Este documento describe los principales modos de desintegración radiactiva como la desintegración alfa, beta, captura electrónica y emisión gamma. También describe las fuentes radiactivas más comunes como el uranio-238, estroncio-90 y cobalto-60, así como fuentes de neutrones como las fuentes alfa-berilio y las fuentes de fisión espontánea como el californio-252. Finalmente, resume los usos de estas fuentes radiactivas en calibración, medicina e investigación nuclear.

1. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 1
Modos de desintegración radiactiva
 Desintegración alfa
 Desintegración beta
 Captura electrónica
 Emisión gamma
 Radiación de aniquilación
 Conversión interna
 Fuentes de neutrones
 Fuentes radiactivas más comunes
Referencia básica: W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics
Experiments, a how-to Approach
N+1
N
N-1
N-2
Z-2
Z-1
Z
Z+1 1
1 −
+ N
A
Z X
1
1
−
−
N
A
Z X
2
4
2 −
−
− N
A
Z X
N
A
Z X
N
A
Z X
1
1
−
−
1
1 +
− N
A
Z X
α p
n
β−
β+, CE
Tablas nucleares del LNBH

2. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 2
Desintegración alfa
 Las partículas alfa son núcleos de 4He (sistema ligado de 2 protones y 2 neutrones)
 Generalmente se emiten por núcleos muy pesados (demasiados nucleones para ser estables)
 La emisión α’s frente a la de nucleones individuales está favorecida por su gran energía de ligadura
 El núcleo padre (Z,A) se transforma a través de la reacción: A
ZXN → A-4
Z-2YN-2 + 4
2He2
 La emisión α se explica teóricamente por efecto túnel a través de la barrera de potencial del núcleo
 Esto explica que el espectro de energía sea monoenergético (generalmente entre 4-6 MeV)
 Cuanto mayor energía, mayor probabilidad de transmisión y menor vida media
 Esto explica también por qué generalmente el hijo queda en su estado fundamental
 Estados excitados del núcleo hijo también son posibles (espectro con varias líneas)

3. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 3
 Fuentes alfa más comunes:
 Debido a su doble carga, +2e, el alcance R de las partículas alfa en la materia es pequeño
 En el aire una partícula alfa de 5 MeV penetra solo unos pocos centímetros
 Fuentes delgadas para minimizar la pérdida de energía y absorción (electrodeposición metálica)
Desintegración alfa

4. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 4
Desintegración beta
 Desintegración β-:
El núcleo corrige un exceso de neutrones transformando un neutrón
en un protón y emitiendo el electrón resultante junto con un antineutrino
 El electrón presenta un espectro continuo de energías ya que la energía
disponible (el llamado Q-value) es compartido entre el electrón y el
antineutrino
 Desintegración β+:
El núcleo corrige un exceso de protones transformando un protón en un
neutrón y emitiendo el positrón resultante junto con un neutrino
 El positrón presenta también un espectro continuo de energías.
1 1
A A
Z N Z N e
X X e ν
−
+ −
→ + +
1 1
A A
Z N Z N e
X Y e ν
+
− +
→ + +
La energía cinética máxima
coincide con el Q-value
(despreciando la pequeña
energía de retroceso del núcleo)
En muchas fuentes beta el núcleo hijo
queda en un estado excitado y emite
rápidamente uno o más fotones gamma

5. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 5
Desintegración beta
 La mayor parte de las fuentes beta tienen un Q-value en un intervalo de decenas de
keV a decenas de MeV
 La mayor parte de las fuentes beta emiten también radiación gamma. La lista de
emisores beta puros es pequeña:

6. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 6
Desintegración beta
 Algunas fuentes β pueden tener diferentes ramas de desintegración (cada rama
constituye una desintegración beta separada, con diferente end-point energy)
 El espectro beta total sería la superposición de todas las ramas pesadas por sus respectivas
probabilidades de desintegración
 Como los electrones pierden fácilmente su energía en la materia, las fuentes beta han de
ser delgadas, para minimizar la pérdida de energía
 especialmente importante para las fuentes de positrones, los cuales pueden aniquilarse con los
electrones de la propia fuente o del material contenedor (el espectro β+ se vería distorsionado con
una fuerte background de fotones de aniquilación de 511 keV)

7. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 7
 Proceso alternativo al β+: el núcleo corrige un exceso de protones absorbiendo un electrón de uno de los orbitales
atómicos
 El diagrama nuclear para la CE es idéntico al de la emisión por positrones (si la diferencia de masa atómicas
MX - MY<2me, el proceso β+ está prohibido).
 Como solo es emitido el neutrino es una reacción casi imposible de observar
 Pero el hueco que deja el electrón absorbido en el orbital que ocupaba (en general, de la capa K), da lugar a la
emisión de rayos X característicos o electrones Auger.
 Esta emisión secundaria es la señal detectable en la CE
Captura electrónica
1 1
A A
Z N Z N e
X e Y ν
−
− +
+ → +

8. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 8
 Al igual que los átomos, los núcleos también tienen una estructura en niveles discretos de energía
 Las transiciones entre estos niveles puede hacerse por emisión (o absorción) de radiación
electromagnética de energía igual a la diferencia de energía entre los niveles inicial y final.
 La energía de estos fotones, de unos pocos cientos de keV a unos pocos MeV, caracteriza la fuerte
energía de ligadura de los núcleos
 Estos fotones de gran energía fueron llamados históricamente, rayos gamma
 Como en los átomos, las líneas espectrales de los rayos gamma caracterizan al núcleo emisor
 El proceso se representa como: A
ZXN
* → A
ZXN + γ
 La fuentes gamma que resultan de procesos beta previos, se
consiguen envolviendo la fuente con un material de espesor suficiente
para que los β sean absorbidos, dejando pasar únicamente a los γ que
son más penetrantes
Emisión gamma
La mayoría de las fuentes γ se “sitúan” en sus
estados excitados tres un proceso β, aunque
también pueden coseguirse en reacciones
nucleares.

9. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 9
 Estados isoméricos
 Aunque la mayoría de estados excitados nucleares sufren transiciones casi inmediatas a estados inferiores,
algunos estados tienen una vida mucho más larga.
 La desexcitación suele frenarse por una gran diferencia de espín entre los dos estados, que da lugar a vidas
media que van desde algunos segundos a algunos años
 Estos estados metaestables se llaman isómeros, y se denotan con una m escrita después del número másico,
p.e.
Emisión gamma
60m 69m 137m
Co , Zn, Ba

10. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 10
 Otra fuente de fotones energéticos proviene de la aniquilación de positrones de una fuente β+
 En una fuente de este tipo, como el 22Na, encapsulada o cerca de un material absorbente, los
positrones se aniquilarían con los electrones del material absorbente, y darían lugar a dos fotones,
cada uno con una energia igual a la masa del electrón, igual a 511 keV
 Por conservación del momento, los dos fotones son emitidos en direcciones opuestas
 El espectro γ de una fuente de positrones gruesa presentaria un pico a 511 keV (correspondiente a
la detección de uno de los fotones de aniquilación) superpuesto a los picos característicos de las
transiciones del núcleos padre.
Radiación de aniquilación

11. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 11
Conversión interna (CI):
Esquema de desintegración del Cs-137 Espectro de electrones de la
desintegración del Cs-137
 Un núcleo en un estado excitado decae a su estado fundamental transfiriendo el exceso de
energía a un electrón atómico que es expulsado.
 A
ZXN
* → A
ZXN + e
 Compite con el proceso de emisión γ.
 El espectro de los electrones de conversión interna forman un grupo de líneas discreto
en el mismo rango energético que los γ
 La reordenación de los e atómicos hace que se emitan Rayos X con energías discretas.
( , ) ( , )
CI e e
Q M A Z M A Z B T
∗
= − −
=
Las fuentes de electrones de
conversión interna son muy útiles para
calibración de detectores.

12. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 12
 Fuentes α-Berilio
 Fuente obtenida mezclando el blanco de Berilio con una fuente α (Am-241,
Cm-242, Ra-226, Po-210, Pu-238, Ac-227)
 El bombardeo de partículas α sobre los núcleos de Be inducen reacciones con
diferentes estados finales con neutrones libres (la reacción dominante es al C-12
o un estado excitado del mismo de 4.44 MeV)
 Con Am-241 como fuente alfa se producen alrededor de 70 neutrones por cada
106 α’s. Con Cm-242 se obtienen alrededor de 106 netrones/106 –α. La vida
media de estas fuentes depende de la vida media de emisor alfa.
 Los neutrones no son monoenergéticos, debido a los diferentes grupos de alfas,
la pérdida de energia de las alfas en el material, las diferenes direcciones de
emisión y los estados intermedios del C-12
Fuentes de neutrones
12 (*)
9 13 * 8
C n
Be C Be+ + n
3 n
α α
α
 +

+ → → 
 +


13. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 13
 Fuentes γ-Berilio
 Fuente obtenida mezclando el blanco de Berilio con una fuente γ como el Na-24 o el Sb-124
 En el caso de foto-reacciones (γ,n) solo dos materiales pueden actuar domo blanco: berilio y deuterio
 La producción de neutrones es 1 o 2 órdenes de magnitud inferior a las fuentes con alfas.
 Los neutrones son pràcticament monoenergéticos, ya que los fotones no son tan frenados como las
alfas
o con el Na-24 como Fuente gamma, los neutrones tienen una energia de alrededor de 0.8 MeV, pero una vida
media corta de 15 h; con el Sb-124, de 60 días de vida media, la energía de los neutrones es de 24 keV
Fuentes de neutrones
9 8
2 1
Be Be n
H H n
γ
γ
+ → +
+ → +

14. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 14
 Fisión espontánea
 La fisión espontánea aparece en muchos elementos transuránidos, con emisión de neutrones que
acompañan a los fragmentos de la fisión, fragmentos que se desintegran emitiendo radiación beta y
gamma
 Si la fuente de neutrones está blindada suficientemente, se puede filtrar todas esta radiación dejando
pasar únicamente los neutrones que son mucho más penetrantes.
 La fuente más usual es el Cf-252, que tiene una vida media de 265 años, con un flujo de 𝐴𝐴 = 2.3 ×
1012
𝑠𝑠−1
por gramo de Cf-252
 Reactores
 El flujo de neutrones cerca del núcleo de un reactor de fisión puede ser grande: ~1014
𝑐𝑐𝑐𝑐−2
𝑠𝑠−1
 El espectro energético se extiende hasta los 5-7 MeV con el máximo entre 1-2 MeV
 A través de un pequeño agujero practicado en la vasija del reactor puede extraerse un haz de neutrones
 Estos grandes flujos de neutrones son especialmente útiles en la producción de radioisótopos, por
captura de neutrones
Fuentes de neutrones

15. Estructura atómica y nuclear. Radiactividad 15
Fuentes radiactivas más comunes
Particle Data Group