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TECNICA DE ANALISIS POR ACTIVACION
M.A. Victor H. Chan to A. y
M.A. Mauricio Gallardo Z.
*
*
INTRODUCCION:
El ami.lisis por activacwn es una tecnica analitica, de gran sensibilidad en Ia
determinacion de elementos a bajas concentraciones (del or den de los nanogramos), Ia
cual tiene aplicacion en todos los campos donde las impurezas tiene alg{ln significado
especial; de aqui su importancia en metalurgia, geologia, fisica, quimica, ciencias medicas
y biologicas.
El principio basico de este metodo, consiste en que un isotopo estable, al ser
irradiado, con neutrones, particulas cargadas o ciertas radiaciones electromagneticas,
puede sufrir transformaciones nucleares que producen nucleos readiactivos. Los radioisotopos artificiales asi producidos, son identificados y medidos cuantitativamente por las
emisiones de su desintegracion radiactiva.
La seleccion del equipo, cantidad de muestra y tiempo de irradiacion dependen: a)
de lasensibilidad deseada, b) de las propiedades quimicas y nucleares de Ia muestra, c) del
porler de absorcion (seccion eficaz de absorcion) del isotopo buscado y posiblemente de
Ia seccion eficaz de agunos otros isotopos presentes y del perlodo de desintegracion de
estos ultimos.
Debido a que un reactor nuclear produce un gran flujo de nuetrones, este es el
aparato mas versatil en Ia produccion de radioisotopos artificiales y por ende como
instrumento de irradiacion en la tecnica de an:ilisis por activacion. Los aceleradores
nucleares y las fuentes naturales de radiacion tambien son empleados como medios de
irradiacion.
lnicialmente, el an:ilisis por activacion fue usado con separacion quimica, y para
ciertos casos, este es todavia el metodo preferido; sin embargo, el desarrollo de Ia
espectroscopia de rayos gamma y otras nuevas tecnicas han hecho posible realizar an:ilisis
muy precisos sin tratamiento quimico. Este analisis instrumental por activacion (analisis
por activacion con espectroscopia de rayos gamma en el cual no se utiliza Ia separacion
quimica), puede ser muy nipido, y esta velocidad de medicion lo convierte en un serio
competidor de otros metodos quimicos y espestroscopicos muy bien conocidos. La
radiacion es detectada y reconocida usando, en Ia rnayoria de las vcces, una analizador
multicanal y sc valora por mcdio de tecnicas matcrnaticas verificables en una calculadora
de mesa o en una computadora.
Profesores del Departamento de Matematicas y Fisica de la Facultad de Ciencias y Letras.
183
II.
TEO RIA DE LA TECNICA DE ANALISIS POR ACTIVACION:
Cuando un material es homhardeado o irradiado con particulas nuclcares,
producidas en un reactor nuclear, acelerador de particulas, o cualquier fuente apropiada,
algunos de los atomos presentes en Ia muestra interaccionan con las particnlas incidentes.
Estos atomos pueden ser convertidos en isotopos diferentes del mismo elemento, o
isotopos de otros elementos, dependiendo de las particulas incidentes. En muchos casoe
los isotopos producidos son radiactivos y se les llama radioisotopos. Si Ia radiactividad
inducida en una componente del material puede ser distinguida o separada de las otras
producidas simultaneamente (u originalmente presentes), entonces esta radiactividad
inducida es una medida del isotopo producido y por lo tanto del elemento buscado,
presente en el material original.
REACCIONES:
lsotopos estables pueden sufrir una diversidad de transformaciones nucleares. La
reaccion neutron-gamma (n, )' ), que se.ilustra en los ejemplos siguientes, es Ia de mayor
aplicacion en Ia tt~cnica de anilisis por activacion.
50
51
22 Ti(n,l) 22Ti
S2
51
23V(n,1) 23V
La reaccion (n, 'Y ) ocurre con mayor probabilidad para neutrones termicos
0.025 ev) que con neutrones cuyas energlas sean de varios Mev.
El neutron es capturado por el atono irradiado y uno o mas rayos g&mma son
emitidos inmediatamente. Puesto que no existe cambio en el numero atomico (no C&rr.hia
el numero de protones) el radioelemento retiene Ia identidad quimica del material
bombardeado.
Un numero de otras reacciones extensivamente usadas en este campo incluyen Ia
reaccion (n,p) que requiere neutrones con energias mas altas que las correspondientes a
las energias fermicas. En esta reaccion, un neutron entra en el nucleo bombardeado con
suficiente energia para producir Ia emision de un proton. El numero atomico es redncido
en una unidad convirtiendo al atomo irradiado en un elemento diferente como:
(En
48
48
22 Ti(n,p)22 Sc
La reac~ion (n,o:) usu~lmente requiere de ener_gia aun mas alta. En el proceso (n,cx)
un neutron entra en el atomo bombardeado y produce Ia emision instantanea de una
particula ex. El numero atomico del atomo irradiado es reducido en dos unid<!des, como
en:
184
otras reacciones las cuales encuentran algtin uso son: (n, 2n), (p,n), (p, ')' ), ( d, p), ( d,n),
(d,a), (rx, n) y (a, p).
Desintegraci6n radiactiva:
Para una especie :r-.diactiva cada, cada nucleo tiene una probabilidad definida de
desintegracion durante un periodo unitario de tiempo. Esta probabilidad tiene un valor
con!>tan.te caracteristico p:ua cada radiosiotopo y que es indepe!ldiente de su estado fisico
o qulmico, de su temperatura y de Ia presion a que estc sometido. En una rnuestra dada,
Ia l":IZO!l de desintegracion en cualquier instante, es directamente proporcional al numero
de atomos (N), del r. diosiotoro, presentes en ese instante. Asi la rapidez de
desintegraeion es dada por:
dN
-
dt
-t;
:AN
(1)
De Ia solucion de (1), entre un tiempo arhitrario cero y un tiempo mas tarde t, obtenemos
el numero de atomos radhetivos (N) presentes cuando el tiempo es t.
(2)
don de
N·=
:A
N0
numero de atomos radiactivos en el tiempo t.
constante de desintegracion radiactiva (la cual es una constante
cc•raeteristica del nucleo radiactivo).
n1:mero de atomos radiactivos presentes en el tiempo t= 0
Si el tiempo, T~ es medido durante el cual el numero de atomos decrece ala
mitrud del nurnero originalmente presentes, tenemos:
(3)
0.693
=--
asi T~ , es una funcion inversa de f...
(4)
y es tambien una constante nuclear, conocida con
el nomhre de periodo de d0sintegracion yes caraeterlstica del nucleo radiactivo.
La grafica (1) de la ecuacion (2) con puntos calculados para valores mwtiplos de
T~
muestn la utilidad del concepto de periodo de desintegiacion. Por derivacion con
respecto al tiempo de la ecuacion (2) ohtenemos :
d.N
dt = - :AN 0 exp (-:At)
(5)
que muestra que la activUad,. - dNidt, decrece en la misma razon que la desintegracion
exponeneial del numero de nucleos radiactivos.
185
\0
til
0
.........>
....Ill
'"0
()
Ill
~
til
0
§
'~
Q)
'"0
0
~
Q)
,§
z
1/64
Tiempo en unidades T 1; 2
Figura No 1
Los procesos mediante los cuales los radionucleos caen de estados de mayor a otros
de menor energia•son muy variados; los de mayor interes en analisis por activacion son: a)
los de emision beta {
b) los dt emision positron (
c) los de emision foton
( 1 ) y d) los de captura de electrones orbitales (EC). Para actividades inducidas por
neutrones termicos, Ia emision beta ocurre con la mayoria de los elementos. Las
particulas beta, emitidas por un nucleo dado, no son monoenergeticas, sino que exhiben
una distribucion continua de energia desde cero a un valor ma:1rimo caracteristico del
radionucleo. La energia maxima en Ia mayoria de los emisores 13- tiene un valor inferior
a los 2.5 M.e.V.
La emision de un foton desde un radionucleo puede producirse dcsde dos diferentes
fuentes. El foton emitido directamente por el nucleo de un atomo es llamado rayo gamma
y este tipo d'e emision es usualmente precedido por una desintegracion beta dcsde el
mismo nucleo. Es tambien posible que los nucleos capturen clectrones orhitales, cstc
evento en si mismo no produce Ia emision de un foton, sin embargo, los electrones
orbitales de alto orden al ocupar las vacantes K o L originan fotones de rayos --X. Las
energias de los fotones son caracteristicas del elemento que origin& el radioisotopo. En
general, el analisis de Ia energia del foton, emitido desde una fuente dcsconocida,
frecuentemente permite Ia identificacion del radionucleo. La captura K o L no ocurre en
radionucelos producidos por irradiacion con neutrones termicos.
e- ),
186
e+ ),
Produccion de radiois6tqpos:
Cuando un radioisotopo es producido a razon constante, la razon de acumulacion
del isotopo es dada por la diferencia entre la razon de produccion y la razon de
desintegracion del isotopo, asi :
dN
dt=P
:AN
(6)
donde p es la razon de produecion de nucleos radiactivos. La solucion de la ecuacion (6)
es:
N ~ [1 - exp(- A ti1 + N0 exp (-A ti)
(7)
donde ti= tiempo de irradiacion.
En la mayoria de los casos, N0 , el numero de atomos radiactivos inicialmente
presentes, es cero, asi:
N = ~ [ 1 - exp (- A ti) 1
(8)
La razon de desintegracion de los atomos radiactivos en el instante de ser removidos del
flujo activante es:
A= A N ;= P [ 1 - exp ( A ti)1
(9)
Ahora si td representa el tiempo despues de que la muestra ha sido removida, entonces:
A = P [ 1 ~ exp (- A ti) 1exp (- A td)
(10)
da Ia actividad de Ia muestra despues de removida del flujo.
Figura (2) muestra una curva tipica de activacion- desintegracion en la cual
podemos ver que la actividad de saturacion S, se aproxima unicamente como un limite
teOrico al valor maximo de activacion. Practicamente hablando podemos ver desde (4) y
(9) que:
~ = P [ l - exp ( -0,693 ti /Tljz
)1
(11)
187
Tiempo cuando termina. la
irradiaci6n, ti
J
100
..c. -
75
Activacion
5
I
/esintegraci6n
~
~~
o~--~--~
2--~3--~
4 L-~
s---6~--~7~--8~
. --~~. ~
J
Tiempo en unidades ti/T 1/2
Figura No 2
Crecimiento-desintegraci6n de
radiactividad
Asi cuando Ti = T ~
~
=P (l
~)
=P/2
Si ti = 2 T~ entonces At= 3/4 P y asi sucesivamente. Por lo tanto cs innecesario irradiar
el material por mas de dos o tres periodos. Para tiempos de irradiacion mas cortos que un
perlodo de desintegracion, la relacion entre Ia actividad inducida y el tiempo de
irradiacion es aproximadamente lineal.
lndentificacion de isotopos radiactivos:
Cuando los materiales son irradiados, la razon de produccion es normalmente
mantenida constante, siempre y cuando el flujo de irradiacion sea invaria:ble. El numero
de atomos que esta siendo irradiado puede usualmente considerarse constante, dado que
la fraccion activada representa una pequeiia parte del numero total de atomos presentee.
Asl la ecuacion (9) anteriomiente derivada puede ser aplicada, dondc la razon de
produccion puede ser expresada como:
(12)
donde Nt es el numero total de atomos presentes, j es el flujo de irradiacion (en
188
particulas/cm2/sec) y if es la secc10n eficaz de activacion (en cm2) y repesenta la
prohabilidad de que' los atomos presentes interaccionen con el flujo de particulas
incidentes. La razon de desintegracion (actividad) del radiosiotopo producido es dado
por:
A= Ntf cr'.[ 1
(1 3)
exp (- A ti)i
Puesto que pocos elementos son monoisotopicos, umcamente una fraccion f de los
atomos bombardeados tomara parte en Ia reaccion, dondc f es Ia abundancia fraccional
del isotopo buscado. El numero de atomos puede ser expresado en terminos del peso W
del elemento presente, su peso atomico M y el numero de Avogadro.
Asi Ia ecuacion (13) se convierte en:
A= fFJ' wt
M
[1
exp ( A ti)]
X
6.02
X
w23
(14)
Por lo general, la actividad es determinada hasta un tiempo td despues de finalizar Ia
irradiacion, asi que los atomos radiactivos producidos estan afectados por un factor
exp(- A t d), entonces,
if
A= f M
w'
W= MA
ftrf
.
[1 - exp(- A tl]exp(-Atd)x6,02x10 2.3
exp(Atd)
[1-exp (- A ti)) x 6.02 x 1023
(15
( 16 )
. En princ1p10, todos los factores que aparecen a Ia derecha de Ia ccuacion (16)
pueden ser medidos. Asi es factible calcular el peso del elemento prcsente. En Ia practica
sin embargo (J y f no son determinado's con suficiente exactitud y no siempre es facil
determinar Ia razon de desintegracion absolutaA; y consecuentemente, un procedimiento
de comparacion con una muestra conocida de alta pureza, es invariablemente usado. La
cantidad de actividad de Ia muestra desnocida es comparada con Ia cantidad de actividad
producida en una muestra de referencia, del elemento que esta siendo determinado.
En esta forma:
(17)
don de ,
Wx =peso del elemento en Ia muestra desconocida
Ws =peso del elemento en Ia rnuestra de referencia
cs = razon de conteo observada en la muestra desconocida
Ss = razon de conteo observado en la muestra de referencia.
permite calcular el peso del elemento de in teres presente en Ia muestra.
189
BIBLIOGRAFIA
Morrison, G. H., Trace Analysis: Physical Methods, New York: Interscience (1965)
Lyon, W. S. Jr., (;uide to Activation Analysis, Princenton,N.J.: D. Van Nostrand, (1064)
Chan to Arguedas, V.H., Newtrorl Activation Analysis of Chlorine and Bromine in some
Hhliburton-Bancroft Rocks and Minerals, Austin Texas, Universiry of Tex•,
(1970)
Gallardo Z, Mauricio, Trace elements in six quartz samples by nondestructive Neutron
Activation Analysis Tethnique;Austin Texas, University of Texas, (1969)
190