Curso de radioquímica básica 2010 (docentes final).pdf

Centro Superior de Estudios Nucleares CSEN Enero 2010 Diaposita 1 de 46
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CURSO DE RADIOQUIMICA BÁSICA
PARA DOCENTES
Lic. Mariano Vela Mora
E.mail: mvela@ipen.gob.pe

Contenido del Curso
Repaso general acerca del átomo y el núcleo
Radiactividad. Tabla de Nucleídos
Tipos de desintegración.
Unidades de Actividad.
Interacción de la Radiación con la materia.
Reacciones Nucleares.
CURSO DE RADIOQUÍMICA BASICA

Aspectos Históricos
ü En 1896 Becquerel, descubrió que el elemento uranio emanaba
radiaciones.
ü En 1898 los esposos Curie, estudiando el mineral de Uranio
(plechblenda) identificaron que dos nuevos elementos (Po, Ra) emitían
radiaciones en mayor intensidad que las observadas en Uranio puro.
ü En 1899 Becquerel y otros científicos descubrieron que en presencia de
un imán, una parte la radiación se desviaba en una dirección
determinada, otra en la dirección contraria y una tercera parte, no sufría
desviación alguna; siguiendo una línea recta.
ü Rutherford (1911) mediante un experimento de dispersión de partículas
alfa en átomos de oro, descubre el “ modelo planetario” del átomo y con
ello la existencia de un núcleo atómico.
ü Otto Hans y Fritz Strassmann (1938): descubren la fisión nuclear al
irradiar uranio con neutrones y la liberación de una cantidad enorme de
energía.

Repaso acerca del átomo y el núcleo
Ejemplo:
Nucleido: se denomina así al núcleo de un elemento en particular, sin
hacer mención a sus electrones.
Nucleón: se denomina así a los protones o neutrones.
U
Ag,
Na,
C, 238
92
107
47
23
11
12
6
X
A
Z
Número de protones
y neutrones
Número de protones
Símbolo del
elemento

Experimento de Rutherford

ü El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que
contiene casi toda la masa del átomo.
ü Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas
circulares.
ü El radio atómico es la distancia entre el núcleo del átomo y el electrón
estable más alejado del mismo; su orden de magnitud es de 1010 m.
Convencionalmente, se define como la mitad de la distancia existente entre
los centros de dos átomos enlazados.
ü La ecuación empírica para determinar el radio atómico de un elemento en
particular es r = r0 A1/3, donde el valor aproximado de r0 es 1,2 x 1015 m.
Resultados experimentales
Ejemplos:
Radio del Helio: A = 4, r = 1.2 (4)1/3 = 1.9 fm
Uranio: A = 238, r = 1.2 (238)1/3 = 7.4 fm

Isótopo: Núclido que contiene el mismo número de protones
(Z), pero diferente número de neutrones (N). Mismo elemento!!
Isótono: Contiene el mismo número de neutrones (N) y diferente
número de protones (Z). Diferentes elementos!!
Isóbaro: Igual # masa (A), diferentes números de protones (Z)
y neutrones (N). Diferentes elementos!!
Tipos de Nucleidos
Igual
Diferente
Diferente
Isótonos
Diferente
Igual
Diferente
Isóbaros
Diferente
Diferente
Igual
Isótopos
Numero
neutrones
Número de
masa
Numero
atómico
Tabla 1. Resumen de la clasificación de los nucleidos

Isótopos del Hidrógeno
Protio: abundancia relativa 99.97 %, estable, componente del agua
Deuterio: menos abundante, estable, es el componente del agua
pesada.
Tritio: muy escaso, inestable.
H
1
1 H
2
1 H
3
1
Protio Deuterio Tritio

Isótopos del Carbono
La masa atómica representada en la tabla periódica se calcula de los
isótopos 12C y 13C.
C
12
6 C
13
6
C
14
6
98.89 %, estable 1.11 %, estable Muy escaso, inestable
12.0111
0.1443
=
0.0111
x
13
11.8668
=
0.9889
x
12
El número de isótopos de los átomos es variable, pueden ser 2,3, 4, 5, …,10
Existen algunos elementos que no tienen isótopos, formados naturalmente.
Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au y Bi).

Unidad de masa atómica y de energía
• La unidad de masa atómica (u), se define como la doceava parte de la
masa del átomo 12C: 1 u = 1.660 538 73 x 1027 kg.
• Electrón voltio: Unidad de energía, se define como la energía que adquiere
un electrón cuando es acelerado por un voltaje de 1 voltio en una distancia
de 1 metro.
Equivalencias: 1 eV = 1.602 176 462 x 1019 Joule
1 Joule = 6.242 x 1018 eV
Mediante la relación E=mc2, se tiene:
1 u = 1.660 x 1027 kg (3 x 108 m/s)2
= 1.491 x 1010 J
= 1.494 x 1010 (6.242 x 1018) eV
= 931.49 MeV
Interpretación: si un neutrón o protón, íntegramente se transformaran en
energía, el valor aproximado sería 931.49 MeV.

Tablas de masas atómicas y nucleares
1.007 825
Hidrógeno
0.510 999 1
5.485 799 x 104
9.109 390 x 1031
Electrón
2.014 102
1.008 665
1.007 276
Masa (u)
Deuterio
939.565 6
1.674 929 x 1027
Neutrón
938.272 3
1.72 623 x 1027
Protón
MeV/c2
Masa (Kg
Partícula
18
O
17
O
15
O
15
N
14
N
Elemento
17.999 160
16.999 131
15.003 065
15.000 109
14.003 074
Masa (u)
238
U
234
Th
220
Rn
216
Po
197
Au
Elemento
238.050 785
234.043 593
220.011 368
216.001 888
196.966 543
Masa (u)
9.012 182
9
Be
7.016 003
7
Li
12. 000 000
12
C
13.003 355
13
C
4.002 603
4
He
Masa (u)
Elemento
Tabla 2. Masas de los nucleones en varias unidades
Tabla 3. Masas atómicas de algunos nucleidos

RADIACION y RADIACTIVIDAD
Radiación: es energía en tránsito en la forma de partículas de alta velocidad y
ondas electromagnéticas. (ondas de: luz visible, radio, televisión, ultra violeta,
microndas, etc).

RADIACION y RADIACTIVIDAD
Radiactividad: La radioactividad en un fenómeno físico natural o artificial, por
el cual ciertas sustancias son capaces de emitir energía y/o partículas sub
nucleares. Dependiendo del tipo de partícula se denomina radiación: alfa,
beta gama.
Esta forma de radiación tiene la propiedad de impresionar placas fotográficas,
ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz
ordinaria, etc.

Clasificación de la Radiactividad
Radioactividad natural
Emisión espontánea de partículas alfa, beta, neutrones o fotones
que se produce en ciertas sustancias (uranio, el radio, el torio,
potasio,tritio, etc)
Esta emisión espontánea se produce en el tiempo y es característica
de cada elemento.
Radioactividad artificial
Se produce la radiactividad artificial cuando se bombardea el núcleo
de elementos estables con partículas (n, p, a, g) los cuales forman
un nuevo elemento en estado nuclear inestable.
También se produce radiactividad artificial en ciertas máquinas
(equipos de rayos X, aceleradores de partículas).

Tipos de decaimiento nuclear
Los núcleos radiactivos se desintegran (decaen) de manera
espontánea mediante uno de los tres procesos siguientes:
a) Decaimiento Alfa (a)
b) Decaimiento Beta (b)
c) Desintegración Gamma (g)

Decaimiento Alfa (a)
Proceso en la cual un núcleo radiactivo emite una partícula conformado
por 2 protones y 2 neutrones (Z<58).
En este proceso el número atómico, Z, decrece en 2 unidades y el número
de masa, A, decrece en 4 unidades.
Se expresa como:
He
Y
X A
Z
A
Z
4
2
4
2 +
® -
-
Ejemplos:
He
U
Pu 4
2
236
92
240
94 +
®
He
Rn
Ra 4
2
222
86
226
88 +
®
He
Th
U 4
2
234
90
238
92 +
®
He
U
Pu 4
2
235
92
239
94 +
®
#
prot
ons
#
nucleons
2
3
4
2
3
5
2
3
6
2
3
7
2
3
8
238
U
234
Th
92
91
90
144 145 146
#
prot
ons
# neutrons
#
nucleons
2
3
4
2
3
5
2
3
6
2
3
7
2
3
8
adecay

Decaimiento Beta (b-)
Proceso en la cual un núcleo radiactivo emite un electrón debido a la
desintegración de un neutrón en un electrón y un protón.
El protón permanece en el núcleo y el electrón es eyectado al exterior,
denominándose partícula b.
En este proceso, Z aumenta en 1 unidad y A se mantiene constante.
Se expresa como:
_
1 n
+
+
® -
+ e
Y
X A
Z
A
Z
Ejemplos:
_
14
7
14
6 n
+
+
® -
e
N
C
_
228
89
228
88 n
+
+
® -
e
Ac
Ra
#
prot
ons
#
nucleons
8
6
8
7
8
8
87
Rb
87
Sr
38
37
49 50
#
prot
ons
# neutrons
#
nucleons
8
6
8
7
8
8
bdecay
_
87
38
87
37 n
+
+
® -
e
Sr
Rb

Decaimiento Beta (b+)
Proceso en la cual un núcleo radiactivo emite un electrón positivo
(positrón) debido a la desintegración de un protón en un positrón y en
un neutrón.
El neutrón permanece en el núcleo y el positrón es eyectado al exterior,
denominándose partícula b+.
En este proceso, Z disminuye en 1 unidad y A se mantiene constante.
Se expresa como:
n
+
+
® +
- e
Y
X A
Z
A
Z 1
Ejemplos:
n
+
+
® +
e
N
C 12
6
12
7
18O
18F
9
8
# n eut ron s
#
pr
ot
on
s
b+d ecay
n
+
+
® +
e
O
F 18
8
18
9

Decaimiento Gamma (g)
Proceso en la cual un núcleo radiactivo emite un fotón desde un estado
energético excitado.
En este proceso, tanto Z como A, se mantienen constantes (el elemento
mantiene su identidad).
Se expresa como:
g
+
® X
X A
Z
A
Z *
Ejemplos:
_
12
6
12
5 n
+
+
® -
e
C
B
g
+
® C
C 12
6
12
6 *

Captura electrónica (CE)
Mecanismo alternativo al decaimiento Beta Positivo:
Un núcleo disminuye su número de protones y aumenta su número de neutrones
por medio de la captura de uno de sus electrones extranucleares (capa K con
preferencia, pero también L y M).
El electrón capturado se reúne con un protón + emisión de un neutrino + energía
(rayos x).
Ejemplo:
El 40K por CE llega a 40Ar
RayoX
n
e
p +
+
®
+ -
n
1
1
50V
50
Ti
23
22
# n eut ron s
#
pr
ot
on
s
elect ron cap tu re

Decaimiento Combinado

Resumen de los diferentes tipos de decaimiento

Número de Neutrones (N)
Número
Atómico
(Z)
Isótopos
Isotones Isóbaros
Masa atómica (A) = Z + N
TABLA DE RADIONUCLEIDOS

TABLA DE RADIONUCLEIDOS

Tabla de radionucleidos

Reglas de la estabilidad nuclear
Núcleos con número par de protones y par de neutrones son más estables
que los asociados con impares.
Esta afirmación proviene de contabilizar la abundancia isotópica en la Tabla
Periódica que da como resultado los siguientes valores:
impar
impar
5
par
impar
50
impar
par
52
par
par
157
Neutrones
Protones
Cantidad de
isótopos estables
Todo núcleo con más de 84 protones ( Zat >84) es inestable.
Ejemplo, 92U, todos sus isótopos son inestables.
Núcleos de isótopos con un total de 2, 8, 20, 50, 82, 126 protones o
neutrones, son más estables que sus vecinos de la Tabla Periódica.
Estos números se denominan “números mágicos” de los núcleos.
He
4
2 Ca
40
20 Pb
208
82
Ejemplo:

Reglas de la estabilidad
La estabilidad de un núcleo
puede correlacionarse con la
razón neutrones/protones en
cada átomo.
Esto es:
Desde n/p=1 (para Z=1,…,10)
hasta n/p = 1.52 (para Z=83)

N
dt
dN
l
-
=
N = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t
l = constante de decaimiento = probabilidad de que un átomo
radiactivo decaiga por unidad de tiempo (unidades: s–1)
N
dt
dN
µ
- ó
Leyes de la radiactividad
Radiactividad: Transformación espontánea de un elemento en otro.
Rutherford y Sodd (1902) establecieron que:
Cada nucleido inestable tiene una probabilidad fija de decaer, e
independiente de la T, P, C, etc...
Esto quiere decir que el número de decaimientos por unidad de tiempo
debe ser proporcional al número de átomos radiactivos presentes:
Por lo tanto, la tasa de decaimiento en un sistema cerrado es

N
dt
dN
l
-
=
N = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t
l = constante de decaimiento = probabilidad de que un átomo decaiga por
unidad de tiempo (unidades: s–1)
No= número de átomos radiactivos iniciales (t=0)
t
oe
N
N l
-
=
Arreglando e
integrando
¿Y si quisiéramos saber el tiempo transcurrido para que el número de
átomos radiactivos se redujera en la mitad?
l
2
ln
2
/
1 =
t
Periodo de semidesintegración (t½)
Leyes de la radiactividad

Periodo de semidesintegración (T1/2 )
Tiempo en el cual el poder emisor de una sustancia radiactiva decae a la
mitad de su valor inicial.
beta
1.4 segundos
36
94
Kr
gamma
5.271 años
27
60
Co
beta
118 segundos
8
15
º
beta
40 horas
57
140
La
beta
8.0 días
53
131
I
beta
12.5 años
56
140
Ba
beta
12.3 años
1
3
H
beta
19.9 años
38
90
Sr
beta
5568 años
6
14
C
alfa
2.2x106
años
93
237
Np
alfa
4.5x109
años
92
238
U
Radiación
Período
Nucleido
2
/
1
)
2
ln(
T
=
l

La actividad (A) de una fuente radiactiva se define como el número de
núcleos (N) que decaen en la unidad de tiempo; es proporcional al
numero de núcleos radiactivos presente :
l: es la constante de decaimiento (propio de cada radioisótopo)
Integrando:
N
dt
dN
A l
-
=
=
ò
ò -
=
t
N
N
dt
N
dN
0
0
l
Ecuación de decaimiento radiactivo
(1)
t
N
N
l
-
=
)
ln(
0
t
e
N
N l
-
= 0
t
e
A
A l
-
= 0
Aplicando antilogaritmo natural:
Multiplicando por l y renombrando términos
(4)
(3)
(2)

La ecuación (4) se usa para determinar la actividad radioactiva de una
muestra al cabo de un cierto tiempo t, donde A0 es la actividad
radiactiva inicial para t = 0
En el Sistema Internacional la unidad de actividad radioactiva es el
Becquerel [Bq], definido como una desintegración por segundo.
El Curi [Ci], definido como: 3,7 x 1010 desintegraciones por segundo
(unidad referida a la actividad de 1g de Radio).
1 Ci = 3.7 x 1010 Bq
t
e
A
A l
-
= 0
Ecuación de decaimiento radiactivo

Ecuación secular
En una cadena de decaimiento radiactivo, los nucleidos de una muestra
original (nucleidos padre) decaen en nuevos nucleidos (nucleidos hijo); los
que pueden seguir decayendo en otros nucleidos hijo o estos pueden ser
estables.
Consideremos la siguiente cadena de decaimiento:
Np Nh Ne
lp lh
Tp(1/2) Th(1/2)
Con las condiciones iniciales: Np(0)= Np , Nh (0)= 0.
El sistema de ecuaciones diferenciales que expresan la tasa de
decaimiento de los nucleidos padre e hijo son:

Ecuación Secular
p
p
p
N
dt
dN
l
-
=
h
h
p
p
h
N
N
dt
dN
l
l -
=
Cuya solución esta dado por:
t
p
p
p
e
N
t
N
l
-
= )
0
(
)
(
)
(
)
0
(
)
( t
t
p
h
p
p
h
h
p
e
e
N
t
N l
l
l
l
l -
-
-
-
=
En términos de actividad:
t
p
p
p
e
A
t
A
l
-
= )
0
(
)
(
)
(
)
0
(
)
( t
t
p
h
h
p
h
h
p
e
e
A
t
A l
l
l
l
l -
-
-
-
=
(5)
(6)
(8)
(7)
(9)
(10)

Ecuación Secular
Si Tp(1/2) es mucho mayor que Th(1/2), el decaimiento de la actividad del
padre es despreciable respecto del tiempo de observación del
experimentador.
Un ejemplo es el caso del 226Ra (Tp(1/2)= 1620 años) el cual decae en 226 Rn
(Tp(1/2)= 4.8 días).
En este caso se dice que se tiene un equilibrio secular, y la ecuación (10)
toma la forma:
)
1
(
)
0
(
)
( t
p
h
h
e
A
t
A l
-
-
» (13)

K , n = 1
L , n = 2
M, n = 3
N, n = 4
Partíc ula
c arg ad a, g
Exc itació 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).
INTERACCION DE LA RADIACION CON LA MATERIA

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)

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

ν
β
γ
γ
β
ν
n
235
92 U
2 MeV
n :
0.1 eV
n :
235
92 U
235
92 U
M
o
d
e
r
a
t
o
r
Moderator
FISION NUCLEAR

Rendimiento de Fisión
)
(
2 1
0
94
38
140
54
235
92
1
0 n
Sr
Xe
U
n +
+
®
+
)
(
3 1
0
101
42
132
50
235
92
1
0 n
Mo
Sn
U
n +
+
®
+

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