INDICE

1. Tema 1. INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES. NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

2. INDICE • INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES • NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN. • Estructura atómica y nuclear • Radiación electromagnética • Radiactividad y reacciones nucleares • INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA MATERIA • Interacción de partículas cargadas con la materia • Interacciona de fotones con la materia • Interacción de neutrones con la materia

3. WILHELM K. RÖENTGEN alrededor de 1895, y la radiografía de la mano de su esposa mostrando el anillo de boda INTRODUCCIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES DESCUBRIMIENTO RADIACTIVIDAD 1896 LOS RAYOS X 1895 HENRY BECQUEREL, en 1896, descubre la radiactividad natural (un mineral de Uranio emite una radiación similar a los rayos X)

4. RADIACTIVIDAD NATURAL Y ARTIFICIAL ESPOSOS CURIE aportan grandes conocimientos; separan radio y polonio. Premio Nobel 1903 RUTHERFORD descubre la naturaleza nuclear de la radiactividad y sus emisiones: a, by g (1899). Transforma los elementos químicos Premio Nobel 1908 JOLIOT-CURIE 1934, descubren radiactividad artificial bombardeando átomos con partículas a. Premio Nobel 1935 ENRICO FERMI Desde 1934 investiga la radiactividad artificial. Premio Nobel 1938

5. LA RADIACIÓN IONIZANTE ES LA RADIACIÓN NATURAL ¡¡¡UNA FUERZA DE LA NATURALEZA!!!

6. ¡¡EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD MODIFICA EL CONCEPTO DEL MUNDO, DESDE EL ÁTOMO HASTA EL UNIVERSO!! • El átomo está formadopor partículas • Se pueden transformarunos átomos en otros • Del núcleo atómico se puede extraer una gran cantidad de energía • Las radiacionesionizantes tienen unas propiedades particulares que pueden serutilizadas para obtener beneficios: medicina, agricultura, industria, centrales nucleares, armas...

7. NATURALEZA Y TIPOS DE RADIACIÓN LA RADIACIÓN IONIZANTE: radiación que deposita energía en el medio provocando ionizaciones en los átomos del medio La radiación ionizante es capaz de arrancar electrones a los átomos. ¿CÓMO SON LOS ÁTOMOS?

8. LA RADIACIÓN IONIZANTE: radiación que deposita energía en el medio provocando ionizaciones en los átomos del medio. La radiación ionizante es capaz de arrancar electrones a los átomos. EL ÁTOMO EL NÚCLEO NEUTRÓN (0) PROTÓN (+) : Z = nº protones; define el átomo En el núcleo se concentra prácticamente toda la masa del átomo. CORTEZA ELECTRÓNICA: ELECTRÓN (-) El electrón, 1836 veces más ligero que el protón o el neutrón, se encuentra alrededor del átomo en niveles de energía estacionarios. En condiciones normales el átomo es eléctricamente neutro (nº protones=nº electrones) y los electrones están en los niveles energéticos posibles de menor energía. El átomo es la cantidad más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas. ¡¡IONIZACIÓN!!Proceso mediante el cual el átomo pierde electrones, adquiriendo carga eléctrica. A X Z

9. 12 C CARBONO 6 A X Z EL ÁTOMO: • NÚMERO ATÓMICO Z = NÚMERO DE PROTONES: define el átomo Ejemplo: Carbono: Z=6 • NÚMERO MÁSICO A = NÚMERO DE PROTONES + NEUTRONES: Define la masa del átomo Ejemplo: Carbono: A=12

10. EL ÁTOMO: LA TABLA PERIÓDICA

11. EL ÁTOMO:NÚCLEO ESTABILIDAD NUCLEAR: Compensación: * FUERZAS REPULSIÓN ++ (protones) * FUERZAS NUCLEARES DE ATRACCIÓN Los nucleones pueden existir en diversos estados de energía muy definidos. El estado que corresponde al nivel de energía más bajo es el estado fundamental NÚCLEO INESTABLE: emite partículas o radiación para alcanzar la estabilidad: RADIACTIVIDAD. Depende: nº de nucleones y su estado de energía

12. EL ÁTOMO:NÚCLEO ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR: La masa del núcleo atómico es menor que la suma de las masas de sus componentes (protones + neutrones): defecto másico o energía de amarre Energía necesaria para romper un núcleo en sus componentes separadamente ( Z protones y N neutrones): ¡¡La diferencia de masa se transforma en energía!! Ej: Deuterio 2H E = mc2 Masa núcleo: 2,014102 u.a.m. Masaprotón: 1,007277 u.a.m.; Masaneutrón: 1,008665 u.a.m. Masa núcelo – (Masaprotón + Masa neutrón) = 2,014102 - 2,016491 u.a.m. = - 0,002389 u.a.m. = 2,23 MeV

13. EL ÁTOMO: ISÓTOPOS CARBONO: Z=6; A=14 CARBONO: Z=6; A=12 ISÓTOPOS son aquellos átomos que perteneciendo al mismo elemento (igual número atómico) tienen distinto nº de neutrones (diferente masa).

14. EL ÁTOMO:CORTEZA ELECTRÓNICA Átomo excitado: el electrón está en niveles energéticos superiores El átomo se desexcitará -un electrón de un nivel energético superior pasa a ocupar la vacante en el nivel energético inferior- emitiendo un fotón de energía igual a la diferencia de energía de los niveles inicial y final.

15. + E 4 E 3 E E 2 1 IONIZACIÓN: ÁTOMO IONIZADO EL ÁTOMO:CORTEZA ELECTRÓNICA Átomo ionizado: un electrón adquiere energía suficiente (potencial de ionización) y se escapa del átomo. El átomo queda cargado positivamente.

16. UNIDADES EN FÍSICA ATÓMICA Mili = 10-3 Micro = 10-6 Nano = 10-9 Pico = 10-12 Fermi = 10-15 1 u.m.a. = Unidad atómica de masa= 1/12 átomo 12C (Carbono con 6 p + 6 n) Kilo = 103 Mega = 106 Giga = 109 1 eV= energía cinética que adquiere un e, inicialmente en reposo, cuando se le somete a una diferencia de potencial de 1 voltio.

17. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: • La RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA es un transporte de energíaa través del espacio que puede ser interpretar de dos maneras (naturaleza dual): • como una ONDA combinación de un campo eléctrico y otro magnético • como pequeños paquetes (FOTONES)de energía, sin soporte material A mayor energía de los fotones mayor frecuencia de la onda. Viajan a la velocidad de la luz- Órdenes de magnitud de la energíaque transportan los fotones: Microondas: 0,0001-0,01 eV Luz visible: 1 eV Rayos X: 1.000-100.000 eV Rayos gamma:10.000-1.000.000 eV La radiación X y gamma posee suficiente energía como para “arrancar” electrones a los átomos del medio de forma significativa: radiaciones ionizantes

18. LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Dos campos:eléctrico y magnético *se engendran secuencialmente por inducción * planos de propagación perpendiculares. La velocidad de propagación en el vacío de tales ondas, c, es una constante fundamental, cuyo valor es aproximadamente: c = 3 x 108 m/s

19. LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA fotones o cuantos de radiación La energía que transporta un fotón es proporcional a la frecuencia de la onda asociada. h = 6,626 · 10-34 J · s = 4,136 · 10-15 eV · s

20. ORIGEN DE LOS RAYOS X: • Cuandoel átomo tiene exceso de energía, ésta se puede emitir por los electrones de la cortezaen forma de radiación electromagnética. En ocasiones la energía emitida corresponde al espectro de los rayos X (fotones de alta energía) • Cuando los electrones que penetran en algún medio material se frenan (éste es el fundamento de los equipos de rayos X). FUNDAMENTO DE LOS EQUIPOS DE RAYOS X

21. LA RADIACIÓN IONIZANTE PROVIENE DE: LA RADIACTIVIDAD: Radiaciónalfa, beta y gamma. emisión de partículas o radiación electromagnética de alta energía debida a la inestabilidad de los núcleos atómicos. La radiación electromagnética de alta energía: Rayos X y rayos gamma

22. RADIACTIVIDAD Y REACIONES NUCLEARES Emisión espontánea de partículas o radiación por núcleos atómicos inestables. >> el núcleo se transforma dando lugar a otro núcleo estable o inestable. UN NÚCLEO PUEDE SER INESTABLE POR: desequilibrio entre sus componentes (PROTONES y NEUTRONES) exceso de ENERGÍA RADIACTIVIDAD NATURAL: propia de los cuerpos tal y como aparecen en la naturaleza. Uranio (232U), Carbono-14 (14C), Potasio-40 (40K) RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL: núcleos que han alcanzado la inestabilidad mediante el bombardeo con partículas

23. 226 Ra 88 1602 años  222 Rn 86 3.823 dias  3.05 minutos 218 Po 84  2 segundos 26.8 minutos 99.98% 0.02% 214 Pb 82 218 At 85   214 Bi 83 19.7 minutos 164 microseg. 1.3 minutos 99.98%  0.02%  214 Po 83 210 Tl 81  210 Pb 82  21 años  5.01 dias 210 Bi 83 138.4 dias 4.19 minutos 100% 0.000134%   210 Po 84 206 Tl 81 206 Po 82   Estable

24. núcleo estable núcleo inestable núcleo inestable transformándose ACTIVIDAD: nº de transformaciones nucleares por unidad de tiempo (Bequerelio=Bq= nº transformaciones/s) • = probabilidad de que un átomo se desintegre por unidad de tiempo; N = nº átomos A = N x l Comportamiento exponencial A = A0 e-(l.t)

25. t1/2 t1/2 núcleo inestable núcleo estable PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: Ritmo de desintegración: tiempo que ha de transcurrir para que la actividad de la muestra decaiga a la mitad T1/2 = ln ( 2)/ l A mayor l menor t1/2 A menor l mayor t1/2 232Th(torio) T1/2 = 14.000 M. de años 137Cs (cesio) T1/2 = 30,2 años 60Co (cobalto) T1/2 = 5,26 años 222Rn (radón) T1/2 = 4 días 124In (indio) T1/2 = 3 segundos

26. Las sustancias radiactivas se transforman en estables CADA radionucleido SE CARACTERIZA POR SU PERIODO DE SEMIDESINTEGRACION El número inicial de átomos radiactivos se reduce a la mitad a cada paso de un tiempo T (período de semidesintegración) T1/2 = ln ( 2)/ l

27. TIPOS DE DESINTEGRACIONES:  NÚCLEOS DE HELIO 1) DESINTEGRACIÓN ALFA POCO PENETRANTES: una hoja de papel o unos centímetros en aire la frenan • - Depositan toda su energía en un recorrido muy corto. • Propias en la desintegración de núcleos pesados. • Suelen ir acompañadas de desintegración gamma 235 U (Uranio) 241 Am (Americio) 226 Ra (Radio) 222 Rn (Radón)

28. TIPOS DE DESINTEGRACIONES: 2) DESINTEGRACIÓN BETA - : ELECTRONES + : POSITRONES MÁS PENETRANTE: una lámina de aluminio o unos metros en aire la frenan • - Depositan su energía en un recorrido más largo. • Se producen en núcleos con exceso de neutrones () o de protones () • Suelen ir acompañadas de desintegración gamma 137Cs (Cesio) 60 Co (Cobalto) 14C (Carbono) 32 P (Fósforo) 3 H (Tritio) 22Na (Sodio) 11C (Carbono) 15O (Oxígeno) 13N (Nitrógeno)

29. TIPOS DE DESINTEGRACIONES: 3) DESINTEGRACIÓN GAMMA: ENERGÍA (ondas electromagnéticas) MUY PENETRANTE : requiere materiales densos y pesados (una lámina de plomo, hormigón, etc.) para ser absorbidos. Un núcleo con un exceso de energía puede de forma espontánea emitir radiación . 137 Cs (Cesio) – (b -) Ba-137 60 Co (Cobalto) – (b -) Ni –60 99m Tc (Tecnecio)

30. REACCIÓN NUCLEAR Bombardeo nuclear con partículas o fotones de alta energía. El núcleo resultante puede ser inestable: ¡RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL! B( p, p´)X BLANCO (proyectil, partícula o fotón desprendido) NÚCLEO RESIDUAL • ¡Transmutación de la materia! • ¡Obtención de gran cantidad de energía!

31. REACCIÓN NUCLEAR REACCIONES DE DISPERSIÓN:El proyectil se dispersa. No hay núcleo compuesto * Colisión mecánica elástica: no hay alteración nuclear * Colisión inelástica: núcleo excitado CAPTURARADIATIVA: El núcleo compuesto emite radiación gamma (1 fotón o cascada de fotones) 113Cd (n, γ) 114Cd EMISIÓN DE PARTÍCULAS: El núcleo compuesto emite partículas (Típica de núcleos ligeros. En núcleos pesados hay una barrera coulombiana mayor) 6Li(n,a)3H14N(n,p)14C FOTODESINTEGRACIÓN:El proyectil es un fotón

32. REACCIÓN NUCLEAR El núcleo compuesto se escinde en varios fragmentos asimétricos emitiendo neutrones FISIÓN: Ej.: 235 U bombardeado con un neutrón; en su fragmentación emite otros neutrones Fermi fue el primero en conseguir una reacción en cadena en un reactor nuclear. Universidad de Chicago, 1942 FUSIÓN: Varios núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado

33. RADIACIONES IONIZANTES

34. INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN IONIZANTE CON LA MATERIA • DEPENDE: • PARTÍCULA/FOTÓN (masa, carga, energía) y • 1) Partículas cargadas • 2) Partículas (con masa) sin carga • 3) Fotones (energía sin soporte material) • MEDIO de interacción • (densidad, componentes, estado físico)

35. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA ¡INTERACCIÓN COULOMBIANA! • TIPOS DE COLISIÓN: • COLISIÓN ELÁSTICA • (sin alteración atómica ni nuclear) • COLISIÓN INELÁSTICA • (provoca ionización y excitación) • COLISIÓN RADIATIVA • (emisión de radiación electromagnética)

36. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA 1. COLISIÓN ELÁSTICA: No se produce alteración atómica ni nuclear. Se conserva la cantidad de movimiento y la energía.

37. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA 2. COLISIÓN INELÁSTICA: La partícula choca con el átomo provocando: 1 1 2 1 1 2 2 2 EXCITACIÓN IONIZACIÓN

38. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA 3. COLISIÓN RADIATIVA: La partícula se frena ante las proximidades de un núcleo atómico y emite radiación

39. ALCANCE INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA PODER DE FRENADO : Energía que pierde una partícula determinada en un medio dado por unidad de longitud recorrida: S(E) = - dE/dx ALCANCE: Recorrido total de una partícula determinada en un medio dado, supuesta la trayectoria rectilínea.

40. NO N INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA x = longitud recorrida m = Coeficiente de atenuación lineal=probabilidad de interacción por unidad de recorrido ATENUACIÓN: N = N0 e -m x • Fórmula válida si: • Fotones monoenergéticos • Haz colimado • Absorbente delgado Cuando la radiación electromagnética (Rayos X ó γ ) penetra en un medio natural disminuye el número de fotones por unidad de recorrido (ATENUACIÓN)debido a dispersiones y absorciones.

41. d1/2 INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA COEFICIENTE DE ATENUACIÓN MÁSICO: mm = m/r(cm 2/g) Ley de atenuación: N = N0e-mmxm; donde xm= xr ESPESOR DE SEMIRREDUCCIÓN: Grosor del material que consigue atenuar el haz (monoenergético) a la mitad: d1/2= Ln (2) / m = 0.693/ m

42. + INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA 1. EFECTO FOTOELÉCTRICO : • El fotóninteracciona con un electrón de las capas más cercanas al núcleo, cediéndole toda su energía. • El electrón, si la energía es suficiente, se escapa del átomo. • El átomo queda ionizado. Un electrón de las capas más alejadas ocupa su lugar emitiendo radiación electromagnética EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS BAJAS (E < 100 keV)

43. INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA 2. EFECTO COMPTON : + • El fotóninteracciona con un electrón poco ligado, cediéndole parte de su energía. • El electrón se escapa del átomo. • El átomo queda ionizado. EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS INTERMEDIAS (100<E<1.000 kev)

44. - + INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA 3. CREACIÓN DE PARES : • El fotón, si su energía es superior a 1.022 keV, y en presencia de un núcleo atómico, se materializa en un electrón y un positrón. • El electrón interacciona en el medio. • El positrónse aniquila con un electrón, emitiendo dos fotones de 511 keV cada uno. - EFECTO DOMINANTE A ENERGÍAS ALTAS ( E>1.022 keV )

45. Aumenta Densidadmaterial Coeficiente de atenuación Aumenta Energía fotón Aumenta Zdel material DISMINUYE (1/E3) AUMENTA AUMENTA(r) FOTOELÉCTRICO PRÁCTICA-MENTE NO VARÍA DISMINUYE (1/E) COMPTON AUMENTA(r) CREACIÓN DE PARES AUMENTA AUMENTA AUMENTA INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA m = Coeficiente de atenuación lineal= Probabilidad de que un fotón sufra una interacción en el medio

46. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA: LOS NEUTRONES Partículas sin carga ->¡Gran penetración en la materia! 1. DISPERSIONES ELÁSTICAS CON LOS NÚCLEOS DEL MATERIAL: Ej.: núcleos de hidrógeno-> protones de retroceso Los neutrones van perdiendo energía -> la energía cinética media de los átomos o moléculas del medio Neutrones de baja energía: neutrones térmicos 2. DISPERSIONES INELÁSTICAS: El núcleo, después del choque, queda en estado excitado -> emisión, en general, de un fotón gamma 3. ABSORCIÓN DEL NEUTRÓN POR UN NÚCLEO DEL MATERIAL: Reacciones nucleares ( captura radiativa, emisión de partículas o fisión): 6Li (n, α) 3He ; 10B (n, α) 7Li ; 27Al (n, p) 27Mg ; 113Cd (n, γ) 114Cd