número total de nucleones (A) permanece invariante. Para este tipo de desintegración hay tres mecanismos posibles:. Desintegración beta negativa (β-) Es una emisión de partículas nucleares de masa igual a la del electrón y de una velocidad comparable con la de la luz. Estas partículas se generan a partir de la transformación espontánea de un neutrón en un protón. Como resultado se origina la emisión de una partícula β- y un antineutrino (ῡ). Estos últimos son las antipartículas correspondientes al neutrino, poseen una masa diez mil veces menor que el electrón y tienen de spin 1/2. Emisión de partícula beta negativa. El que discutamos la existencia de este tipo de emisión no implica la existencia de electrones en el núcleo. De hecho, si existiese un electrón en el núcleo, su energía de unión debido a su carga sería altísima (del orden de los 6 o 6 MeV) y de ninguna manera podría ser liberado. A la luz de la teoría estándar, el proceso de emisión de una partícula β- se explica del siguiente modo. La transformación de un neutrón en un protón se debe al cambio de sabor de un quark down en un quark up mediante la liberación de un boson W-. Este bosón tiene una vida muy corta y rápidamente decae dando lugar a un electrón y un antineutrino, los cuales detectamos como emisiones provinientes del núcleo. El elemento emisor aumentará su número atómico (Z) en una unidad pero su número másico (A) quedará igual, ya que la cantidad de neutrones disminuye en una unidad, vale decir que este tipo de desintegración ocurre entre isóbaros. Veamos la ecuación y el esquema de energía que representa a este tipo de desintegración: La energía liberada en la desintegración (Qβ-) es igual a la diferencia de masas entre el núcleo madre (X) y el núcleo hija (Y). A diferencia de la desintegración alfa, en este caso la energía producto del proceso se distribuye entre la Ec de la partícula β- y la Ec del antineutrino. Para una desintegración dada, la distribución de la energía entre ambas partículas no es simepre igual, si no que sigue una distribución aleatoria con una energía de máxima probabilidad. Por ejemplo, la energía de la desintegración del 32P en 32S es de 1,71 MeV, sin embargo muy muy pocas partículas β- adquirirán dicha energía cinética. La mayoría tendrá una energía :  promedio de 0,7 MeV, característica de dicha transición, dejando el resto de la energía (unos 1,01 MeV) como energía cinética del antineutrino. Es interesante mencionar que el observar que no todas las partículas β- provenientes de una desintegración poseían la misma energía (a diferencia de lo que ocurría con las alfa) llevó a Wolfgang Pauli a postular en 1930 la existencia de alguna otra partícula que llevara consigo el resto de la energía proveniente del decaimiento. Como la partícula predicha no poseía carga y tenía una masa prácticamente despreciable resultó muy difícil de detectar y recién en 1956 se documentó su hallazgo experimental. Esta transición se puede representar esquemáticamente como: Como mencionamos, en este proceso intervienen los bosones W-. El neutrón (formado por 2 quarks down y un quark up, además de gluones) se convierte en protón porque uno de los quarks down cambia a up. En este cambio de sabor, el quark down se convierte en el quark up y en un bosón W negativo (para conservar la carga eléctrica del sistema). Es el bosón W- el que casi instantáneamente después decae en los dos leptones (el electrón y el antineutrino). Un ejemplo de este tipo de desintegración es el caso del 210Bi. Desintegración beta positiva (β+) Es una emisión de positrones (e+), considerados la antipartícula del electrón dado que tienen su misma masa pero carga de signo opuesto. Esta desintegración se caracteriza por la conversión de un protón en un neutrón con la emisión de un neutrino. Emisión de partícula beta positiva. El elemento emisor disminuirá su número atómico (Z) en una unidad pero su número másico (A) quedará igual. La ecuación y el esquema de energía que representa a este tipo de desintegración son los siguientes: Para que esta desintegración ocurra el positrón debe ser materializado a partir de energía. Esta materialización posee un umbral energético (debajo del cual es imposible que ocurra) correspondiente a dos veces la masa en reposo del positrón. Por lo tanto, para que este tipo de desintegración ocurra, la energía liberada en la desintegración (Qβ+) debe ser mayor o igual a 1,02 MeV, que es la :  energía necesaria para materializar el positrón (β+). Análogamente a la desintegración β-, la Qβ+ es igual a la suma de la energía cinética de la partícula β+, la del del neutrino, mas el agregado de 1,02 Mev. Las partículas β- y β+ (con sus correspondientes contrapartes antineutrino y neutrino) exhiben un espectro continuo de energías. Por supuesto, en este caso también los nucleídos madre e hija son isóbaros. Se trata de un proceso de transmutación nuclear de modo que en el núcleo un protón se transforma en un neutrón. Esquemáticamente se puede representar como: En este proceso intervienen los bosones W+. El protón (formado por 2 quarks up y un quark down, además de gluones) se convierte en neutrón porque uno de los quarks up cambia a down. En este cambio de sabor, un quark up se convierte en el quark down y en un bosón W+. Es el bosón W+ el que, casi instantáneamente, decae en los dos leptones. Un ejemplo de este tipo de desintegración es el caso del 18F. Captura electrónica Al igual que en el caso de la desintegración β+, la captura electrónica (CE) es un proceso de desintegración que ocurre en un átomo cuando el núcleo posee exceso de protones. En este caso el núcleo captura un electrón de los orbitales próximos a él (normalmente de la capa K, la más interior, correspondiente al orbital 1s). A consecuencia de esto, un protón se transforma en un neutrón y se emite un neutrino dando lugar a una transmutación. Captura de un electrón de la capa K. Se trata de un proceso alternativo a la desintegración beta positiva. Puede ser incluso el único posible cuando la energía disponible para la emisión radiactiva es inferior a los 1,02 MeV requeridos para materializar el positrón. Cuando Q es ≥ 1,02 MeV, la CE y la desintegración β+ pueden ocurrir alternativamente, vale decir, alguno núcleos de una muestra desintegrarán por un mecanismo :  mientras que otros por el otro. En una muestra de estas características, ambos mecanismos competirán con cierta probabilidad de acurrencia cada uno. En este caso, la ecuación que representa a este mecanismo y el esquema energético asociados, son los siguientes: Un ejemplo lo constituye el 81Rb. La vacante electrónica generada por la captura del electrón puede ser ocupada por algún electrón más externo de un nivel de energía superior. Esta reacomodación de electrones resulta en la liberación de energía por la emisión de fotones. Estos fotones provenientes del reacomodamiento electrónico en los sucesivos orbitales se conocen como rayos X. Reacomodación de electrones resultante en emisión de rayos X. El exceso de energía también puede ser transferida directamente a otro electrón, que será emitido del átomo. A este electrón emitido se lo denomina electrón Auger (pronúnciese oyé). Se conoce como emisión electrónica Auger al fenómeno físico en el cual la desaparición de un electrón de un nivel interno de un átomo causa la emisión de un segundo electrón. La energía del electrón Auger corresponde a la diferencia entre la energía de la transición electrónica primaria y la energía de ionización para la capa de la cual el electrón Auger fue emitido. Electrón de Auger. La figura de arriba muestra una transición Auger KLL. A la izquierda (a) el primer electrón fue quitado de la capa K dejando una vacante en el orbital (círculo vacío). A la derecha (b), se muestra que un electrón de la capa L disminuye su energía y ocupa la :  vacante transfiriendo el exceso de energía a un segundo electrón L, el cual es emitido del átomo. Este último es conocido como electrón Auger y puede ser detectado, junto con los rayos x, luego de los diversos reacomodamientos de electrones en los orbitales. Resumeniendo, podemos decir que este proceso ocurre en átomos multielectrónicos, en los cuales los electrones residen en orbitales correspondientes a los niveles cuánticos principales. Los estados de menor energía, correspondientes a los electrones enlazados más fuertemente al núcleo son los del nivel n=1, conocido como capa K, el estado más bajo de energía de un átomo. El siguiente nivel, n=2, es conocido como capa L y así sucesivamente, por lo que un átomo de un elemento relativamente pesado tiene numerosas capas llenas de electrones. Si un electrón interno, por ejemplo el de una capa K, es capturado, el átomo resultante, parcialmente ionizado, se encuentra en un estado excitado. En este proceso se da lugar a una vacante en una capa muy profunda, por lo que los electrones de otras capas superiores pueden liberar energía cuando realizan las transiciones necesarias para ocupar dicha vacante. 6.3. Transición Isomérica.Cuando un nucleído cambia su energía sin variar su composición nuclear, es decir se transforma en un isómero, la desintegración se conoce como transición isomérica. Existen fundamentalmente 2 mecanismos caracterizados como transiciones isoméricas: radiación gamma y conversión interna.. Radiación gamma Este tipo de radiación consiste en la emisión de fotones (radiación electromagnética) muy energéticos (de longitud de onda asociada corta) y con un gran poder de penetración en la materia. En este tipo de desintegración el núcleo no pierde su identidad sino que se desprende de la energía en exceso y pasa a otro estado de menor energía emitiendo fotones llamados rayos gamma. El elemento emisor no varía su Número Másico ni su Número Atómico pero pierde una determinada cantidad de energía. Veamos la ecuación que representa a este mecanismo y el esquema de energía asociado: El asterisco sobre el nucleído X (*) indica que estamos en presencia de un estado excitado de ese nucleído. El Qγ es igual a la energía del fotón emitido (E = hν). La radiación gamma es el tipo más penetrante de radiación por ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta. Para atenuarla se necesita un elemento muy masivo y de grandes espesores, capas muy gruesas de plomo u hormigón. Un ejemplo es el 60Ni*.. Conversión interna :  Este fenómeno ocurre cuando un núcleo inestable libera la energía en exceso y la cede directamente a un electrón próximo, expulsándolo de su orbital. Este electrón, denominado electrón de conversión, deja una vacante en el orbital del cual fue desplazado. Esta vacante genera una reacomodación orbital (similar a la vista para CE) donde otro electrón proveniente de orbitales más externos ocupa esa vacante, con la consecuente liberación de fotones (rayos X) o de electrones Auger. El QCI es igual a la energía cinética del electrón de conversión más la energía de unión a la órbita de donde fue arrancado. Reacomodación electrónica luego de la emisión del electrón de conversión. Al igual que en el caso ya visto de CE, este proceso ocurre en átomos multielectrónicos. Los electrones residen en orbitales correspondientes a los niveles cuánticos principales. Los estados de menor energía, correspondientes a los electrones enlazados más fuertemente al núcleo son los del nivel n=1, conocido como capa K, el estado más bajo de energía de un átomo. El siguiente nivel, n=2, es conocido como capa L y así sucesivamente. Un átomo de un elemento relativamente pesado tiene numerosas capas llenas de electrones. Si un electrón interno, por ejemplo el de una capa K, absorbe energía y es arrancado de su orbital, el átomo resultante, parcialmente ionizado, se encuentra en un estado excitado. Además, existe una vacante en una capa muy profunda, por lo tanto, los electrones de otras capas superiores pueden liberar energía cuando realizan las transiciones necesarias para ocupar la vacante. 7. Decaimiento Radiactivo El decaimiento radiactivo es un proceso espontáneo en el cual la cantidad inicial de átomos del elemento radiactivo disminuye con el tiempo (ya que se transforman por desintegración). El resultado del decaimiento radiactivo es la emisión de radiación, la aparición de un nuevo núcleo, y la liberación de la correspondiente energía de decaimiento. La velocidad de este tipo de procesos es característica para cada nucleído de cada elemento. La disminución del número inicial de átomos radiactivos sigue una cinética exponencial. Esto es así ya que el número de átomos que se desintegran por unidad de tiempo es directamente proporcional al número de átomos radiactivos presentes en la muestra. Vale decir que cuantos menos núcleos radiactivos queden en la muestra, los remanentes se desitegrarán con una velocidad cada vez menor de acuerdo con la siguiente ecuación. :  La constante de proporcionalidad entre la velocidad de decaimiento (dN/dt) y el número de radionucleídos aún presentes (N) es conocida como constante de desintegración (λ). Esta constante de desintegración representa la probabilidad de desintegración de un núcleo por unidad de tiempo, y es propia y característica de cada nucleído. Lleva unidades de la recíproca del tiempo (t-1). Integrando la expresión anterior entre t=0 y t=t, resulta: donde: N(t) es el número de radionucleidos existentes en un instante de tiempo t. N0 es el número de radionucleidos existentes en el instante inicial t=0. λ es la constante de desintegración radiactiva.. Un parámetro muy importante en el ámbito de los estudios con elementos radiactivos es la actividad (A), que es el número de núcleos que desintegran en la unidad de tiempo. Es decir, A es la velocidad de desintegración. Entonces, como ya dijimos, la actividad depende del número de núcleos radiactivos presentes (N) en la fuente y de la constante de desintegración (λ). Teniendo en cuenta las últimas dos expresiones matemáticas presentadas, podemos deducir que: Esta ecuación indica que la actividad de una muestra disminuye exponencialmente con el tiempo. Si quisiéramos linealizar la ecuación exponencial, basta con aplicar logaritmo natural a ambos miembros: Esta última ecuación puede ser representada de forma lineal como lnA = f(t), con una ordenada al origen igual a lnA0 y una pendiente λ. Resumiendo: :  Vale destacar que el gráfico exponencial decreciente muestra las "cuentas en 30 segundos" en función del tiempo. En este caso, "cuentas en 30 segundos" es una variable experimental que indica la cantidad de partículas (de la naturaleza que sean) emitidas por la muestra y detectadas por nuestro equipamiento en el lapso de 30 segundos. Esta variable, con algunas consideraciones que no vamos a discutir ahora, representa la radiactividad de la muestra, ya que cada partícula detectada o "cuenta" es producto de la desintegración de un nucleído. La unidad que se utiliza en el sistema internacional para cuantificar la actividad radiactiva de una muestra es el becquerel o becquerelio (Bq), equivalente a una desintegración por segundo (dps). A mayor cantidad de becquerels más rápidamente se desintegrará (mayor número de desintegraciones por segundo) y por tanto más “activa” será la muestra. Antiguamente y aún en uso se definió la unidad curie (Ci) equivalente a 2,22.1012 desintegraciones por minuto (dpm). Pueden hallar que 1 Ci equivale a 37.109 becquerels. Según el caso, se utilizará una u otra unidad de actividad por comodidad. Otro parámetro útil es el período de semidesintegración (T½), que es el tiempo necesario para que el número de núcleos radiactivos presentes en una muestra se reduzca a la mitad. Es decir, cuando A(t) = A0/2. Aplicando logaritmo natural y despejando T½: Podemos definir que si en el momento inicial (tiempo cero) la actividad de la muestra es del 100%, al cabo del trancurso de un tiempo correspondiente a una vida media, dicha actividad radiactiva se verá reducida a un 50%. Al término otro lapso igual, la actividad estará reducida a la mitad de la mitad, es decir, a un 25%. Al finalizar el período correspondiente a tres vidas medias, la actividad será de un 12,5% de la original y así sucesivamente. Actividad porcentual en función del tiempo de vida media. Si se representara la Actividad en función del tiempo transcurrido para distintos nucleídos, se podrían observar las siguientes curvas de decaimiento diferentes dependiendo del T1/2 característico de cada uno de ellos. Así, aquellos que posean una constante de desintegración mayor (t1/2 menor) decaerán más rápido que aquellos qu posean una constante menor (t1/2 mayor), quienes lo harán más lentamente. :  Actividad en función del tiempo transcurrido (Extraído de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_5.htm) Los tiempos de vida media de cada especie radiactiva pueden variar muy sigificativamente, entre millones de añós y unos pocos minutos. Ejemplos de tiempos de vida media de diferentes radionucleídos que poseen distintos mecanismos de desintegración pueden verse en la siguiente tabla: Isótopo Periodo Emisión Uranio-238 4510 millones de años Alfa Carbono-14 5730 años Beta Cobalto-60 5,271 años Gamma Alfa Radón-222 3,82 días 8. Interacción de la Radiación con la Materia Todas las radiaciones interactúan con la materia, es decir, con cualquier medio interpuesto en su trayectoria. Esta interacción depende tanto de las características de la radiación como también de las del medio que atraviesen. En el siguiente esquema se muestra una clasificación que puede hacerse con los diferentes tipos de emisión radiactiva. En estas interacciones con la materia, la radiación pierde parte o toda su energía cediéndola al medio que atraviesa mediante mecanismos diferentes. Estos procesos de interacción de la radiación con la materia son la causa de los efectos producidos por las radiaciones (en particular, los efectos biológicos producidos en seres vivos) y determinan como será la propagación de la radiación en un medio material dado, así como el diseño de los blindajes apropiados para cada tipo de radiación. :  Ahora bien, considerando que las radiaciones se generan a nivel atómico o nuclear, interaccionan con mayor probabilidad con los electrones que con los núcleos, por lo tanto los efectos más frecuentes serán la ionización y la excitación atómica del material. Las radiaciones ionizantes son aquellas radiaciones con energía suficiente como para ionizar la materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. En función de su capacidad de ionización, podemos clasificar a las radiaciones en:. Directamente ionizantes Suele comprender a las radiaciones corpusculares formadas por partículas cargadas que interactúan de forma directa con los electrones y el núcleo de los átomos de moléculas blanco. Por ejemplo, las radiaciones o partículas con carga eléctrica (partículas alfa, protones, electrones, positrones, etc) producen la ionización por interacciones de naturaleza eléctrica con los electrones, perdiendo su energía cinética en forma continua. Las partículas pesadas cargadas que incluyen a las partículas alfa, protones e iones pesados energéticos tienen un corto poder de penetración o alcance, su trayectoria es recta, sufre un frenamiento gradual y generan ionización. Sin embargo, las partículas ligeras cargadas como los electrones, las betas negativas (β-) y positrones (β+) tienen un alcance mediano con una trayectoria quebrada, sufren un frenamiento gradual y generan ionización. Indirectamente ionizantes Esta radiación, está dada por las partículas no cargadas, como los fotones (rayos X o gamma), los neutrinos o los neutrones, que al atravesar la materia interaccionan con ella produciendo partículas cargadas siendo éstas las que ionizan a otros átomos. Estas radiaciones tienen un gran alcance (virtualmente infinito para los fotones) y, como ya dijimos, generan ionización por electrones secundarios. Paso de las partículas alfa (α) y otros iones pesados por la materia Las partículas alfa (que son núcleos totalmente ionizados de helio) y otros iones pesados son muy masivos y tienen carga positiva y de gran magnitud. Al interactuar con la materia, atraen eléctricamente a los electrones de los átomos cercanos produciendo su ionización. Pierden una fracción de su energía en cada ionización producida disminuyendo su energía cinética gradualmente hasta llegar a detenerse. Dada su masividad, la trayectoria es esencialmente recta y sólo se desvían cuando ocasionalmente chocan con un núcleo. Debido a que son altamente ionizantes, interactúan mucho con la materia disminuyendo su energía cinética rápidamente, y por lo tanto poseen un muy corto alcance. Al ser monoenergéticas, todas las partículas provenientes de una muestra poseen el mismo rango (o alcance) en un medio dado, el cual en sólidos es típicamente de unos pocos micrones. Esto hace que en general la radiación alfa no sea peligrosa ya que, tanto unos pocos centímetros de aire, como una delgada capa de material sólido son capaces de absorber por completo a las partículas. Paso de las partículas livianas por la materia :  Las partículas livianas (electrones o partículas β en general) tienen carga y poseen una masa igual a la de los electrones orbitales. Como ya vimos para las otras partículas, van avanzando y perdiendo energía al ionizar y excitar los átomos del material hasta detenerse totalmente. Al poseer una masa igual al electrón, su trayectoria y alcance no están tan bien definidos debido a que en colisiones entre partículas de igual masa pueden existir desviaciones importantes de la dirección inicial. Cuando una partícula cargada penetra en un medio material, experimenta una serie de colisiones con los átomos constituyentes. Sin embargo, dado el "vacío" relativo existente en el interior del átomo, las colisiones mecánicas por choque directo entre la partícula y los electrones o núcleos, son muy improbables. En realidad, como ya dijimos, el proceso predominante es la interacción coulombiana, proceso de interacción debido a las fuerzas eléctricas que existen entre la partícula incidente y los electrones y núcleos del medio absorbente. Esta interacción produce una pérdida casi continua de la energía cinética de la partícula, hasta llegar a su detención. Entre las distintas interacciones posibles de las partículas livianas cargadas con el medio material se encuentran: Dispersión elástica: En este tipo de colisiones, se conservan tanto la energía cinética como la cantidad de movimiento. En estos casos, la partícula se desvía de su trayectoria, cediendo parte de su energía en forma de energía cinética. En las colisiones elásticas no se produce en el medio ninguna alteración atómica ni nuclear. Dispersión inelástica: En estas colisiones se conserva la cantidad de movimiento, pero no la energía cinética. La partícula, al sufrir estas colisiones con los átomos del medio, modifica la estructura electrónica del mismo produciendo excitación, ionización, o disociación. Radiación de frenado (bremsstrahlung en alemán): Cuando una partícula incidente con masa y carga eléctrica, interacciona con el campo eléctrico de un núcleo atómico de carga Z, experimenta la acción de una fuerza eléctrica y por tanto una aceleración. De acuerdo con las leyes de la Electrodinámica Clásica (esto la vamos a ver en el bloque de electromagnetismo) una partícula cargada, al sufrir una variación súbita de su velocidad, emite radiación electromagnética cuya intensidad es proporcional al cuadrado de la aceleración. Radiación de frenado producido por un electrón de alta energía desviado en el campo eléctrico de un núcleo atómico. Imagen adaptada de Wikipedia. El efecto de bremsstrahlung o radiación de frenado es directamente proporcional a la energía inicial de la partícula y al cuadrado del número atómico del material absorbente e inversamente proporcional al cuadrado de la masa de la partícula. Aniquilación electrón-positrón: la interacción por aniquilación, es característica de los positrones, debido a su naturaleza de antimateria; ocurre cuando un electrón (e−) y un positrón (e+) colisionan (par partícula-antipartícula). Cuando un positrón pierde por completo su energía cinética se asocia temporalmente a un electrón del material formando un positronio (T1/2 = 10-7 segundos), el que rápidamente se transforma en dos fotones de 0,511 MeV, denominados fotones de aniquilación. Es decir, el resultado de la colisión entre ambas partículas a bajas energías es la aniquilación del electrón y el positrón, y la creación de dos fotones con una energía equivalente a los rayos gamma. Paso de la radiación electromagnética por la materia :  La radiación electromagnética (rayos X y la radiación γ), al no tener carga, no puede ser frenada directamente por procesos de ionización al atravesar un material por lo que su alcance y penetración son virtualmente infinitos. El haz de fotones incidentes es atenuado en función del Z del material, y esta atenuación del haz de fotones se produce por alguno de estos tres mecanismos de interacción: Efecto fotoeléctrico: Es el fenómeno en el que los fotones impactan con los átomos de un metal arrancando sus electrones. Efecto fotoeléctrico. Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la radiación electromagnética incidente. Si un átomo absorbe energía de un fotón, tiene más energía que la necesaria para expulsar un electrón del material y, posee una trayectoria dirigida hacia la superficie de la placa metálica, entonces el electrón (también llamado fotoelectrón) puede ser expulsado del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Aumentar la cantidad de fotones de baja energía que inciden en la superficie de la placa metálica no logrará tampoco desprender fotoelectrones. En cambio, si los fotones incidentes son de alta energía, aumentar la intensidad del haz de fotones incidente sobre la placa equivale a hacer incidir más fotones de alta energía, motivo por el cual podrán arrancarse más electrones de la placa metálica (un fotoelectrón por cada fotón incidente). En consecuencia, la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz sino de la energía de los fotones.. Efecto Compton: Es el proceso en el cual el fotón incidente cede parcialmente su energía a un electrón, resultando en la emisión de un electrón Compton. El fotón γ remanente es de menor contenido energético que el incidente. En este proceso el fotón incidente cambia de dirección y energía al interaccionar con un electrón atómico, el cual se lleva la energía del fotón que necesita para ser expulsado. Efecto Compton. Formación de pares: El tercer proceso de interacción de un fotón energético con la materia es el de producción de pares. En este un fotón en presencia de un átomo puede desaparecer creando un par electrón- positrón. El positrón se aniquila produciendo dos fotones secundarios. Esta reacción ocurre solo a altas energías y el fotón incidente debe tener al menos una energía equivalente a la masa del electrón y el positrón. :  Formación de pares. Si bien todos los mecanismos antedichos son posibles, la probabilidad de ocurrencia de cada uno depende tanto de la energía de la radiación como del Z del material. Para radiaciones de baja energía y materiales de bajo Z prefominará el efecto fotoeléctrico, mientras que a medida que aumentamos la energía de los fotones y el Z del material atravesado aumentarán su probabilidad el efecto Compton y luego la formación de pares. Así, de la interacción entre las emisiones radiactivas y el medio se darán diferentes efectos. Además, en función de la penetración que posean las radiaciones en el medio considerado y de la energía que depositan en ese medio es el uso que se le pueda conceder y los cuidados que es necesario tener. Ejemplo de esto es la medicina nuclear, en donde en función de la calidad y tipo de radiación se pueden realizar tanto estudios diagnósticos en los que se obtienen imágenes como tratamientos terapéuticos mediante el uso de radiofármacos. Otros ejemplos lo constituyen la radiología y la radioterapia. Dado que la interacción de estas radiaciones transfiere energía al medio interpuesto, sin discriminar si ese medio es inerte o un organismo vivo. Es por ello que, para el uso seguro de las radiaciones, se deben considerar los principios de la protección radiológica. En el siguiente esquema se muestra una representación (muy simplificada) de la capacidad diferencial de penetración que tienen los diferentes tipos de de radiación ionizante. En este ejemplo se muestra que una partícula alfa no penetra un trozo de papel, una beta no penetra una lámina de metal y que un fotón gamma penetra incluso grandes espesores de metal u hormigón. Imagen tomada de Wikipedia En el siguiente video pueden ver un resumen de la capacidad de penetración de cada tipo de partícula.. :  Penetración de Partículas. Ahora bien, la actividad de una muestra (o los Bq) no nos da información sobre los posibles efectos que podría tener en nuestra salud. Una fuente de 1 Ci puede ser totalmente inocua (si se encuentra blindada o suficientemente lejos de nosotros) o puede causar un serio daño a nuestra salud (si por accidente la ingiriéramos). Para conocer las posibles consecuencias en la salud de una exposición a la radiación, se necesita por tanto otro concepto que indique la cantidad de energía absorbida por los tejidos y permita cuantificar el daño biológico causado. En definitiva, es necesario conocer la "dosis" de radiación recibida. Las radiaciones ionizantes interaccionan con la materia entregándole energía, produciendo ionizaciones, y por lo tanto alterando las moléculas que constituyen o son parte de las células. El daño biológico producido por las radiaciones ionizantes está directamente relacionado con la energía entregada por unidad de masa, que es la magnitud conocida como dosis absorbida. Como ya sabemos, la energía en el sistema internacional, se mide en joules (J) y la masa en kilogramos (Kg), por tanto la dosis absorbida se medirá en J/Kg, unidad conocida con el nombre de gray (Gy). Por su parte, sabemos que el daño biológico producido por las radiaciones, no sólo depende de la energía cedida en un tejido si no que también depende del tipo de radiación. Ya vimos que no todas las radiaciones tienen igual capacidad de ionización cuando atraviesan la materia. Por ejemplo, si tuviesen la misma energía inicial, las partículas alfa interactúan mucho mas con la materia que atraviesan y producen mucha mayor ionización que los rayos gamma. Está claro que las radiaciones que producen mayor ionización en su recorrido son más dañinas a igualdad de dosis. Entonces, se define como dosis equivalente, a la magnitud utilizada para expresar la cantidad de energía entregada por unidad de masa (dosis absorbida, Gy) de acuerdo al tipo de radiación que suministra dicha energía. Esta magnitud también se mide en J/Kg, pero recibe el nombre de sievert (Sv). En otras asignaturas dictadas en FFYB se profundizan estos temas. 9. Aplicaciones y usos de los radioisótopos e isótopos estables En esta asignatura no veremos en detalle las aplicaciones de los radioisótopos, estos son sumamente importantes y utilizados para fines variados. Mirando el siguiente esquema puede comprenderse tanto por qué son utilizados, para qué son utilizados y por qué se debe considerar para cada uso el correspondiente procedimiento de lo que se conoce como protección radiológica. :  Los usos y aplicaciones de la radiactividad son realmente amplios desde generación de energía, hasta aplicaciones en salud (tanto diagnósticas como terapéuticas) o esterilización de materiales o alimentos. La energía nuclear es la energía que se libera como consecuencia de la reacción que se produce cuando se dividen los núcleos atómicos pesados (Fisión Nuclear). Como resultado de este proceso, se generan grandes cantidades de calor que permiten obtener energía mecánica, para poner en funcionamiento generadores de energía eléctrica. La energía nuclear tiene la ventaja de producir un bajo impacto ambiental. En este link acceder a información sobre centrales de energía nuclear de nuestro país. El uso de la tecnología nuclear no se limita a la producción de energía nuclear ya que campos tan variados como el agro, la industria o la medicina, tambien se desarrollan y avanzan con aplicaciones de radionucleídos. Por ejemplo, la radiación gamma se utiliza para la irradiación de diferentes productos industriales como pueden ser material de uso médico, alimentos, tejidos para transplantes, productos farmacéuticos y cosméticos, entre otros, con el fin de desinsectar, descontaminar o radioesterilizarlos. En nuestro país una de las plantas de Centro Atómico Ezeiza (CAE) brinda este tipo de servicios. En particular, queremos destacar el uso de los radionulceídos en el área de la salud (diagnóstico y tratamiento de enfermedades), de la investigación científica, tanto básica como aplicada y de la industria farmacéutica. Nuestro país es un referente en América Latina en materia de Medicina Nuclear y uno de los principales productores mundiales de radioisótopos para uso médico. En este video pueden ver uno de los usos de radionucleidos en el ámbito de la salud. Pedro Brugarolas Why do hospitals have particle accelerators?. :  Ahora bien, no solo los radioisótopos tienen aplicaciones clínicas y en investigación en ciencias de la salud, también hay importantes usos para los isótopos estables. En el siguiente video mencionaremos algunas de estas aplicaciones... Radioisótopos. En nuestro país el organismo nacional dedicado a la regulación de la actividad nuclear en las áreas de seguridad radiológica y nuclear, salvaguardias y no proliferación, y protección y seguridad física es la AUTORIDAD REGULATORIA NUCLEAR.. 10. Resumen y Repaso Aprovechá para mirar estas diapositivas a modo de integración, relectura, repaso o ampliación de algunos temas.. 1 Google Slides Para descargar la presentación, seguir el LINK :  11. Bibliografía Complementaria Sears & Zemansky, Fisica Universitaria. 13ª Edición :