Curso de Fisica Nuclear 2010 (docentes - parte 2).pdf

Centro Superior de Estudios Nucleares CSEN Enero 2010 Diaposita 1 de 20
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CURSO DE FÍSICA NUCLEAR BÁSICA
PARA DOCENTES
Lic. Mariano Vela Mora
E.mail: mvela@ipen.gob.pe

TEMARIO SEGUNDA PARTE
INTERACCION DE LA RADIACION CON LA MATERIA
Efecto Fotoeléctrico, Interacción Compton, Producción de pares,
Rayos X, radiación de frenado
MAGNITUDES Y UNIDADES
Dosis absorbida, dosis equivalente, dosis efectiva
FISION NUCLEAR
FÍSICA NUCLEAR BÁSICA PARA DOCENTES

K , n = 1
L , n = 2
M , n = 3
N , n = 4
Partíc ula
c arg ad a, g
Ex c itac ió n
K, n = 1
L , n = 2
M, n = 3
N, n = 4
Partícula
carg ad a, g
Ionización
e
IO
N
La interacción de la radiación gamma con la materia es con los
electrones atómicos. Dependiendo de la energía transferida, éstos
electrones pueden pasar a un nivel de energía superior
(EXCITACION) o salir del átomo (IONIZACION).

Efecto fotoeléctrico (visión a nivel macroscópico)
Es la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con
radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general)
Existe un umbral de energía a partir del cual se produce el efecto
fotoeléctrico y es característica de cada que hace de blanco.
La cantidad de electrones emitidos depende de la intensidad de la
radiación electromagnética, es decir del número de fotones.

• El fotón interactúa con un
electrón ligado y toda la
energía del fotón es absorbida.
• El electrón es liberado del
átomo con una energía Ee
aproximadamente igual a
Fotón
Incidente
Electrón
expulsado
Efecto fotoeléctrico (visión a nivel atómico)
• Proceso que ocurre a bajas
energías
b
e E
E
E -
= g
Donde Eg y Eb son: energía del
fotón incidente y energía de
ligadura del electrón

• El fotón cede una fracción
de su energía a un
átomo del medio y la
energía remanente
aparece como un fotón
dispersado.
• La energía del fotón que
sale dispersado del
átomo tiene la siguiente
energía:
)
cos
1
(
c
m
E
1
E
E
2
e
'
q
g
g
g
-
+
=
Electrón
expulsado
Fotón
Incidente
( Eg )
Fotón
Incidente
( E’g )
q
Dispersión Compton (visión a nivel atómico)

• El fotón incidente debe tener
un valor de energía mayor o
igual que 2mec2.
• La producción del par e e+ se
produce en las cercanías del
núcleo atómico.
• El positrón al encontrarse con
otro electrón, se aniquila,
proceso inverso denominado
aniquilación de pares.
e
e+
Producción de pares

Radiaciones electromagnéticas generado por la interacción de una
partícula cargada (electrón acelerado) con los electrones de un material
de alta densidad.
Rayos X Electrones
acelerados
Rayos X (visión a nivel macroscópico)
Tubo
al vacío
Campo eléctrico
Filamento
incandescente

• Interacción de un electrón
incidente con un electrón
del blanco, produciendo su
ionización
• Transición de electrones en
el blanco, desde capas
externas a internas,
produciéndose la emisión
de fotones con energías
bien definidas. Estos son
los Rayos X característicos
Rayos X (visión a nivel atómico)

• Interacción de un electrón
incidente con un núcleo del
blanco, produciendo la
aceleración del electrón
• Emisión de fotones de
Rayos X con una energía
igual a la energía cinética
perdida por el electrón.
• Energía máxima del fotón
de Rayos X = Energía
cinética del electrón
Radiación de frenado (Bremsstrahlung)

Definición de términos usados en radiología
• Interacción: proceso por el cual la energía o la dirección de la
trayectoria de una partícula es alterada; esta interacción puede
ser seguida de la emisión de una o varias partículas
secundarias.
• Ionización: proceso mediante el cual uno o mas electrones son
liberados de átomos, moléculas o cualquier otro estado ligado
en que se encuentren.
• Radiación directamente ionizante: partículas cargadas cuya
energía es absorbida directamente en la materia a lo largo de su
trayectoria (alfa, beta).
• Radiación indirectamente ionizante: partículas sin carga
(neutrones) o fotones que transfieren su energía a partículas
cargadas, para luego ser absorbida en la materia. Este es un
proceso en dos etapas.

Dosis Absorbida ( D )
Se define como la energía media
impartida, d
de
e , por la radiación a la
materia en un volumen elemental de
masa dm contenido en él.
Depende del tipo de la radiación y
del material.
Energía liberada
dm
d
D
e
=
Unidades :
La unidad de Dosis Absorbida es el Gray (Gy) y tiene la siguiente
relación con la otra unidad especial conocida como rad :
1 Gy = 1 J/kg
MAGNITUDES Y UNIDADES RADIOLOGICAS

Dosis Equivalente (HT ):
Esta magnitud da cuenta del efecto biológico de las radiaciones. Es
función de la ionización o transferencia de energía.
Esta dado por:
R
T
T
T Q
D
H ,
=
Unidades :
La unidad de Dosis Equivalente es el Sievert (Sv) cuando la Dosis
Absorbida está expresada en Gray. Las relaciones entre estas
unidades de Dosis Equivalente son las siguientes :
1 rem = 102 J/kg
1 Sievert = 100 rem
donde DT es la Dosis Absorbida por el tejido y QT,R es un factor que
depende del tipo de radiación

Dosis efectiva (Hef)
Unos órganos que son más sensibles a la radiación que otros, por lo
tanto, para evaluar el riesgo y con fines de protección radiológica, se
introduce la magnitud Dosis Efectiva (Hef) definida como :
å
=
tejidos
los
todos
sobre
T
T
ef w
H
H .
donde la suma se extiende sobre cada uno de los tejidos que poseen
dosis HT y wT es el factor de ponderación de cada tejido que toma en
cuenta su sensibilidad relativa ante la radiación que le llega.
Unidades: la unidad es la misma que la de la Dosis Equivalente.

5
Neutrones > 20 MeV
10
Neutrones > 2 MeV a 20 MeV
20
Neutrones > 100 keV a 2 MeV
20
Partículas alfa
5
Protones
10
Neutrones de 10 keV a 100 keV
5
Neutrones < 10 keV
1
Electrones
1
Fotones
wR
Tipo y energía de la radiación
Factores de ponderación del tipo de radiación ( wR )

0.05
Resto del cuerpo
0.01
Piel
0.01
Huesos (superficie ósea)
0.05
Tiroides
0.05
Esófago
0.05
Hígado
0.05
Mama
0.05
Vejiga
0.12
Estómago
0.12
Pulmón
0.12
Colon
0.12
Médula Osea (rojas)
0.20
Gónada
wT
Tejido u órgano
Factores de ponderación de tejidos y órganos ( wT )

calor
neutrones
de fisión
Neutrón
inicial
productos
de fisión
FISION NUCLEAR (O. Hahn y F. Strassmann )
Proceso por el cual un núcleo se divide en dos partículas de masas comparables.
La fisión comienza con la captura de un neutrón térmico por un núcleo pesado y la
liberación de neutrones y energía de aproximadamente 200 MeV.
Lise Meitner,
energía
neutrones
Y
X
U
U
n +
+
+
®
®
+ 236
92
235
92
1
0

FISION NUCLEAR
)
(
2 1
0
94
38
140
54
235
92
1
0 n
Sr
Xe
U
n +
+
®
+
Distribución de los productos de fisión del U235
)
(
3 1
0
101
42
132
50
235
92
1
0 n
Mo
Sn
U
n +
+
®
+

Heat
Steam
produced
Steam
Turbine
Generator
Electricity
APLICACIÓN DE LA FISION NUCLEAR

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