Radioactividad

La radiactividad (del francés radioactivité ; del latín radiare «irradiar» y activus «activo», «eficaz»; derivado de «actividad radiativa») es la propiedad de los núcleos atómicos inestables de emitir espontáneamente radiación ionizante. El núcleo de un átomo se transforma en otro núcleo emitiendo partículas o cambia su estado liberando energía. La radiación ionizante emitida por este proceso se denomina coloquialmente «radiación radiactiva».

El término radiactividad fue acuñado por primera vez en 1898 por el matrimonio formado por Marie Curie y Pierre Curie para referirse a un fenómeno descubierto dos años antes por Antoine Henri Becquerel.  El proceso de transformación también se llama desintegración radiactiva o fisión nuclear . Los tipos de átomos con núcleos inestables se denominan radiactivos.

La energía liberada durante el proceso de conversión se libera como energía cinética de las partículas emitidas (principalmente partículas alfa o beta) o como energía radiante de los rayos gamma. Se conoce el tipo y el espectro energético de la radiación del radionúclido en cuestión. Estos tipos de radiación no son directamente perceptibles para los humanos –al igual que los rayos cósmicos y los rayos X– y, dependiendo de las circunstancias, pueden ser dañinas (ver daños por radiación, efectos de la radiación) o beneficiosas (ver, por ejemplo, esterilización por radiación, terapia con radionúclidos, braquiterapia).

Después de que cada núcleo ha sido radiactivo durante un cierto período de tiempo, su vida media, su cantidad y con ella su actividad, se han reducido a la mitad. Las vidas medias pueden variar desde una fracción de segundo a un cuatrillón de años.

Los radionucleidos existen en la naturaleza. Pero también surgen como ejemplos. B. En reactores nucleares o por la explosión de armas nucleares. Pueden producirse específicamente en aceleradores de partículas. Se utilizan, por ejemplo, materiales radiactivos. En baterías de radionúclidos y elementos de calentamiento para proporcionar energía para viajes espaciales, así como en medicina nuclear y radioterapia. En arqueología, la desintegración radiactiva se utiliza para determinar la edad, por ejemplo con el método del radiocarbono.

Tabla de contenido

Uso de términos

Desintegración radiactiva

El término «desintegración radiactiva» se refiere originalmente a la disminución de la intensidad de la radiación observada de un radionúclido a lo largo del tiempo (a menos que el radionúclido se regenere constantemente mediante otros procesos). También se utiliza para reducir los niveles de radionúclidos.

Técnicamente, la transformación espontánea de cualquier núcleo atómico –y a veces cualquier cambio espontáneo en el estado de un sistema mecánico cuántico descrito– también se conoce como desintegración, por ejemplo. B. Hoy en día se utiliza el término “desintegración gamma” para referirse a la emisión de un único cuanto gamma. En sentido literal, se trata menos de una cuestión de desintegración que de la transformación del núcleo de un átomo o de un sistema.

Materiales radiactivos y radiación

En el lenguaje cotidiano y en los debates públicos a menudo no se hace distinción entre materiales radiactivos y su radiación. Esto es lo que se llama radiación radiactiva . ^[3] [4] Estrictamente hablando, esta combinación de palabras es incorrecta, porque no es la radiación en sí la que es radiactiva, sino más bien los materiales ( radiadores ) que escapan a ella. La radiación ionizante se refiere a materiales radiactivos . Para este caso se podría utilizar el término rayos Becquerel . ^[5]

Los informes de accidentes nucleares a menudo se refieren a fugas de radiación , ^[6] [7] aunque más a menudo se refieren a materiales radiactivos liberados involuntariamente, como el cesio-137 y el yodo-131. Estas pueden ser significativamente más peligrosas, por ejemplo si son absorbidas por el cuerpo humano, que la radiación emitida por el propio sistema.

Historia

En 1896, Antoine Henri Becquerel, mientras intentaba explicar los rayos X recién descubiertos como un fenómeno de fluorescencia, descubrió que las sales de uranio oscurecían las placas fotográficas incluso sin exposición previa. Esto descartó la fluorescencia como causa. Como descubrió más tarde, esta nueva radiación podría penetrar materiales opacos e ionizar el aire, sin verse afectada por los cambios de temperatura o los tratamientos químicos de la muestra. En 1898, Marie y Pierre Curie aislaron la radiactividad del óxido de torio y de dos sustancias desconocidas, mucho más potentes, que denominaron radio y polonio.

En 1898, Ernest Rutherford, al examinar el poder de penetración, logró ^{distinguir entre dos componentes de la radiación, que llamó radiación α-(alfa) y β-(beta). [8]} En 1899, Stefan Mayer y Egon Schüdler, así como Friedrich Geisel, pudieron demostrar que se desvían en direcciones opuestas en los campos magnéticos. En 1900, Paul Willard descubrió un tercer componente que no era desviado por los campos magnéticos y era muy penetrante. Rutherford acuñó el término radiación γ (gamma) para este tercer tipo de radiación en 1903. ^[9] En 1909 se demostró que la radiación alfa estaba compuesta de núcleos de helio y la radiación beta estaba compuesta de electrones. La suposición de que los rayos gamma son radiación electromagnética no fue confirmada hasta 1914 por Rutherford y Edward Andrade.

Ya en 1903, seis años antes del descubrimiento de los núcleos atómicos, Rutherford y Frederick Soddy propusieron una hipótesis según la cual la radiactividad estaba asociada a la transmutación de los elementos (transmutación). En 1913, Casimir Fajans y Frederick Soddy formularon los teoremas de desplazamiento radiactivo . Estos describen el cambio en la masa y el número atómico durante la desintegración alfa y beta, con lo cual la serie de desintegración natural puede explicarse como una secuencia paso a paso de estos procesos de desintegración.

En 1933, Irène y Frederic Joliot-Curie consiguieron crear por primera vez nuevos elementos radiactivos. Al bombardear las muestras con partículas α, pudieron producir núcleos que no existen en la naturaleza debido a su corta vida media. En sus experimentos de 1934, descubrieron un nuevo tipo de desintegración beta en la que se emitía un positrón en lugar de un electrón. Desde entonces se ha ^{establecido una distinción entre radiación β +} y β- .

En 1980, Aureliu Sandulescu, Dorin N. Poenaru y Walter Greiner ^{predijeron, basándose en consideraciones teóricas, un nuevo tipo de radiactividad en el que los núcleos más pesados ​​emiten partículas α. [10]} La primera evidencia experimental de dicho colapso de cúmulos fue obtenida por H.G. Rose y George Arnold Jones en 1983 en la Universidad de Oxford. ^[11] Observaron que ^{el 223} Ra, que normalmente es un emisor α, rara vez se desintegra ^{a 14} , emitiendo un núcleo a ^{209 °C.}

Fundamentos físicos

Estabilidad

Existen en la naturaleza ^[12], según el conocimiento actual, 255 nucleidos estables y alrededor de 100 núcleos inestables ^[13] . En total, se conocen unos 3.000 núcleos radiactivos (radionucleidos). ^[14] Por tanto, se ha demostrado que la gran mayoría de todos los núcleos conocidos son radiactivos.

Si no se observa radiactividad en un núcleo, existen dos posibilidades:

• El nucleido es estable en sentido absoluto. Es decir, dado el estado del conocimiento en física, no existe ningún estado de baja energía al que pueda llegar (decaimiento).
• En teoría, el núcleo puede desintegrarse, pero hasta el momento no se ha establecido definitivamente ningún evento de desintegración claro ni ningún producto de desintegración ( nucleidos observacionalmente estables ).

Un ejemplo del primer tipo es el helio-4. Un ejemplo del segundo tipo es el plomo-208, que es el núcleo nuclear más pesado que se ha demostrado que no se ha desintegrado. Su desintegración alfa ²⁰⁸ Pb → ²⁰⁴ Hg + α libera alrededor de 0,5 MeV de energía. La estimación de la vida media basada en diversas variantes de la ley de Geiger-Natal es de más de 10.100 años ^, es decir, al menos 1090 ^veces la edad del universo. Por lo tanto, es probable que esta decadencia nunca se observe. Hay otros núcleos que tienen posible desintegración pero no han sido observados. Por lo tanto, el número total de núcleos estables hoy en día (2020) aún es desconocido.

Todos los elementos hasta el plomo, excepto el tecnecio y el prometio, tienen uno o más isótopos estables. El número de isótopos estables llega a diez (estaño). Todos los elementos más pesados ​​que el plomo son inestables (radiactivos).

El efecto de la masa nuclear y la relación neutrón-protón

Sólo dos núcleos muy ligeros, el hidrógeno ordinario ^1H y el isótopo raro helio ^3He, son estables, con menos neutrones que protones. Todos los demás núcleos requieren al menos el mismo número para la estabilidad ( ⁶ Li, ¹⁰ B, ¹² C, ¹⁴ N ^{, 16} O, ²⁰ Ne, ²⁴ Mg, ²⁸ Si, ³² S, ³⁶ Ar y ⁴⁰ Ca), pero en su mayoría incluso más neutrones que protones. La relación media entre el número de neutrones y el número de protones aumenta con el aumento del número atómico desde 1:1 para los núcleos muy ligeros hasta 1,54:1 para los núcleos estables más pesados. Todos los núcleos con demasiados o muy pocos neutrones son inestables y, por lo tanto, radiactivos. Los núcleos con más de 208 partículas son siempre inestables.

Los núcleos más estables, es decir, aquellos con mayor energía de enlace por nucleón ^{, son 62} Ni, ⁵⁸ Fe y ⁵⁶ Fe. Los vecinos inmediatos como el B, ⁶³ Ni o ⁶⁰ Co, ya son radiactivos. Además de una proporción equilibrada de neutrones y protones, es importante que el número de neutrones y protones sea par (par y deseable) o impar (no apareado e indeseable). La energía de enlace se puede calcular aproximadamente utilizando la fórmula de Bethe-Weizsäcker.

Para los núcleos inestables, el método de su desintegración (descrito a continuación) se puede estimar:

• Alto número de neutrones: desintegración beta negativa. Con demasiada emisión directa de neutrones
• Muy pesado: desintegración alfa. Hasta cierto punto, desintegración del cúmulo o fisión espontánea (fisión)
• Demasiados protones: desintegración beta+ o captura de electrones. Con demasiada emisión directa de protones

La desintegración gamma suele producirse como un proceso posterior a una desintegración previa de otro tipo.

En general, cuanto más lejos esté el nucleido de la estabilidad, más corta será la vida media (áreas negras del diagrama de nucleidos).

Pérdida de tiempo debido a la descomposición

La desintegración radiactiva no es un proceso determinista. El tiempo de desintegración de cada núcleo atómico individual es aleatorio. ^[15] Sin embargo, existe para cada radionúclido una cierta probabilidad de desintegración (número por período de tiempo). En el caso de cantidades macroscópicas de materia, esto lleva a que la cantidad del núcleo disminuya exponencialmente y alcance una buena aproximación, como lo describe la ley de desintegración. La probabilidad de desintegración se puede indicar de forma indirecta, pero clara, mediante la vida media. yo El período después del cual la mitad de los núcleos de un conjunto inicial se han desintegrado. Las vidas medias radiactivas varían desde una pequeña fracción de segundo hasta billones de años. Cuanto más corta sea la vida media, mayor será la actividad de este nucleido para una cantidad determinada de material.

Si durante la desintegración no se forman núcleos estables o de larga duración, la actividad total de una cantidad parental puede aumentar varias veces. Este material se acumula con radionucleidos en cadena de desintegración, cada uno de los cuales tiene una actividad similar al proceso principal. Surge un equilibrio secular. Esto se hace en z. El B. ¹³⁷ Cs se desintegra al cabo de unos minutos, mientras que ^{el 232} Th dura varios años.

Relación entre la vida media y la actividad específica

Isótopo	Vida media [14]	Actividad específica de los nucleidos	Actividad especial de la serie Colapso	Caries en las mejillas
131 yo	8 techos	4.600.000.000.000 Bq/mg	4.600.000.000.000 Bq/mg	B –
137 C	30 años	3.200.000.000 Bq/mg	6.230.000.000 Bq/mg	B –
239 Pu	24110 años	2.300.000 Bq/mg	2.300.000 Bq/mg	A
235 Estados Unidos	704.000.000 años	80 Bq/mg	160 Bq/mg	a, b-
238 Estados Unidos	4.468.000.000 años	12 Bq/mg	37 Bq/mg	a, b-
232 °	14.050.000.000 años	4 Bq/mg	41 Bq/mg	a, b-

Fluctuaciones estadísticas

La actividad de una cantidad de materia A es el número esperado de desintegraciones N por período de tiempo. El número real de desintegraciones observadas en un intervalo de tiempo dado T fluctúa aleatoriamente alrededor del valor esperado N _T = A·T . La frecuencia con la que aparece un número particular k sigue una distribución de Poisson. Este es el proceso z. B. Detrás de la irregularidad crepitante del dispositivo de detección de contaminación (“contador Geiger”).

La distribución de Poisson se puede describir aproximadamente mediante una distribución gaussiana si la media es lo suficientemente grande. Desviación estándar en eventos de desintegración en el intervalo de tiempo seleccionado .

Tipos de descomposición

Los modos de desintegración conocidos más comunes, importantes y de mayor duración , también conocidos como modos de desintegración (ZM) o canales de desintegración , son la desintegración alfa, beta y gamma. Como la naturaleza de estos procesos era desconocida en el momento de su descubrimiento, los tres tipos de radiación se designaron en orden de poder de penetración creciente con las tres primeras letras (inferiores) del alfabeto griego: α, β y γ.

• En la desintegración alfa, el núcleo emite una partícula alfa, que está formada por dos protones y dos neutrones. Esto reduce el número de masa en 4 y el número atómico en 2.
• En la desintegración beta, en un sentido más estricto, el núcleo de un átomo emite un electrón o un positrón. Esto ocurre en el núcleo de un átomo cuando un neutrón se convierte en un protón o un protón en un neutrón. El número de masa permanece constante, el número atómico cambia en +1 o -1.
• En la desintegración gamma, el núcleo de un átomo emite un fotón de alta energía. La masa y el número atómico permanecen constantes, sólo disminuye el estado excitado del núcleo. La desintegración gamma generalmente ocurre como resultado directo de una desintegración alfa o beta previa.

Además de estos tres tipos de transformaciones, posteriormente se descubrieron otras. Muchos de ellos son raros y sólo tienen interés para la investigación en física. Además de la desintegración alfa, beta y gamma, la fisión espontánea también tiene especial importancia práctica.

Algunos nucleidos pueden desintegrarse de más de una manera, es decir, tienen más de un canal de desintegración. El diagrama nuclear es una descripción gráfica de todos los núcleos estables e inestables, incluidos los tipos de desintegración observados y sus vidas medias.

La gran cantidad de tipos de descomposición existentes se pueden dividir en las siguientes categorías:

El emisor se desintegra en nucleones.

Muchos núcleos radiactivos se modifican emitiendo nucleones. yo De protones, neutrones o núcleos ligeros. El ejemplo más obvio es la desintegración alfa . El núcleo padre se divide en un núcleo de helio. En raras ocasiones se emiten (envían) neutrones, protones o núcleos enteros de carbono u otros núcleos ligeros. Todas las desintegraciones por emisión de nucleones están mediadas por la interacción fuerte junto con la interacción electromagnética.

Desintegraciones beta

Cuando los electrones (o sus antipartículas) participan en una desintegración, se denomina desintegración beta. Existen varios procesos de este tipo. No siempre tiene que ser un electrón el producto, un electrón también puede convertirse, como en la absorción de electrones. Todas las desintegraciones beta son procesos de interacción débil.

Transiciones entre estados de un núcleo

En este caso no se emiten partículas de materia. Del mismo modo, el núcleo no se transforma en otro. Simplemente da energía extra. Esta puede liberarse como radiación gamma o entregarse a un electrón en una capa atómica (conversión interna). Estos son procesos de interacción electromagnética.

Descripción general

△	Estado de decadencia	Partículas participantes	Núcleo de niña	Partícula exportada
Se disocia emitiendo nucleones
A	Desintegración alfa	El núcleo emite un núcleo 4He ( A = 4, Z = 2) , también llamado partículas alfa.	( A -4, Z -2)	4 Él
SF	Ruptura espontánea	El núcleo se desintegra en dos núcleos medio-pesados, raramente en núcleos adicionales (normalmente ligeros), que suelen emitir de dos a tres neutrones.	2+ núcleos	2…3 n
PAG	Emisión de protones	El núcleo emite un protón.	( A -1, Z -1)	PAG
norte	Emisión de neutrones	El núcleo emite un neutrón.	( A -1, Z )	norte
2p	Doble emisión de protones	El núcleo emite dos protones simultáneamente.	( A -2, Z -2)	2 pág.
2n	Emitiendo dos neutrones	El núcleo emite dos neutrones simultáneamente.	( A -2, Z )	2 n
Una cZc​​	Colapso del clúster	El núcleo emite un núcleo más pequeño ( C a 28 Si) con Ac , Zc 14 . Entre 204 Hg, 212 Pb y 211 Be queda un núcleo pesado . Por razones históricas, la desintegración alfa (ver arriba) es i. Generalmente no se cuenta entre los colapsos de clúster.	( A − Ac , Z − Z c )​	( A c , Z c )
Desintegraciones beta
B –	Desintegración beta negativa	El núcleo emite un electrón y un neutrino antielectrón.	( A , Z +1)	ν̅ e , e −
B +	Desintegración beta plus	El núcleo emite un positrón y un neutrino electrónico.	( A , Z -1)	n e , e +
K (y)	Absorción de electrones	El núcleo absorbe un electrón de la capa atómica y emite un neutrino electrónico.	( A , Z -1)	no​
bb (2b – )	Desintegración doble beta negativa	El núcleo emite dos electrones y dos antineutrinos.	( A , Z +2)	2 ν̅ e , 2 e −
(2b + )	Dos betas más desintegración	El núcleo emite dos positrones y dos neutrinos electrónicos.	( A , Z -2)	2 n e , 2 e +
(ev + )	Absorción de electrones con emisión de positrones	El núcleo absorbe un electrón de la capa atómica y emite un positrón y dos neutrinos electrónicos.	( A , Z -2)	2 n e , e +
CEC (2ε)	Absorción de doble electrón	El núcleo absorbe dos electrones de la capa atómica y emite dos neutrinos electrónicos.	( A , Z -2)	2 n e
Transiciones entre estados de un núcleo
ÉL	Desintegración gamma	(Normalmente) el núcleo excitado emite un fotón (gamma quanta).	( A , Z )	do
(Circuito integrado)	Conversión interna	El núcleo excitado transfiere energía al electrón de la capa, que abandona el átomo.	( A , Z )	mi-

• En la lista de isótopos de Wikipedia en alemán se utilizan abreviaturas sin paréntesis, mientras que en otros sitios web se utilizan abreviaturas entre paréntesis.
• K/β ⁺ indica la ocurrencia de captura de electrones así como de desintegración beta.

Se disocia emitiendo nucleones

Alfa-Zerfal (A)

La desintegración alfa ocurre principalmente con núcleos más pesados ​​y relativamente pobres en neutrones. Expulsa un núcleo de helio-4, llamado partícula alfa en este caso, a una velocidad del 3 al 8 por ciento de la velocidad de la luz desde el núcleo original. Esto es posible a pesar de la presa de Colonia gracias al efecto túnel. El núcleo restante, también conocido como núcleo de retroceso posterior al proceso o núcleo hijo, tiene un número de nucleones de 4 y un número atómico de 2.

La fórmula general para la desintegración alfa es

Z A X → Z – 2 A – 4 Y + 2 4 H E

El núcleo padre X con número de nucleón (número másico) A y número de protón Z se reduce emitiendo una partícula alfa al núcleo hija Y con número de nucleón 4 y número de protón 2.

Ejemplo : La desintegración del uranio-238 en torio-234:

  92 238 U → 90 234 T h + A

A continuación se producen otras desintegraciones con emisión de nucleones.

Desintegraciones beta

La desintegración beta se produce cuando la relación entre neutrones y protones en el núcleo está desequilibrada. La radiación beta está formada por electrones (β ⁻ ) o positrones (β ⁺ ) que, dependiendo del núcleo, escapan del núcleo hasta a un 99,9% de la velocidad de la luz.

Desintegración beta-menos ( ^β- )

En la desintegración beta-menos, un neutrón en el núcleo se convierte en un protón. Se emite un neutrino electrónico y un antielectrón. El número de nucleones del núcleo no cambia, su número atómico aumenta en 1.

La fórmula general es la siguiente.

Z A X → Z + 1 A Y + E – + n ¯ E

El núcleo padre X con el número de nucleones A y el número de protones Z con el mismo número de nucleones se desintegra en un núcleo hijo Y, aumentando el número de protones en 1 y emitiendo un electrón y un antineutrino.

Ejemplo: La descomposición del carbono-14 en el isótopo estable nitrógeno-14:

  6 14 C → 7 14 N + E – + n ¯ E

La radiación beta negativa se puede detectar a unos pocos metros de distancia en el aire o, por ejemplo. B. Completamente blindado con lámina de plexiglás.

Los neutrinos y antineutrinos sólo están sujetos a la interacción débil. Debido a esta rara interacción con la materia, son difíciles de detectar y son inofensivos para los organismos vivos. Los neutrinos solares pasan a través de partes del Sol y de toda la Tierra casi sin atenuación.

Desintegración beta más (β ⁺ )

En la desintegración beta+, un protón del núcleo se convierte en un neutrón. Se emiten un positrón y un neutrino electrónico. El número de nucleones del núcleo no cambia, su número atómico disminuye en 1.

La fórmula general es la siguiente.

Z A X → Z – 1 A Y + E + + n E

El núcleo padre X con el número de nucleones A y el número de protones Z se desintegra en el núcleo hijo Y con el mismo número de nucleones y el número de protones reducido en 1, emitiendo un positrón y un neutrino electrónico.

Ejemplo: La descomposición del nitrógeno-13 en el isótopo estable carbono-13:

  7 13 n → 6 13 c + e + + n e

(Simple) Captura de electrones (ε)

Otra forma de convertir un protón en un neutrón es capturando un electrón , lo que se llama desintegración ε o, a veces, desintegración β inversa. Un electrón desde una capa atómica hacia el núcleo que generalmente se ve afectado. Después de la capa de electrones, la capa K, la absorción de electrones también se conoce como absorción K. Un protón del núcleo se convierte en un neutrón y se emite un neutrino electrónico. El cambio en el núcleo es como la desintegración β ⁺ : el número de nucleones permanece inalterado, el número atómico disminuye en uno. Por lo tanto, la captura de electrones compite con la desintegración ^β+ . Dado que la desintegración β ^{+ debe proporcionar la energía del positrón emitido} para cada núcleo que se desintegra absorbiendo un electrón , la desintegración β+ no es una opción. Un espacio en la capa se libera por absorción de electrones y los electrones en las capas externas se mueven hacia adelante y emiten rayos X característicos.

En general, la fórmula para ganar electrones es

Z A X + E – → Z – 1 A Y + n E

El núcleo padre X gana un electrón de la capa atómica y se convierte en un núcleo hijo con el mismo número de nucleones y un número de protones reducido de 1, emitiendo un neutrino electrónico.

Ejemplo: La desintegración del níquel-59 en cobalto-59:

28 59 n i + e – → 27 59 c o + n e

Absorción de doble electrón (2ε)

Para algunos núcleos, no es energéticamente posible simplemente capturar un electrón, pero pueden desintegrarse capturando dos electrones simultáneamente. Debido a que tales desintegraciones requieren dos interacciones débiles simultáneamente, tienen vidas medias muy largas. Fueron identificados directamente por primera vez en 1986. ^[16]

Ejemplo: La desintegración del xenón-124 en telurio-124:

  54 124 x e + 2 e – → 52 124 t e + 2 n e

Desintegración doble beta negativa ( ^2β- )

La desintegración beta simple no es energéticamente posible para algunos núcleos, pero pueden desintegrarse emitiendo dos electrones. Debido a que tales desintegraciones requieren dos interacciones débiles simultáneamente, tienen vidas medias muy largas. Fueron identificados directamente por primera vez en 1987.

Ejemplo: Descomposición de circonio-96 en molibdeno-96:

40 96 z r → 42 96 m o + 2 e – + 2 n ¯ e

Aún no se sabe si durante la desintegración doble beta se emiten siempre dos neutrinos o si la desintegración doble beta también ocurre sin neutrinos (2016). Si se pudiera probar el caso sin neutrinos, los neutrinos se aniquilarían entre sí, lo que significa que los neutrinos son sus propias antipartículas. Esto las convierte en las llamadas partículas de Majorana.

Transiciones entre estados de un núcleo

Gamma-Zerphal (γ)

La desintegración gamma suele producirse cuando un núcleo atómico permanece en un estado excitado después de una desintegración previa. Al emitir radiación electromagnética (rayos γ), el núcleo atómico libera energía y cambia a un estado de baja energía. El número de neutrones y protones en el núcleo no cambia. El término «desintegración gamma» es un tanto engañoso en este sentido, pero sigue siendo la nomenclatura común. Con algunas excepciones, la desintegración gamma se produce en un período de tiempo muy corto (entre 10-18 ^y 10-12 ^{segundos ) después de la desintegración anterior.}

La fórmula general es la siguiente.

ZAX∗ → ZAX+C

El núcleo excitado X se excita por la emisión de un cuanto gamma.

Un ejemplo bien conocido es la emisión de rayos gamma por un núcleo de níquel-60, que se forma (en su mayor parte) a partir de la desintegración beta de un núcleo de cobalto-60:

28 60 n yo ∗ → 28 60 n yo + c

El esquema de descomposición de este proceso se muestra en el diagrama de la derecha. ^{El 60Co} , un nucleido con muchas aplicaciones prácticas, es un emisor beta-menos con una vida media de 5,26 años. Se desintegra al estado ^{excitado 60Ni} * , que vuelve al estado fundamental casi inmediatamente con una vida media de poco menos de 1 ps emitiendo (principalmente) una cascada de dos cuantos gamma.

Las aplicaciones prácticas del ^60Co y de muchos otros radionucleidos suelen limitarse a esta radiación gamma. En estos casos, la radiación alfa o beta queda protegida por la cámara de preparación radiactiva y sólo la radiación gamma penetra al exterior.

Aunque la radiación gamma proviene del nucleido hijo de la desintegración alfa o beta, siempre está asociada con su núcleo padre. Se habla de “expansor gamma” cobalto-60, etc., porque la única fuente prácticamente utilizable de esta radiación gamma es un ^{preparado de 60} Co.

Sólo cuando el estado excitado es un isómero, es decir, yo Tiene una vida media suficientemente larga, la fuente real de rayos gamma puede utilizarse independientemente de su generación, como en el caso del tecnecio-99:

43 99 mTC → 43 99TC + C

Este isótopo de tecnecio con una vida media de seis horas se utiliza en diagnósticos médicos.

Para protegerse de la radiación γ pueden ser necesarias placas de hormigón o de plomo de un decímetro de espesor, ya que no tienen un rango específico en el material, sino que solo se atenúan exponencialmente. Existe una energía gamma dependiente de cada material de blindaje, es decir, un espesor de medio valor. La radiación gamma, como la luz, es radiación electromagnética, pero sus cuantos son muy energéticos y, por lo tanto, están muy fuera del espectro visible para el ojo humano.

Conversión interna (CI)

La energía liberada cuando un núcleo atómico pasa a un estado de menor energía también puede transferirse a un electrón en una capa atómica. Este proceso se llama transformación interna. Por tanto, los electrones de conversión tienen energías muy específicas, es decir, presentan un espectro lineal en contraste con los electrones β.

Z A X ∗ → Z A X

El núcleo excitado X se desexcita. La energía liberada en este proceso se transfiere como energía cinética a un electrón en la capa atómica.

En el caso de la conversión interna, después de la desintegración en la capa no existe carga negativa inicial y queda un ion positivo.

Otros tipos de desintegración con emisión de nucleones

Fisura espontánea (FS)

En el caso de núcleos especialmente pesados ​​con un número atómico superior a 90 (como el torio), la fisión espontánea es otro proceso de transformación radiactiva. El núcleo atómico se desintegra en dos núcleos hijos de peso medio-pesado (raramente más), liberando dos o tres neutrones en el proceso. Son posibles diferentes pares de núcleos hijos, pero la suma de los números atómicos y la suma de los números de masa de todos los productos de fisión son los mismos que los del núcleo padre:

  98 252 C f → 56 145 B a + 42 104 M o + 3 0 1 n

  98 252 C f → 50 128 S n + 48 122 C d + 2 0 1 n

Los isótopos de uranio natural se desintegran en una pequeña fracción por fisión espontánea:

  92 235 U → 56 142 B A + 36 90 K r + 3 0 1 n

  92 238 U → 54 140 X E + 38 96 S r + 2 0 1 n

  92 235 U → 53 135 I + 39 98 Y + 2 0 1 n

  92 238 U → 51 133 S B + 41 102 N B + 3 0 1 n

Además de la fisión predominantemente binaria, raramente ocurre la fisión ternaria, en la que aparece una tercera partícula (luz). Esta partícula suele ser un ^núcleo de 4 He o ³ H.

Más raramente aún se produce la fisión nuclear cuaternaria, en la que se forman dos partículas más ligeras (aquí principalmente ^{4 He). [17]}

Emisión espontánea de nucleones (p, n, 2p, 2n)

La emisión espontánea de nucleones puede ocurrir en el caso de núcleos con un número particularmente alto o particularmente bajo de neutrones . yo Produce la emisión de protones o neutrones. Los núcleos atómicos con demasiados protones pueden producir un protón, los núcleos atómicos con demasiados neutrones pueden producir neutrones.

Z A X → Z – 1 A – 1 Y + 1 1 P

Z A X → Z A – 1 X + 0 1 n

Ejemplo: El boro-9 divide un protón para compensar el exceso:

9 B → 8 B E + 1 1 C

Ejemplo: El helio-5, por el contrario, emite espontáneamente un neutrón:

5 HH → 4 HH + 0 1 n

Desintegración de dos protones (2p)

Si hay demasiados protones, puede producirse una desintegración de dos protones, en la que incluso se emiten dos protones simultáneamente.

Ejemplo: La descomposición del azufre-26 en silicio-24:

16 26 S → 14 24 S I + 2 1 1 P

Desintegración de dos neutrones (2n)

En caso de exceso de neutrones puede producirse una desintegración de dos neutrones, llegando incluso a emitirse dos neutrones simultáneamente.

Ejemplo: Desintegración del berilio-16 en berilio-14:

4 16 b e → 4 14 b e + 2 0 1 n

Ambos procesos de dos nucleones ocurren cerca del límite teórico de estabilidad, el «borde del diagrama de nucleidos». Fuera de esto no existe ningún núcleo atómico finito. ^[18]

Colapso del clúster (A _c Z _c )

En casos muy raros, también se emiten núcleos atómicos más grandes en lugar de nucleones individuales o núcleos de helio-4. Esta forma de descomposición fue predicha en 1980 y confirmada experimentalmente en 1983.

Ejemplos:

  97 247 B K → 91 235 P A + 6 12 C

  97 247 B K → 77 199 I R + 20 48 CA

  98 248 C f → 90 232 T h + 8 16 O

Serie podrida

El producto de una desintegración puede ser estable o en sí mismo radiactivo. En el último caso, se producirán una serie de desintegraciones radiactivas hasta que finalmente se forme un núcleo estable como producto final. Esta secuencia de desintegraciones radiactivas se denomina serie de desintegración o cadena de desintegración .

Entonces, el isótopo uranio-234 se desintegra y emite una partícula alfa, el torio-238, que luego se transforma mediante desintegración beta en protactinio-234, que nuevamente es inestable, y así sucesivamente. Después de un total de 14 o 15 desintegraciones, esta serie de desintegraciones termina con el núcleo estable plomo-206. Dado que algunos núcleos pueden desintegrarse de diferentes maneras (véase canal de desintegración), varias ramas de una serie de desintegración pueden surgir de un único núcleo padre (que luego puede recombinarse). Por ejemplo, aproximadamente el 64% de los átomos en una muestra de bismuto-212 se desintegran en fase beta a polonio-212, y el 36% restante, aproximadamente, se desintegran en fase alfa a talio-208.

De este modo, una muestra originalmente pura de un radionucleido puede convertirse con el tiempo en una mezcla de diferentes radionucleidos. Los nucleidos de larga duración se acumulan más que los de corta duración.

Escudo y escudo

La radiación α se puede proteger con una hoja de papel, un cartón fino o aire. Se utiliza para proteger contra la radiación β ⁽ capas finas de plexiglás o láminas metálicas de electrones). Para protegerse contra la radiación γ se utilizan materiales con números atómicos elevados, por ejemplo: B. Dirigir. Lo mismo ocurre con la radiación β ⁺ , ya que su absorción por aniquilación produce radiación γ ^{. [19]}

En general, la amplitud de la radiación ionizante aumenta con la energía y disminuye con la densidad del material de protección. La radiación α con una energía cinética de 5 MeV se encuentra a 3,6 cm en el aire y sólo a 0,04 mm en el tejido. ^[20] [21] Principalmente, la radiación ionizante libera energía al colisionar con átomos en el material de protección, ionizando o excitando así los átomos, lo que a su vez produce electrones secundarios y rayos X dentro del material de protección.

Radiactividad en el medio ambiente

La radiactividad en nuestro medio ambiente ocurre en parte de forma natural (sin intervención humana), en parte es producida o está siendo producida por actividades humanas (“antropogénicas”). Las causas de la radiación radiactiva natural son los radionucleidos primarios con sus subproductos, así como los núcleos creados por los rayos cósmicos en la atmósfera de la Tierra, que difieren de la composición natural. La radiactividad artificial suele tener una composición isotópica mixta, ya que contiene radiactividades de vida corta que no se producen en cadenas de desintegración o procesos de exfoliación.

Radiactividad natural

Los radionucleidos primarios se derivan de materiales primordiales de la Tierra y aún existen gracias a sus largas vidas medias. Entre ellos se encuentra el potasio-40, que está siempre presente en el cuerpo humano y que es un importante isótopo de uranio procedente de los combustibles nucleares. Otros radionucleidos se crean indirectamente como productos de desintegración que se reproducen constantemente a partir de las cadenas de desintegración radiactiva de estos núcleos primordiales, como el gas radón, que se emite desde todas partes de la Tierra. Estos núcleos se llaman radiogénicos . Otros radionucleidos cósmicos se producen continuamente en la atmósfera por reacciones nucleares con rayos cósmicos. Contienen carbono-14, que, al igual que el potasio-40, ingresa a todos los organismos a través del metabolismo.

La radiación de los radionucleidos naturales que están presentes en todas partes se llama radiación terrestre.

Radiactividad creada o liberada por los seres humanos

Mucho antes de que se descubriera la radiactividad, actividades humanas como la minería y la quema de carbón liberaban materiales radiactivos. Paracelso describió la enfermedad de Schneeberger en 1567. Los minerales metálicos y el carbón contienen más radionucleidos que el promedio en la biosfera. Los pozos transportan radón desde las profundidades de la tierra hasta la superficie.

Con la extracción de uranio, la construcción de centrales nucleares y, lo más importante, la construcción y prueba de armas nucleares en la Tierra, se liberó radiactividad a la biosfera, con repercusiones globales.

Grandes cantidades de materiales radiactivos (además de las pruebas nucleares realizadas hasta 1963) se liberaron como consecuencia de accidentes en instalaciones nucleares. Los más conocidos son el desastre nuclear de Chernóbil y el desastre nuclear de Fukushima. Después de 1990, se conoció el accidente de Kyshtym de 1957 y la pista de Storal resultante.

Las aplicaciones médicas o las pruebas de materiales con radiación ionizante no contribuyen a la radiactividad de origen humano. En la medida en que se utilizan materiales radiactivos, se trata de nucleidos de vida corta en pequeñas cantidades, por ejemplo B. En tomografía por emisión de positrones.

Algunos de los núcleos de larga duración procedentes de los residuos radiactivos de la fisión nuclear podrían convertirse en el futuro en núcleos de vida más corta, que son más fáciles de almacenar.

Tamaños y unidades de medida

Actividad

La actividad radiactiva o radiactividad es el número de eventos de desintegración por período de tiempo que ocurren en una muestra de un material contaminado. La actividad generalmente se expresa en la unidad SI becquerel (Bq). 1 becquerel equivale a una desintegración por segundo.

Dosis de radiación

Los valores y unidades de medida relacionados con los efectos de las radiaciones ionizantes (de origen radiactivo o de otro tipo) son:

• Dosis absorbida en unidades gray, que describe la energía absorbida por masa en julios/kilogramo (J/kg).
• La dosis unitaria equivalente al sievert corresponde a la dosis absorbida corregida por factores de ponderación especificados para diferentes tipos de radiación y
• Dosis de iones en unidades de culombios/kilogramo (C/kg), que describe la velocidad de los procesos de ionización que ocurren.

Dispositivos para medir la radiación causada por la radiactividad.

Existen varios tipos de detectores para detectar y medir cuantitativamente la radiación, cada uno adecuado para tipos específicos de radiación. Un ejemplo famoso es el contador Geiger. Las cámaras de ionización y las cámaras de nubes se pueden utilizar para detectar radiación alfa, beta y gamma, los contadores de centelleo y los detectores de semiconductores para detectar rayos beta y gamma.

Para medir la protección radiológica se utilizan diversos tipos de dosímetros y dosímetros. Cada uno contiene uno o más de los detectores anteriores.

La primera medición que permitió obtener una información cuantitativa sobre la radiación fue realizada por Pierre y Marie Curie con la ayuda de un electroscopio. Esto midió la reducción de la carga eléctrica causada por la conductividad del aire debido a la ionización. El mismo principio de medición se sigue utilizando hoy en día (2016) en los dosímetros de pluma estilográfica.

Aplicaciones

Aplicaciones técnicas

En el espacio se utilizan baterías de radionúclidos para proporcionar electricidad y se emplean calentadores de radionúclidos para calefacción. Más allá de la órbita de Júpiter, la radiación del Sol ya no es suficiente ^para alimentar sondas de tamaño práctico con células solares robustas. Cinturones de radiación, como los que se encuentran por ejemplo. B. Júpiter, hacer imposible el uso de células solares. En la Unión Soviética se utilizaban baterías de radionucleidos muy potentes llenas de estroncio y radiobalizas en el Círculo Polar Ártico para alimentar las balizas marinas -90.

Las aplicaciones importantes que utilizan la radiactividad de los materiales son la datación de objetos y la prueba de materiales.

En arqueología, bellas artes, geología y paleoclimatología, las mediciones de concentraciones de isótopos radiactivos se utilizan para determinar la edad, por ejemplo. B. Datación por radiocarbono (método del radiocarbono).

Una de las aplicaciones técnicas es la medición de espesores y la prueba de materiales mediante radiografía. En este caso, se irradia un material con rayos gamma y un contador determina la densidad media para un espesor de capa dado o, por el contrario, el espesor de capa para una densidad conocida en función de los rayos penetrantes y de la ley de absorción. La radiación también puede crear una imagen en una película de rayos X detrás de la capa de material. Esta es una forma en la que se utilizan pruebas radiográficas en materiales.

En grandes contenedores con materiales voluminosos o granulares también se realizan mediciones de nivel radiométrico con radiación gamma de una pared del contenedor a la otra.

En geofísica y biología, los materiales radiactivos son adecuados como trazadores para medir el comportamiento del flujo, por ejemplo: B- Examinar el agua subterránea en el suelo o la sangre en el tejido. Para ello se introduce una determinada cantidad de material en un punto específico y se mide la distribución temporal y espacial de la actividad.

Prueba de materiales

En la física del estado sólido y la química del estado sólido, los isótopos radiactivos se utilizan para estudiar materiales como el B. Metales y aleaciones, semiconductores, aislantes y cerámicas aplicadas. Aquí nos centramos en los defectos localizados y la difusión, que a menudo determinan el rendimiento de los materiales. Estos se utilizan hoy en día en muchas aplicaciones electrónicas como electrónica, baterías, chips de computadora, discos duros, iluminación, etc. Sin una comprensión más profunda de estos materiales sería impensable un programa específico.

Una aplicación es el análisis elemental mediante espectroscopia gamma. Mediciones precisas en análisis químicos e investigación de la estructura local en sólidos, por ejemplo. Hecho b. Por espectroscopia Mössbauer o correlación de ángulo gamma-gamma desordenado. Estos métodos de física nuclear del estado sólido utilizan isótopos radiactivos específicos que se encuentran en instalaciones especiales, por ejemplo: B. ISOLDE en el CERN o en reactores nucleares.

Las sondas radiactivas tienen la gran ventaja de que sólo se requieren cantidades muy pequeñas de material y normalmente sólo se utilizan para detección. En la difusión de trazadores, normalmente son suficientes unos pocos kilobytes para determinar los coeficientes de difusión en sólidos. En el caso de la correlación desordenada del ángulo gamma-gamma, solo se necesitan aproximadamente entre 10 ¹⁰ y 10 ¹² átomos por medición . Lo mismo ocurre con el método z. Por ejemplo, se puede investigar in situ la unión de metales tóxicos como el cadmio, el mercurio o el plomo en células biológicas. Con beta-RMN sólo se necesitan unos 108 ^átomos por medición.

Aplicaciones médicas

El uso de materiales radiactivos no sellados en seres humanos es una cuestión de medicina nuclear.

La gammagrafía se utiliza con mayor frecuencia en el diagnóstico de medicina nuclear. Se administran (“administran”) pequeñas cantidades de una sustancia emisora ​​de rayos gamma (trazador) al paciente, por ejemplo, inyectándola en una vena o inhalándola. La radiación emitida por el trazador es registrada por una cámara gamma basada en detectores de centelleo fuera del cuerpo, produciendo una imagen bidimensional. Los nuevos avances en el método permiten la visualización tridimensional mediante tomografía computarizada (tomografía computarizada por emisión de fotón único, SPECT). Otro método de imágenes en medicina nuclear que también proporciona imágenes en 3D es la tomografía por emisión de positrones (PET). También se pueden realizar ciertas pruebas de laboratorio con materiales radiactivos, por ejemplo, el radioinmunoensayo.

En el tratamiento de medicina nuclear se utiliza radiación pura o predominantemente beta. Las áreas de aplicación más comunes de la terapia con yodo son las enfermedades benignas y malignas de la glándula tiroides, la radiosinovitis para algunas enfermedades articulares y la terapia con radionúclidos para el alivio del dolor en las metástasis óseas.

En el pasado, los radionucleidos se utilizaban a menudo en radioterapia en forma de emisores gamma sellados de los que ningún material radiactivo podía escapar y ser absorbido por el cuerpo. Debido al riesgo potencial que supone para el personal médico, cada vez se utilizan más rayos X producidos por aceleradores lineales de electrones duros para irradiar el cuerpo desde el exterior. Los emisores de rayos gamma confinados todavía se utilizan, por ejemplo, en braquiterapia o radiocirugía.

Ser peligroso

Véase también: exposición a la radiación, lesión por radiación, enfermedad por radiación y peligro de radiación.

Respecto al riesgo de radiactividad se deben distinguir diferentes riesgos:

• Exposición a la radiación como efecto remoto ( véase también factor de conversión de dosis)
• Contaminación (impureza) con materiales radiactivos, que a veces puede provocar una exposición a largo plazo, por ejemplo B- En caso de contaminación de la piel
• Incorporar (absorber) material radiactivo en el cuerpo al respirarlo ( inhalación ) o comerlo/beberlo ( ingestión ).

Estos términos a veces se confunden en los informes y entre el público. Así, por ejemplo, hoy en día (2016) se utiliza a menudo, por error, el término «irradiado» en lugar de «contaminado ». Radiación significa esencialmente –de manera similar a una quemadura– un daño o lesión importante causado por la radiación.

A veces no es la radiactividad en sí la responsable de los efectos biológicos peligrosos, sino más bien la radiación ionizante que emite.

Las consecuencias de los efectos de la radiación de dosis baja ( radiación de bajo nivel ) sobre el medio ambiente y los organismos vivos han sido ampliamente debatidas. Son difíciles de probar. ^[23] Los valores límite admisibles también son controvertidos.

Símbolos de advertencia

Como el símbolo de advertencia de radiación (símbolo del trébol: ) utilizado hasta ahora a menudo no se reconoce como una advertencia sobre fuertes fuentes radiactivas y la gente retira un núcleo altamente radiactivo de su escudo (por ejemplo, el incidente de Goiânia), se han producido muertes, especialmente durante las etapas de desarrollo. Países Accidentes El 15 de febrero de 2007, el Organismo Internacional de Energía Atómica anunció que ^[24] se debería colocar una nueva señal de advertencia más clara directamente en los radiadores de las categorías de radiación 1, 2 y 3. Esto, con la ayuda de símbolos más significativos, advierte del peligro mortal de la radiación ionizante y anima a la gente a huir. En el contenedor sólo debe permanecer adherido el antiguo símbolo, ya que éste proporciona suficiente protección contra la radiación como para no suponer un peligro inmediato. Con la estandarización de la Norma ISO 21482, la nueva señal de advertencia para fuentes de radiación peligrosas debería introducirse lo antes posible y ser vinculante a nivel internacional. En Alemania, la señal de advertencia no está incluida ni en la norma nacional ni en las normas de prevención de accidentes. Tampoco está incluido en el borrador de la nueva versión de la norma DIN 4844-2, que regula las señales de advertencia. Está estandarizado en Austria en OENORM ISO 21482.

En el caso de fuentes de radiación débiles, no se debe cambiar la etiqueta. ^[25] El desarrollo de símbolos para advertir a las generaciones futuras sobre los peligros radiactivos es el tema de la semiótica atómica.