Clase de Física Nuclear para tecnología medica

1. Presentación
Física Nuclear
Miguel Bustamante S.

2. Física Nuclear
Estructura Atómica

3. Modelo Thonson

4. Modelo de Rutherford
 Las cargas negativas
(electrones) giran en torno a
este núcleo de igual forma
como lo hacen los planetas;
mantenidas en órbita por la
fuerza eléctrica.

6. Modelo de Rutherford
 El modelo consiste de
partículas cargasdas.
 Electrón

carga -1.6x10-19
C
 Masa
 Protón

Carga: 1.6x10-19
C
 Masa

7. Modelo de Rutherford
 Asumía un análogo con los planetas orbitando
el sol.
 En el centro está el núcleo con carga positiva,
rodeado por los electrones que giran en torno
del núcleo.

8. Modelo de Bohr
 La emisión de luz de un átomo no es continua.
 Emite ciertas frecuencias de luz, en forma
discretas

9. Modelo de Bohr
 Así, el átomo de Bohr, los
electrones giran en ciertas
“orbitas”, y al pasar de
una orbita a otro absorbe o
emite un fotón. Este hecho
explica los espectros
discretos de emisión o
absorción de los átomos.

10. Niveles de Energía:
Transciciones

11. Emisión
Cada átomo emite su propia fuente de “luz”,
ondas electromagnética, es su firma:
Espectro de emisión de H

12. Energía del “fotón”
 La ondas electromagnéticas emitidas por los
átomos tienen energía.
 Esta energía depende de la frecuencia o de la
longitud de onda.
 La energía es E=hf o E=h c/, donde  es la
longitud de onda, f es la frecuencia (hertz) y h
la constante de plack h=6.62606896(33) ×10 -34
Js=4.13566733(10)×10-15
eVs.

13. Energía del fotón
 Las ondas electromagnéticas tienen asociado
una energía que depende de su longitud, o su
frecuencia.
 Una onda de 3 cm de longitud de onda (micro
onda) tiene una energía de 3.975x10-24
J

1 electron volt = 1.60217646 × 10-19
joules

15. Fuentes de la radiación
 La emisión de luz, en general vienen de las
transciciones de los electrones en la capa
atómica.
 Los rayos X, vienen de la emisión de las
transciciones de las capas internas de los
átomos Capas K,L,M
 http://www.santillana.cl/fis4/swf/actividad3.swf
 Las ondas infrarrojas provienen de la vibración
molecular, no del átomo.
 Las micro ondas, de la vibración molecular,
como de la vibración torsional

16. Fuentes de Ondas
 Las ondas de radio provienen del movimientos
acelerado de partículas cargadas (onda corta,
Amplitud modulada, Frecuencia modulada).
 El emisión de radiación gamma provienen de
las transiciones del decaimiento nuclear, no de
las transiciones atómicas.

17. Núcleo atómico
 En el núcleo, y
dependiendo del
elemento tiene un
número Z de
protones.
 Además también
puede neutrones que
anotamos como N.
 La suma de protones
y neutrones lo
anotamos como A.

18. Núcleo
El número Z, el número de protones da las
crematísticas químicas del elemento.
El número A, da las características físicas del
elemento,

19. Radiación Gamma
 El núcleo, en un proceso
de decaimiento, emite
fotones de alta energía,
llamados gamma.
 La radiación gamma sólo
proviene del núcleo.
 En general su energía es
superior a los 100 kev y
puede llegar los MeV.

20. Producción de fotones:
Radiación X y Gamma
Hasta el momento hemos estudiado los tipos de
radiación, pero no como se producen.

21. Rayos X

22. Radiación Gamma
 La radiación Gamma proviene del núcleo.
 Los nucleones (protones y neutrones) tienen
asociado niveles de energía, como los
electrones en la orbita (modelo de capa de
núcleo).

23. Radiación gamma
 Los fotones gamma provienen de una
transición nuclear, o
 De la aniquilación de materia o antimateria,
como por ejemplo al juntar un electrón y un
positrón
e+ + e- → γ + γ

24. Ley de Atenuación

25. Radiación electromagnética
Atenuación
● En este caso, la
radiación son las
ondas
electromagnética.
● Luz, Rayos X y rayos
gamma.

26. Lay de atenuación
● Sea I0, la intensidad
de radiación incidente
sobre un objeto
material de espesor x.
● I(x), la cantidad de
radiación que
atraviesa el material
●
 es el coeficiente de
atenuación lineal.
I(x)=I0e
−μx

27. Ley de Atenuación

28. El coeficiente 
●
El coeficiente  es un
numero que
caracteriza la
interacción dela
radiación con la
materia.
●
, depende de la
energía material, de la
composición de este.

29. 
● Se define un termino,
conocido como el
másico.
●
μρ=
μ
ρ

30. Explicación del 
● Para explicar el
coeficiente de
atenuación, debemos
ver que efectos son
los involucrados.
● Efecto fotoeléctrico
● Efecto Compton
● Efecto Pair.

31. Efecto Fotoeléctrico
● Un fotón transfiere
toda su energía a un
electrón de la cada
interna del átomo.
● La energía saliente
del electrón es hv-W,
donde W es la
energía necesaria
para sacar el electrón.

32. Efecto compton
● Un fotón “choca”
elásticamente con un
electrón “semi-libre”.
● La energía con salen
el electrón y el fotón
dependen de la
energía incidente.
Este efecto, produce un cambio
en la longitud de la onda

33. Efecto PAR
● Este efecto se observa
cuando el fotón, con
una energía superior a
1022 kev.
● El fotón a pasar cerca
de un núcleo de
material pesado, se
transforma en dos
partículas: Electrón y
antielectrón.

34. Resumen

35. Estabilidad nuclear
Un núcleo es estable cuando existe un equilibrio
entre las fuerzas que actúan, o las fuerzas
atractivas son mayores que las repulsivas. Es
decir, la interacción nuclear fuerte que
experimentan los neutrones y protones son
mayores que las fuerzas de repulsión eléctrica de
los protones.
De lo contrario, el núcleo es inestable

36. Núcleos estables
● Todo núcleo con 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, neutrones o
protones, son estables. Son los llamados números mágicos,
que corresponden a capas nucleares completas.
● Todo núcleo con Z menor o igual a 20, que presenta relación
neutrón, protón (N/Z) igual a 1 es estable.
● Todo núcleo con Z mayor que 20, menor a 84, que presenta
relación neutrón, protón (N/Z) entre 1 y 1.5 es estable.
● Los núcleos con Z menor a 84 son más estables que los que
tienen Z mayor a 84.
● Todos los núcleos con números de nucleones pares son más
estables que los impares.

37. Modo de decaimientos

39. Métodos de estabilización nuclear
● Emisión de partícula
alfa
● Emisión de positrón
● Emisión de electrón,
o partícula beta
● Captura electrónica
● Emisión de protón
● Emisión de neutrón
● Emisión de fotón
gamma
● Emisión de un núcleo

40. Emisión de partúcula alfa
● Se da generalemente
en nucleos, y el
numero atómico
abaja en 2 (Z-2) y el
numeros de
neutrones (N-2).
● La particula  se
anota también como
He, núcleo de Helio
● 238U → 231Pa + α

41. Emisión beta
● La radiación β se origina
por la emisión de
electrones desde el
núcleo de un elemento
radiactivo. Estos
electrones provienen de la
desintegración de un
neutrón.
● El nucleo incrementa el Z
en 1, matiene el valor de
A

42. Captura electrónica (CE)
● La captura electrónica es
una forma de estabilización
de algunos núcleos pesados
con un exceso de protones.
Consiste en la absorción del
núcleo de un electrón de las
capas más internas (K ó L).
● Inmediatamente se emite
una radiación X
característica.
● El Z baja en una unidad.

43. Emisión de un positrón ()
● Un protón nucleo se
transforma en
neutrón.
● El Z sufre en una
unidad, manteniendo
el numero de
nucleones A.
XZ
A
→ XZ+1
A
+e
60
Co → 60
Ni + e− + ν¯

44. Emisión de neutrón
● El núcleo emite un
neutrón
● El numero Z se
mantiene pero baja
en uno el másico.
● El hijo es un isótopo
de padre
XZ
A
→ XZ
A−1
+n

45. Emisión de fotón gamma
● Cuando los núcleos
quedan excitado, un
mecanismo es la
emisión de un fotón
gamma.
● Este mecanismo, no
cambia ni el numero z
ni el A.
● Se anota la reacción
como
137
Ba* → 137Ba + γ(662 keV)

46. Emisión de un nucleo
● Un núcleo pesado, se
divide en otro
elemento,
típicamente como la
fisión
252
Cf → 137
I + 112
Rh + 3n

47. ResumenA
Z


n

48. Decaimiento Radiactivo
El decaimiento radioactivo es un proceso en el
que un núcleo inestable se transforma en uno
más estable, emitiendo partículas y/o fotones y
liberando energía durante el proceso.

49. Mecanismo de decaimiento
Una sustancia que experimenta este fenómeno
espontáneamente se denomina sustancia
radioactiva. Pueden emitir tres tipos de radiación:
* Radiación α (alfa);
* Radiación β (beta);
* Radiacón γ (gamma).

50. Leyes de desintegración radioactiva
Los procesos de desintegración nuclear son
estadísticos. La desintegración de todos los
núcleos de una cierta masa no se suceden a
intervalos iguales de tiempo sino que obedecen
a leyes estadísticas.
En base a ésto podemos determinar la velocidad
a la que ocurre un proceso de decaimiento en
una muestra radioactiva, la cual es proporcional
al número de núcleos radioactivos presentes.
Si N es la cantidad de núcleos radioactivos
presentes en la muestra en algún instante,
entonces la razón de cambio de N es:

51. Si N es la cantidad de núcleos radioactivos
presentes en la muestra en algún instante, viene
descrito por
N(t)=N0e
−λt
, constante de decaimiento, cuyas unidades son 1/s

52. 0 5 10 15 20 25 30
0
20
40
60
80
100
120
Numero de nucleos activos
N
Tiempo(s)
N,numerodenúcleos
N(t)

53. Definiciones
● Definimos el período de
semi-desintegración, T,
como el tiempo necesario
para que decaiga la mitad
de un número dado de
núcleos radioactivos.
● Partiendo de la ecuación
para un N=No/2 y
despejando t, obtenemos:
T=
ln(2)
λ

54. Definiciones
● Tiempo de vida
promedio, τ, es el
promedio del
tiempo de vida de
todos los núcleos
radioactivos en una
muestra.
● Se define como:
τ=
1
λ

55. Actividad
● En lugar de referirnos al
número de núcleos
presentes en la muestra, es
habitual referirse a la
Actividad, que se define
como el número de núcleos
que se desintegran en la
unidad de tiempo, es decir,
es la tasa de desintegración
de una muestra.
A(t)=λN(t)=λN0e
−λt

56. Unidades de Actividad
● 1 Bq = un Bequerel
es un decaimiento
por segundo
● 1 Ci = un Curie es la
actividad de 1 gr de
Ra-226
● 1 cpm = una cuenta
por minuto
● 1 Ci = 3,7*1010 Bq

57. Vidas medias
Isotopo Vida Media Radiación
99mTc 6,05 h 140,5 kev
Gamma
22Na 8,21x107 s
Beta menos
60Co 60Ni 1,17 Mev
gamma

58. Generador de 99
Tc*

59. http://spice.duit.uwa.edu.au/samples/ast0025/

60. Efectos de la radiación
● ionización de la
materia.
● Creación e radicales
libres.
● Producción de
mutaciones

61. Enlaces
● http://spice.duit.uwa.edu.au/samples/ast0025/
● https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VC
hartHTML.html
● http://ie.lbl.gov/education/decmode.html
● http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm
● http://phet.colorado.edu/en/simulation/rutherford
-scattering
● http://phet.colorado.edu/en/simulation/hydroge
n-atom