Radiactividad y Reacciones Nucleares

Radiactividad y Reacciones Nucleares
Tema 3 - 1/23
1. DEESSCCUUBBRRIIM
A RA
LA
EL
DE
OD
TO
D
NT
AD
EN
DA
MIIE
VIID
TIIV
CT
AC
DIIA
AD
Descubrimiento: Henri Becquerel (1896)
La radioactividad es una propiedad intrínseca de los núcleos de los
átomos.
Composición : tres componentes:
α,
β,
γ
Experimento de Becquerel:
α : partículas cargadas +
β : partículas cargadas –
γ : radiación neutra
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ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
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2. NAATTUURRAALLEEZZAA DDEELL PRRO
O
VO
O RA
TIIV
SO
CT
ES
AC
CE
OC
DIIA
AD
Es interpretado por Rutheford como una transición desde un núcleo
inestable a otro de configuración más estable.
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3. DIIAAG
N
ÓN
E DE
DE
CIIÓ
AC
SD
RA
AS
GR
MA
EG
AM
TE
RA
NT
GR
SIIN
ES
Qp = [ M(X) – { M(Y) + M(P) } - E* ]
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Tema 3 - 5/23
4. RAADDIIAACCTTIIVVIIDDAADD AALLFFAA
El núcleo atómico emite una partícula alfa (α)
Las partículas alfa son átomos de helio completamente ionizados.
A
Z
212
83
X→
A− 4
Z −2
α
Bi 
→ 20881Tl
Y + 42 He
226
88
α
Ra 
→ 222
86 Rn
Muy importante en nucleidos pesados (A > 140)
Energía liberada en este proceso:
(masas nucleares) Qα = [ mN (Z,A) – mN (Z-2 , A-4) – mN (α )] c2
(masas atómicas) Qα = [ ma ( Z, A ) – ma ( Z-2, A-4 ) – ma (2,4)] c2
Ec(α) < Qα
pues el núcleo residual retrocede llevándose una cierta
Ec (α) ≈
A−4
Qα
A
Ec (R) ≈
4
Qα
A
232
90
α
Th 
→ 228
88 Ra
Qα = 5.38 MeV, Ec(α) = 5.14 MeV, Ec(R) = 0.24 MeV
El espectro energético de las partículas α es discreto.
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5. RAADDIIAACCTTIIVVIIDDAADD BEETTAA
TRES PROCESOS DIFERENTES:
• DESINTEGRACIÓN β• DESINTEGRACIÓN β+
• CAPTURA ELECTRÓNICA
DESINTEGRACIÓN ββ-Emisión espontánea de electrones (e-) por los núcleos
n → p + e- + ν
A
Z
40
19
-
X→
β
K 
→ 40
20 Ca
Y + e− + ν
A
Z +1
212
83
-
β
Bi 
→ 212
84 Po
Los núcleos sobreabundantes en neutrones son emisores β-.
Energía liberada en este proceso:
Qβ- = ( mX – mY) c2
Espectro energético continuo para
los electrones (e-) emitidos.
El % mayor de β- se encuentra a
1/3 de Emáx
Intervalo : 0.1 MeV – 3 MeV
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DESINTEGRACIÓN ββ++
Emisión espontánea de positrones (e+) los núcleos.
p → n + e+ + ν
A
Z
30
15
+
X→
β
P 
→ 30
14 Si
Y + e+ + ν
A
Z −1
53
26
+
β
53
Fe 
→ 25
Mn
Los núcleos sobreabundantes en protones son emisores β+.
Energía liberada en este proceso:
Qβ+ = ( mx – my – 2me ) c2
Espectro energético continuo para
los positrones (e+) emitidos.
El % mayor de β+ se encuentra a ½
Emáx
Emáx = 1.24 MeV
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6. CAAPPTTUURRAA ELLEECCTTRRÓ
A
CA
NIIC
ÓN
El núcleo captura un electrón (e-) de las capas internas del átomo y lo
"combina" con un protón (p) nuclear:
p + e- → n + ν
A
Z
X + e− →
A
Z −1
Y+ν
La EC es competitiva con la desintegración β+.
El átomo al que pertenece el núcleo residual (Y) queda ionizado produciéndose
un reajuste de su configuración electrónica con la consiguiente emisión de
rayos-X.
80
35
-
β
→ 80
Br 
36 Kr
80
35
+
β
→ 80
Br 
34 Se
80
35
EC
Br 
→ 80
34 Se
Energía liberada en este proceso:
QE.C. = (mX – mY) c2
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7. RADIACTIVIDAD GAMMA
Esta emisión representa para el núcleo un medio de desprenderse de
su energía de excitación.
A
Z
X* →
A
Z
X + γ
El espectro energético de un emisor γ es discreto y característico.
Energías típicas: desde algunas decenas de keV hasta algunos MeV
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8. ACTIVIDAD RADIACTIVA
Velocidad de desintegración de los núcleos de los átomos que
constituyen la muestra de material radiactivo.
< A>=
A = lim
∆t →0
−∆N
∆t
−∆N
dN
=−
∆t
dt
Unidad: becquerelio (Bq)
1 Bq = 1 desintegración / segundo
Por ser pequeña se utilizan múltiplos:
1 kBq = 103 Bq
1 MBq = 106 Bq
1 GBq = 109 Bq
Por razones históricas se sigue utilizando el Curio (Ci):
1 Ci = 3.7 × 1010 desintegraciones / segundo
Por ser muy grande se utilizan submúltiplos :
1 mCi = 10-3 Ci
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1 µCi = 10-6 Ci
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1 pCi = 10-12 Ci
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9. DEECCRREECCIIM
O RA
TO
NT
EN
O
VO
MIIE
TIIV
CT
AC
DIIA
AD
La actividad también se expresa por:
A=λN
λ : constante de desintegración
La actividad disminuye en función
del tiempo:
A = A0 e- λt
Período de semidesintegración: tiempo que debe transcurrir para que
la actividad se reduzca a la mitad.
T, T1/2
En general, para un tiempo nT (n = 1,2,3,...), la actividad de la
muestra se reduce en 1/2n
Se verifica que:
T=
ln 2 0.693
=
λ
λ
Vida media: expectativa de vida de un núcleo
τ=
1
= 1.443 λ
λ
Actividad específica: actividad por unidad de masa (Bq/kg, o
similares)
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Los periodos de semidesintegración se extienden desde fracciones
de segundo hasta miles de millones de años.
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10. FIILLIIAACCIIÓ
A
N RA
VA
ÓN
TIIV
CT
AC
DIIA
AD
A
B
TA
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C (estable)
TB
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11. RAADDIIO
S NA
OS
DO
EIID
LE
S
CL
ES
UC
LE
NU
AL
ON
RA
UR
TU
AT
Existen unos 50 radionucleidos con números másicos elevados y
pertenecen a unas de las cuatro familias radiactivas
Son emisores α y β
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Existen algunos con números másicos intermedios.
-
Son emisores β y E.C.
Otros se producen en la atmósfera.
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12. RAADDIIO
S AR
OS
DO
S
ES
EIID
LE
LE
AL
CL
UC
CIIA
NU
ON
FIIC
TIIF
RT
Irene y Joliot Curie (1934)
α +
27
13
Al →
30
15
P + n
El 30 P es emisor β- con T = 2.5 min
Actualmente existen más de un millar de radionucleidos artificiales.
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Tema 3 - 19/23
13. REEAACCCCIIO
S NU
ES
S
NE
ES
ON
RE
AR
EA
LE
CL
UC
Proceso de transmutación que experimentan los núcleos cuando se
bombardean con partículas energéticas.
a+X=Y+b
X (a,b) Y
7
Li(p,α) 42 He
3
235
99
U(n,3n) 134
52Te 40 Zr
92
• Se conserva la carga eléctrica.
• Se conserva el número de nucleones.
Energía puesta en juego:
Q = ( ma + mx – my – mb ) c2
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Tema 3 - 20/23
14. TIIPPO
S NU
ES
S
E RE
NE
ES
DE
ON
RE
AR
SD
CIIO
EA
OS
CC
LE
AC
CL
EA
UC
A) Se pueden clasificar atendiendo al Q:
Q>0
Q<0
Q=0
exoenergéticos sea cual sea Ta
endoenergéticos si Ta > Eumb = [(mx + ma) / mx ] Q
difusión elástica
B) Atendiendo al tipo de reacción:
C) Por la naturaleza y procedencia de las partículas incidentes.
•
•
•
•
Reacciones producidas por partículas poco energéticas.
Reacciones producidas por partículas de acelerador.
Las producidas por n sobre el núcleo blanco.
Reacciones de fisión.
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Tema 3 - 21/23
15. FUUEENNTTEESS DDEE NEEUUTTRRO
S
ES
NE
ON
Los neutrones no se emiten directamente por los núcleos, pero se
liberan en algunas reacciones nucleares.
α + 94 Be → 126 C + n
Energía ≈ algunos MeV
Rendimiento ≈106 neutrones / s • Ci
γ + 94 Be → 48 Be + n
Energía ≈ 0.500 MeV
Rendimiento ≈104 neutrones / s •⋅Ci
Otras fuentes:
• Reactores nucleares (fisión)
• Aceleradores de partículas [Reacciones (p,n), (γ ,n), (α, n)]
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Tema 3 - 22/23
1166.. R
REEAACCCCIIO
NEEUUTTRRO
ON
ON
NE
NE
ES
ES
S
SC
CO
ON
NN
Los neutrones se clasifican en:
• Rápidos > 1 MeV
• Lentos ≈ eV
• Térmicos : 0.02 eV
Las reacciones con neutrones se clasifican por el método general.
Las reacciones más importantes :
• Difusión elástica sobre H para rápidos.
• Captura electrónica (n ,γ ) lentos, térmicos.
• Transmutación (n, p), (n, α ).
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Tema 3 - 23/23
17. REEAACCCCIIO
E FIIS
DE
SD
ES
NE
ON
N
ÓN
SIIÓ
El núcleo se escinde en dos.
• Espontánea: 238U (T = 1016 a)
• Provocada: 239Pu, 238U, 235U
La fisión es un proceso fuertemente exoenergético.
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