MIRADOR NUCLEAR
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Alcanzar el conocimiento nuclear a todos los sectores y lugares del país, es una responsabilidad que todas las instituciones dedicadas a la ciencia y tecnología tenemos, pues con mayor información especializada, las decisiones serán mejores. Los más comprometidos con adquirir nuevos conocimientos son los estudiantes universitarios y técnicos, pues ellos son los que lo utilizarán para mejorar las condiciones de vida de la sociedad peruana. En esa dirección estamos proponiéndole este boletín a modo de notas para los estudiantes interesados en conocer los fundamentales de la ciencia y tecnología nuclear.

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FISICA NUCLEAR - MIRADOR NUCLEAR VOL2 N1 5-1-2014

  1. 1. MIRADOR NUCLEAR Lima, Enero 2015Volumen 2 nº 1Agustín Zúñiga Gamarra
  2. 2. C on Demócrito, 400 años A.C, se inició la propuesta del ato- mismo, es decir que la ma- teria estaría constituida por unidades indivisibles. Sin embargo recién en el siglo XIX, con Dalton, reco- menzó el estudio moderno del atomismo, pero solo al inicio del siglo XX, con la incorporación de la teoría cuántica, el comportamien- to de los electrones y su interacción con el núcleo, quedó muy bien descrita. La disciplina que la estudia es la física atómica. Su con- tribución a la sociedad es impresionante, toda la re- volución de la microelectró- nica es producto de esa teo- ría y la búsqueda de sus aplicaciones. Pero algunos fenómenos que aparecieron a fines del siglo XIX no pudieron ser explicados por el comporta- miento electrónico, así sur- gieron los estudios de las radiaciones por los pioneros Becquerel y Curie, y luego el trabajo célebre de Rut- herford, descubriendo la existencia del núcleo, y que el átomo era prácticamente vacío. Pero, ese núcleo, aun tenía componentes, los pro- tones y neutrones. El estu- dio de las propiedades de ese micro mundo nuclear lo hace la física nuclear. Su reto está siendo más difícil que el átomo, tanto como que no existe un equivalen- te de la teoría cuántica que la describa a plenitud, más bien se tienen modelos, por islas, donde funcionan muy bien, pero no en otras. De modo similar al átomo, el estudio del núcleo ha llevado al uso de muchas de sus propiedades. La ma- yor, es sin duda, la capaci- dad de liberar energía des- de su interior cuando ellas son manipuladas bajo cier- tas condiciones. La magni- tud de la energía se deter- mina por la relación mas famosa de la física, dada por Einstein, E= mc2. Esa energía es aprovechada para la generación de ener- gía eléctrica, cuando se parten los núcleos de ura- nio en la reacción nuclear de fisión. Otras aplicacio- nes de los núcleos cuando se encuentran en estados excitados y emiten las ra- diaciones ionizantes se ex- tienden a la salud princi- palmente, mediante los radioisótopos, pero también pueden aplicarse a la agri- cultura, hidrología, control de calidad y otros procesos productivos. Pero como ocurre siempre, el uso de una tecnología trae consigo el contraste del costo y beneficio. En el caso nuclear las radiacio- nes que se emiten denomi- nadas ionizantes, deben ser administradas por perso- nas expertas, o certificadas, por ello no habiendo el nú- mero suficiente de especia- listas en el país, muchas de sus aplicaciones no se im- plementan, aun cuando se reconoce una gran deman- da nacional. Por eso llevar mas conocimiento nuclear a los jóvenes estudiantes es una responsabilidad e in- versión en favor de la socie- dad peruana. Así lo convo- camos a presentarse al IPEN a hacer los cursos que siempre se dictan con este fin. Contenido: Fundamentos de físi- ca nuclear 2 El átomo 3 Estructura atómica 3 Radiación electromag- nética 3 El núcleo 4 Estructura nuclear 4 Defecto de masa 4 Radiactividad 5 Rayos X 5 Radiaciones α, β, γ 5 Reacciones nucleares 6 Desintegración alfa 6 Desintegración beta 6 Desintegración gama 7 Series radiactivas 7 Ejercicios actividad 8 Excitación , ioniza- 8 Características de las radiaciones 8 Neutrones 9 Efecto fotoeléctrico 9 Dispersión Compton 9 Producción de pares 10 Atenuación de radia- ciones 10 Captura electrónica 7 Presentaciones 11 Fundamentos de Física Nuclear El reactor nuclear RP10 MIRADOR NUCLEAR Lima, Enero 2015Volumen 2 nº 1 Agustín Zúñiga Gamarra
  3. 3. El átomo (10-10m) está constituido por electrones, y en su región central el núcleo (10-15m). Las dimen- siones nos muestran que el átomo es prácticamente vacío. El núcleo está constituido por protones (Z) y neutro- nes (N). La carga del átomo es neutro de modo que en los niveles hay Z elec- trones, de carga negativa equivalente a la carga positiva del núcleo. Las masas de los neutrones son un poco mayores que los protones pero en la práctica pueden considerarse iguales, y son muy pesados comparado con los electrones (1840 menos). El número total de protones se denomina el número atómico (Z); el nú- mero total de nucleo- nes, es el número másico (A = Z +N). A los átomos de similar Z se les denominan, Isótopos, a los de igual N, Isótonos, y a los de igual A, Isobaros. Las propieda- des químicas de los elementos la esta- blecen los átomos, a través del número de electrones de su última capa (valencia). Esta regularidad de las propiedades fue estudiada por prime- ra vez por Mendeleiev (1869), de ahí surgió la tabla periódica. Los modelos del átomo fueron de Dalton, Thom- pson, Rutherford, previamente al de Bohr, que es la base del actual unido a la teoría cuántica. Estas radiaciones de acuerdo por los procesos físicos de interacción con la materia han permitido el amplio uso en todos los frentes de la vida. Así, el tema es cómo producimos RX en los átomos y cómo producimos Rγ desde los núcleos. Los primeros por bombar- deo de electrones sobre blancos (equipos de rayos x), los segundos re- quieren que por alguna reacción nu- Las radiaciones ionizantes (capaces de ionizar los átomos), se presentan en forma de radiación electromagnética (fotón). Las que nos interesan son los rayos x (RX) y los rayos gamma(Rγ), los primeros se pro- ducen en el cambio de nivel de un electrón, y los segundos por des exci- tación de los nucleones en el núcleo. Estas se caracterizan por su longitud de onda, l, energía, E, y frecuencia. clear se puedan excitar los núcleos inicialmente estables, esto se realiza principalmente en los reactores nu- cleares (reacciones con neutrones) y también con aceleradores (como posi- trones por protones). En el Perú, se tienen los dos instrumentos. El Átomo La Radiación Electromagnética de una probabilidad (Schrödinger, 1926), de ahí que es mejor visualizar- los como “nubes” u “orbitales”. Utili- zando esta teoría, se puede describir la tabla periódica a plenitud, usando el principio de exclusión de Pauli. Con ello se puede concluir que, en ca- da nivel (n) pueden haber a lo sumo (2n2) electrones, los que pueden dife- renciarse con el número de momento angular (l), magnético (m) y spin (s). Así, un e l e c - t r ó n q u e d a identi- f i c a d o por (n, l,m, s). Sin embargo se sigue mante- niendo la descripción espectroscópica para identificar al electrón usando los índices s, p, d, f. Los electrones en la imagen de Bohr (1913), están en órbitas, con un radio que depende de la energía. Y, que pueden emitir radiación solo cuando cambian de nivel. El éxito de este modelo se dio porque pudo expli- car la presencia de las líneas espectra- les, que desde 1884, Balmer, los calcu- laba por una relación empírica. Pero con la teoría cuántica no se puede ha- blar de una posición del electrón sino La Estructura Atómica Página 3 MIRADOR NUCLEAR
  4. 4. Ernest Rutherford (1911) sacudió las bases de la propuesta del átomo de Thompson, al demostrar que cuando bombardeaba con partículas alfa, la- minas delgadas de oro, la mayoría de ellas salían casi si afectarse en su di- rección, sin embargo, algunas se dis- persaban hacia atrás (mayor a 90 gra- dos). El comprendió que, la imagen del átomo vigente del “pastel de pasas”, estaba equivocado y que la masa del átomo estaba concentrado en su cen- tro, en el NÚCLEO, y el resto prácti- camente estaba vacía. De esta mane- ra nació la Física Nuclear. Posterior- mente, Chadwick (1932), descubrió la existencia del neutrón. Entonces sur- gieron contradicciones mayores, cómo es que partículas de la misma carga (protones) pueden estar juntas ?. Pos- teriormente se propuso la existencia fuerza nuclear, que explicaba la unión en el núcleo. Así las fuerzas que se presentan en la naturaleza actual- mente son: gravitatoria, eléctrica, nuclear fuerte y nuclear débil. Está última para explicar el decaimiento beta. Finalmente se ha probado que también los protones y neutrones es- tán compuestos por los quarks que son los últimos constituyente de la mate- ria . deuterio (1H2), la Ee = 2.22 MeV, que es la cantidad de energía que requiere para romper ese núcleo, es por ello que estas energías son conocidas como la ENERGÍA DE ENLACE o de liga- dura (Ee), y su valor dividido por A (número de nucleones) es la que expli- ca que los núcleos grandes tienden a mayor estabilidad por fisión, contra- riamente los pequeños por fusión. El pico de estabilidad están por los A=56 (8MeV/nucleón). El hecho que la suma de la masa de las partículas que constituyen el nú- cleo (Z, N), por separado, es mayor que la masa del núcleo constituido, se denomina DEFECTO DE MASA (∆m), nos deja la pregunta: ¿a dónde se per- dió esa masa inicial?. Utilizando la relación de Einstein, esa masa se con- vierte en energía necesaria para cons- tituir el nucleído, Ee = ∆mc2. Cuanto mas grande sea esta energía, el nu- cleído será mas estable. En el caso del El Núcleo El Defecto de Masa (Energía de Enlace) Energía de enlace nuclear El experimento de Rutherford mientras que la atómica son del orden 1g/cc. El número de protones y neutro- nes van a definir si el núcleo es esta- ble o radiactivo, a esta se la conoce como al curva de la estabilidad, de los 3000 nucleídos que se conocen solo son estables 266, estos últimos requieren mayor N. Al igual que los átomos no- bles, aquí hay una estabilidad especial en los números mágicos (Z, N= 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Los núcleos (Z, N) o (Z, A), se les deno- mina nucleídos. Ellos pueden estar en su estado fundamental o excitado (radiactivo). Si están en lo segundo entonces se dice que es radiactivo. Ellos se agrupan en isótopos (igual Z), isóbaros (igual A), isótonos (igual N), isómeros (igual Z e igual A, pero dife- rente estado energético). El inmenso valor de la fuerza nuclear se refleja en la densidad nuclear (2 x 1014 g/cc), La Estructura del Núcleo (Nucleídos) Volumen 2 nº 1 Página 4
  5. 5. Roentgen (1895), hizo público la exis- tencia de una radiación desconocida, RX, desde Alemania. En Francia, tra- bajando en ese tema Becquerel (1896) descubrió emisiones desde el uranio de manera natural sin ninguna fuente externa. Los Curie (1898), descubrie- ron el Polonio, luego el Radio. El uso desenfrenado del radio, llevó a conta- minaciones en contra de la vida. En- tonces, hoy se conoce que, las radiacio- nes que provienen del núcleo, pueden ser útiles pero también dañinas. Las radiaciones que emiten son de la for- ma de partículas (alfa, beta) y fotones (gamma), son las mas conocidas. La velocidad con que estas radiaciones se emiten siguen el comportamiento de una ley exponencial. Que nos define que todos los nucleídos radiactivos, tienen un periodo de semidesintegra- ción (t1/2) diferente, y que su emisión es independiente del estado en la que se encuentre el material. Con fines operativos y de medición se han esta- blecido algunos conceptos: becquerel (Actividad); Roentgen (Exposición, 1/ s); Gray (Dosis, J/kg), Sievert (Dósis equivalente, J/kg)). Y, con fines de protección de la vida se disponen de niveles de radiación permitidos. Las radiaciones α, β, y γ, de acuerdo a su ma- sa, carga y energía, interactúan de mane- ra diferente con la materia, la distancia que recorre hasta fre- narse (alcance), son diferentes. α, papel; β, aluminio; γ, plomo. La Radiactividad Las Radiaciones α, β, γγγγ todos) acelerados (generadores de vol- taje). Igualmen- te se pro- ducen RX, por efecto de la ace- leración de electrones c u a n d o pasan por los núcleos de un material, y se le conoce como Bremsstrahlung (radiación de frenado). Los fotones (o radiaciones electromag- néticas), pueden dividirse en ionizan- tes (que pueden excitar o ionizar los átomos) y las no-ionizantes. Entre las primeras están los rayos (x, a, b, g), las últimas tres provienen del núcleo. En el caso de los RX, la energía son mayores a unos 100eV. Su producción práctica, ocurre cuando se bombar- dean superficies metálicas (ánodos) por electrones (emitidos desde los cá- Los Rayos X Página 5 MIRADOR NUCLEAR
  6. 6. En la física nuclear la radiactividad puede explicarse como “el núcleo pa- dre decae en la hija mas la emisión de una partícula o radiación” . Sin em- bargo, y en general, la física nuclear considera que un núcleo padre (blanco) cuando es impactado con una partícula incidente que trae la energía adecuada, puede transmutarse (decaer) a otro núcleo (hijo o hija) y usualmente mas una partícula o ra- diación emergente: (Padre + Partícula -> Hijo + Partícula). A esto se denomi- na una reacción nuclear. “el núcleo se transformó en otro”. A diferencia de una reacción química donde se juntan átomos mediante la interacción de sus electrones para nada intervienen los núcleos. Ahí, radica, también, la dife- rencia energética entre ambas, la quí- mica del orden de electrones voltios (por ejemplo la energía de ligadura del último electrón en el hidrogeno es de 13.6 eV, mientras que la energía de ligadura de un protón o neutrón son del orden de 1 a 8 MeV (millones de electrones voltios), es decir de 1 millón mayor para el núcleo. Esto hace que las reacciones nucleares requieren de tecnologías más complicadas, tales como un reactor nuclear (para el caso de reacciones nucleares con neutro- nes) o de aceleradores (ciclotrones, o LHC) para el caso de reacciones con protones u otras partículas incidentes. En la nomenclatura mas estricta re- sulta X(x, y) Y: En las reacciones nucleares se deben cumplir que: la carga se conserva (la suma de Z), y también, el número de nucleones (la suma de A). protón mas un electrón, similarmente, el protón se transforma a un neutrón mas un positrón. Para salvar un pro- blema posterior del espectro continuo, Pauli propuso la existencia del neu- trino. Así las desintegraciones beta son: Los núcleos excitados pueden decaer mediante la emisión de electrones co- munes (negativos), a esta se la deno- mina “beta negativo”, o por positrones (electrones positivos, estos es su carga positiva) y se llaman “beta positivos”. Pero, el problema inmediato que surge es que, cómo pueden salir electrones desde el núcleo si solo hay protones y neutrones, eso se resolvió planteándo- se que un neutrón se transforma a un La mayoría de los núcleos radiactivos siguen este camino para su estabili- dad. Su masa y carga, son ligerísimas, por lo que su alcance (distancia reco- rrida hasta detenerse) es mucho ma- yor que la partícula alfa, pero mucho menor que la gama que no tiene ni masa ni carga. Junto con los gamas se utilizan ampliamente en la salud sea para el diagnóstico cuanto en terapia. Las Reacciones Nucleares La Desintegración Beta (β) una partícula alfa. A este proceso se le denomina decaimiento o desintegra- ción alfa. Esta partículas emitidas salen con una energía cinética que pueden alcanzar hasta 8 MeV. En la naturaleza muchos núcleos excitados o inestables o radiactivos decaen me- diante este proceso, de los mas conoci- dos son las denominadas series natu- rales que se identifican con el nombre del núcleo iniciantes: uranio, actinio y torio. De los hijos del uranio el mas conocido es el gas RADÓN (86Rn222), emisor alfa, dañino para la salud en grandes cantidades, porque las alfas entregan su gran energía a muy cor- tas distancias (alcance). En la nota- ción de la física nuclear esta desinte- gración es: La partícula alfa es un átomo de helio doblemente ionizado (esto es que no tienen electrones), por lo que en reali- dad se trata de un núcleo de helio. Por alguna razón el núcleo padre se excita (su energía no está en el estado fundamental sino está en otro supe- rior, por ello es inestable). Para volver a su estado fundamental, el núcleo padre, puede seguir varios caminos, uno de tales es mediante la emisión de La Desintegración Alfa (α) Volumen 2 nº 1 Página 6
  7. 7. Los núcleos excitados o radiactivos pueden pasar a su estado fundamen- tal sin transformarse a otro núcleo, solo emitiendo energía o fotones gam- ma. En el diagrama siguiente, el 27Co60 por emisión beta negativo, (neutrón pasa a protón, ver el número Z) para al 28Ni60, dejando a este en un estado excitado (solemos usar el sím- bolo Ni*), para ir a su estado funda- mental emitirá un fotón gamma o más (1.1732, y 1.3325 MeV). En la figura llamada esquema de decaimiento, el eje vertical, está en unidades de ener- gía, en el eje horizontal se suele poner los núcleos sean padre o hijos, con las flechas anotamos hacia donde va la desintegración, aquí se nota dos cami- nos, hacia dos niveles de energía dife- rentes, la fracción de cuántos van por uno o por otro, se llama la intensidad relativa (Iγ %). Los fotones gamma por carecer de masa y carga, interaccio- nan muy débilmente, de ahí que su alcance es muy prolongado. Debido a que los núcleos tienen niveles energé- ticos característicos, emitirán “gammas” propios, eso se utiliza am- pliamente en la identificación de ele- mentos (espectrometría gamma). Una reacción nuclear muy usada para este fin es la X (n,γ)X*, “activación neutró- nica (AAN)”, los neutrones inciden a los blancos para excitarlos. Es uno de los usos mas importantes del RP10. dos: El ejemplo mas cla- ro es el caso del uranio. Si se conoce la cantidad de sus- tancia radiactiva inicial NA se puede conocer cuánto sur- ge en el tiempo tan- to para NB, como para el estable NC, Los núcleos radiactivos pueden dar lugar a una serie de otros hijos tam- bién radiactivos, ellos pueden en cual- quier momento por algunos de los pro- cesos de desintegración antes vistos, desintegrarse, consecuentemente, ten- drán, constantes de desintegración (λ) y periodos de semidesintegración (T1/2), diferentes, para una serie de para eso se utiliza el balance (producción - desaparición), para el caso de B, se produce por decaimiento de A, y desaparece por su propio de- caimiento. Se suele denominar equili- brio secular cuando (λ1 <<λ2) (caso serie natural), transitorio (λ1<λ2), no hay equilibrio si (λ1>λ2). Desintegración Gamma (γγγγ) Series Radiactivas en niveles excitados por lo que sigue la emisión de rayos gamma. Este no es una desintegración beta. La Conversión Interna (ci), es otro proceso que no es realmente beta, por- que, se trata de que un rayo gama desde el núcleo impacta en un elec- trón y lo extrae. Otro de los procesos menos conocidos es la captura de un electrón de las capas interiores del átomo próximo al núcleo (ejemplo capa K), entonces en la reacción nuclear ese electrón sería como una partícula incidente. Usualmente los núcleos hijos quedan Captura Electrónica (ce) y Conversión Interna (ci) Página 7 MIRADOR NUCLEAR
  8. 8. En ciencias la explicación y predicción se da mediante un modelo, que a su ves se expresa con el “lenguaje de los dioses”, la matemática. Para el caso del decaimiento de las sustancias ra- diactivas es la expresión exponencial. Para realizar los cálculos de manera muy sencilla debemos tener en cuenta las definiciones: 1) la contante de de- caimiento (l) también se entiende co- mo la probabilidad por unidad de tiempo que el núcleo decaiga (1/s). 2) el periodo de semidesintegración (T1/2) (s), representa el tiempo transcurrido para que la población de átomos ra- diactivos o la actividad descienda a la mitad, 3) la vida promedio (media) (τ) (s), representa el tiempo promedio con que decaen los núcleos radiactivos desde 0 a infinito. Etas tres cantida- des están relacionadas, de modo que ahí solo hay que recordar las definicio- nes. La población de núcleos en una determinada masa (m) se debe tener en cuenta el numero de Avogadro (Na) para saber cuántos átomos (núcleos) hay. Luego para un determinado tiempo, t, el número de sobrevivientes se calcula por la formula exponencial. Así, nos pueden pedir la actividad, lo que se hace es multiplicar por la cons- tante de decaimiento. Las unidades antiguas son los Ci, como son cantida- des grandes, se suele emplear los pre- fijos de microcurie (10-6 Ci) o picocurie (10-12 Ci). Las ecuaciones claves son las que se muestran en la figura. cuando ellas se generan dentro del organismo (contaminación interna), pero nada dañinos cuando están afuera porque hasta el aire lo frena. Caso con- trario con los ϒ. Las radiaciones ionizantes, tienen masa y/o carga y/o energía, según esto ellos se harán mas o menos notorias frente a la materia que interacciona, por ejemplo la salud humana. En la materia, estas radiaciones conforme pierden energía, se frenan y eso define su alcance, que es menor para la α, por su masa y carga, comparada con la β y luego con γ. Así , el efecto en el organismo debido a la α será mayor Por ello las radiaciones electromagné- ticas (RX, y γ), para su blindaje re- quieren de pesado trajes (hechos de plomo). Otro dato útil: los espectros energéticos de las α y ϒ son discretos pero de los beta son continuos. Ejercicios de Actividades Características de las Radiaciones α, ββββ, ϒ un electrón del átomo pasa de un nivel inferior a otro exterior, y el de ioniza- ción, cuando el electrón es arrancado del átomo. Esta interacción inicial de la radiación incidente se la denomina primaria, y si los productos siguen interaccionando se las denomina in- teracciones secundarias. Estos proce- sos son muy usados en la detección y medición de las radiaciones incidentes (ejemplo detectores Geiger o INa). En física nuclear aplicado se denomi- na radiación a todo lo que sale del nú- cleo en la forma de aquellos con masa y carga (α, β) o sin ella (fotones = ϒ). Y, como la materia es en si átomos, que a su vez tienen electrones y núcleos. Entonces la interacción de las radia- ciones tienen que ver con el átomo. Con el núcleo son colisiones inelásti- cas, y con los electrones ligados son dos: la excitación, que consiste en que Interacción de la Radiación con la Materia: Excitación y Ionización Volumen 2 nº 1 Página 8
  9. 9. Los neutrones tienen masa de casi 1 u, pero no tienen carga. Eso los hace menos interactuantes con la materia, y menos fáciles de detectar, pues la mayoría de las detecciones se basan en la colección de electrones ionizados de la materia por efecto del pasaje de la radiación. Consecuentemente su frenado, también es mas complicado. Los neutrones son muy útiles porque pueden transmutar a los núcleos blan- cos en otros, llevándolos luego a emitir radiaciones características que luego son utilizadas para el análisis multi- elemental (AAN) y producción de ra- dioisótopos. Pero la reacción nuclear mas importante con los neutrones es la fisión, que consiste en que el blanco habiendo absorbido un neutrón, termi- na partiéndose en dos nuevos núcleos y abundante radiación. Esta reacción es una de las mas usadas tanto para la paz (nucleoelectricidad) cuanto lo bélico (bombas). Los neutrones existen en la naturaleza en la calidad de li- bres, como pertenecientes a la lluvia cósmica, en este caso son inestables y decaen a protones, con un periodo de 11 minutos. Mientras en el núcleo no tienen este comportamiento dado que e s t á n l i g a - d o s . L o s n e u t r o n e s d e m a n e r a “artificial” (provocada) se producen en los reactores nucleares, a partir de la fisión de los núcleos de uranio ( en especial del isótopo U-235, presente en la naturaleza con 0.7%, caso RP10). Otras formas de producir neutrones también es por bombardeo de otros núcleos blancos por ejemplo, Be(α, n) ( americio - berilio). Su uso es con fi- nes portátiles. Este proceso p r e v a l e c e cuando la e n e r g í a supera los 1 0 0 k e V . Por ejem- plo si el medio es c o n o c i d o (Z) la com- En 1923 A. H. Compton, explicó la presencia de las longitudes de onda cuando se dispersaba los RX, median- te la propuesta que los fotones pueden interactuar con electrones libres, como lo harían dos bolas de billar, y la teo- ría de Einstein de los fotones, que via- jarían como cuantos de energía E= hv, y momento hv/c, utilizando las leyes de conservación de la energía total y la conservación del momento lineal. paración de los proceso se deja notar: Neutrones Dispersión Compton rias). Este proceso es mucho mas pro- bable cuando se trata de fotones de energías ba- jas (menores a 100keV), pero también crece con el número ató- mico del ma- terial (Z4), d i s m i n u y e con la ener- gía (1/Eϒ 3 ), aumenta fuertemente cuando las energías son similares a las energías de ligadura de las capas atómicas Las partículas no cargadas (fotones) pueden ser absorbidas por el átomo liberando un electrón, con una energía cinética (Ee= Eϒ– Eu), donde: Eϒ: es la energía incidente del fotón, Eu es la energía de ligadura del electrón al átomo. Este proceso de absorción (desaparece el fotón incidente), se de- nomina fotoeléctrico, es el principal proceso de ionización del átomo para bajas energías (por colisiones prima- Efecto Fotoeléctrico Página 9 MIRADOR NUCLEAR
  10. 10. Este proceso de absorción de fotones, es uno de los más difíciles de compren- der, pues la energía se transforma en masa. El fotón en su interacción con los núcleos sufre la transmutación en un electrón y un positrón, de modo que por conservación de energía y mo- mento, el fotón incidente debe tener una energía como mínimo el valor de las energías en reposo de las partícu- las producidas, adicionalmente las dos partículas deben salir en direcciones opuestas, con sus respectivas energías cinéticas. La explicación cuántica e imposible de visualizar clásicamente la dio Dirac: “Cuando en la distribu- ción de estados de energía negativa falta un electrón, el estado vacío apa- recerá como una partícula con energía positiva y carga positiva”. La probabi- lidad de ocurrencia de este proceso es nulo si la ener- gía es menor a 1.02 MeV, luego aumenta como Z2 . Este proceso tienen mayor importancia para energías elevadas y elementos pesados (ver probabilidad de absorción) Producción de Pares ces), que dependen de la energía de la radiación y del material en cuestión, así el coeficiente de atenuación lineal queda en función de las probabilida- des correspondientes que pueden re- sumirse en función del material y energía como: Los valores del coeficiente están en tablas, por ejemplo Kaplan. Fig. 15.7. Conocido los procesos de interacción de la radiación con la materia, ahora nos interesa, cuantificar cómo estos disminuyen (sea por cambio de ener- gía o de trayectoria) cuando atravie- san la materia. La propiedad funda- mental de la absorción de los rayos γ es el carácter exponencial de la dismi- nución de la intensidad de la radiación siempre sea monoenergético, colima- do, frente a un lámina delgada de materia. Los datos del medio y de la energía del fotón definen el coeficiente de atenua- ción lineal (µ (cm-1), I (intensidad del haz, s-1), si µm (cm2 g-1)=µ/ρ, coeficien- Atenuación de las Radiaciones Volumen 2 nº 1 Página 10 te másico de absorción; ρ (g/cm3), den- sidad. En esas condiciones aparecen nuevas definiciones como la distancia hemireductora (cuando la intensidad es atenuada a la mitad): es sabido que los rayos gama difieren notable- mente en su interacción con la mate- ria de las partículas cargadas como lo α y β, esta diferencia estriba en el po- der penetrante mucho mayor de los rayos γ y en las leyes que rigen su ab- sorción. Los tres procesos principales hemos dicho son: 1) absorción fotoeléctrica, 2) dispersión Compton y 3) producción de pares. Físicamente estos procesos se cuantifican en base a las probabili- dades de ocurrencia (secciones efica- ).( )(/ )( 2 5.3 paresPZcte ComptonEZcte icoFotoeléctrEZcte n ≈ ≈ ≈ − κ σ τ ).(2 paresPZcte≈κ
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  29. 29. Agustín Zúñiga Gamarra Av. Honorio Delgado 467 San Martín de Porres - Lima - Perú Teléfono: 0511-4827211 Celular: 990079994 azuniga@ipen.gob.pe agustincahuide@gmail.com Más información menos confusión Alcanzar el conocimiento nuclear a todos los sectores y lugares del país, es una responsabili- dad que todas las instituciones dedicadas a la ciencia y tecnología tenemos, pues con mayor información especializada, las decisiones serán mejores. Los más comprometidos con adquirir nuevos conocimientos son los estudiantes univer- sitarios y técnicos, pues ellos son los que lo uti- lizarán para mejorar las condiciones de vida de la sociedad peruana. En esa dirección estamos proponiéndole este boletín a modo de notas para los estudiantes interesados en conocer los fun- damentales de la ciencia y tecnología nuclear. MIRADOR NUCLEAR DESCUBRIENDO http://chiquianyerupaja.blogspot.com PRACTICANTES DE REACTORES NUCLEARES 2014

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