TEMA_11

TEMA 11
MÉTODO RADIÓ QUÍMICA. PROCESOS DE
DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. ACTIVIDAD Y
DETECCIÓN DE LAS RADIACIONES.
APLICACIONES DE LA MEDIDA DE RADIACIÓN.
11. A INTRODUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS GENERALES
El descubrimiento y la producción de isótopos radiactivos naturales y artificiales han hecho
posible la elaboración de métodos analíticos sensibles y específicos. Todos los núcleos están
constituidos por un conjunto de protones y neutrones .. el H2, las propiedades químicas de un
átomo están determinadas por su numero atómico Z, que es el numero que contiene el núcleo, y
la suma del numero de protones y de neutrones en un núcleo es el numero másico. Los métodos
radioquímicos son de tres tipos:
- En el análisis de activación, la actividad es inducida en un elemento de la muestra por
irradiación con partículas apropiadas. Ej: neutrones térmicos de un reactor nuclear.
- En el análisis de dilución de isótopos, se mezcla una forma pura radiactiva, de la sustancia
que se determina con la muestra en cantidad conocida. Se mide la actividad de la fracción
aislada.
- En el análisis radiométrico se emplea un reactivo radiactivo para separar el componente que
interesa de la muestra. Se mide actividad en la porción aislada.
11. B PROCESOS DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
Los productos de una desintegración son un núcleo alterado, energía y posiblemente una
partícula elemental. El numero de partículas asociado con un desintegración espontanea es
relativamente limitado.
N + Desintegración
N* + E + α, β, γ…
Partículas elementales. Características
* Partículas alfa (α): en escala subatomica, las alfa son de gran tamaño y están formadas por
dos protones y dos neutrones. Son monoenergeticos distribuidos en un intervalo pequeño de
energía. Pierden su energías por choques al atravesar la materia, finalmente convertidas en He
al capturar dos electrones del entorno. Su masa y carga les hace muy eficaces en producción de
pared de iones dentro de la materia que atraviesa. Su baja potencia de penetración hace que
sean relativamente inútiles para producir isotopos artificiales.
* Partículas beta (β): la desintegración de beta se caracteriza por dar un espectro continuo de
energías (depende del proceso de desintegración). Dado su pequeña masa, no es eficaz en
producción de pares de iones. Su potencia de penetración es mayor, son difíciles de avaluar por
su dispersión. Las beta que llevan carga positiva unitaria se llaman positrones. Su destino final es
la aniquilación por interacción con electrones para dar dos fotones.
* Emisión de rayos gamma (γ): radiación penetrante -> baja longitud de onda. Muchos
procesos de emisión de alfa y beta, dejan un núcleo excitado que vuelve al estado fundamental,
en pasos cuantizados, con liberación de rayos gamma (fotones de energía alta). La radiación
gamma es penetrante. Los rayos gamma internacional con materia y pierden su energía de tres
formas:
- Efecto fotoeléctrico, expulsión de un solo electrón del átomo Diana (baja
energía). Este efecto es común en la interacción de rayos γ con átomos de diana de peso
atómico alto.
- Efecto compton, choque elástico de un rayo gamma y un electrón (atenuada). A
veces este efecto se debe a la absorción de fotones gamma relativamente energéticos.
- Si el fotón γ posee E suficientemente elevada puede dar la producción de un par,
beta+ y electrones (alta energía).
* Neutrones (n): Particula de masa 1 y carga 0. Muy eficaz en bombardeos, no influida por
barrera de carga electrostática que rodea al nucleo diana. Los neutrones lentos ( o térmicos) son
mas eficaces de alta energía, para penetrar en procesos nucleares. La irradiación de un isotopo
estable con neutrones puede originar un isotopo excitado con numero atómico 1 unidad mayor
que la diana.
AZX
+ 10 n
[A+1Z X]*
excitado
X + Y
fundamental
A+1Z
RESUMEN DE EMISIONES RADIACTIVAS
Partículas β
EMISIÓN
Negatrón
Positrón
Partículas α
Neutrón
Fotones γ
Fotones Rayos X
Neutrino
SÍMBOLO
B (-)
B (+)
A
N
γ
X
γ
MASA
5.4 10-4
5.4 10-4
4
1
0
0
0
CARGA
-1
1
2
0
0
0
0
PENETRACIÓN
Media
Media
Baja
Muya alta
Muy alta
IONIZACIÓN
Media
Media
Alta
Nula
Muy alta
XAZ  donde A es el numero masico (neutrones+ protones) y Z es el numero atomico.
11. B. 2.
Unidades de desintegración.
El Curie es la unidad fundamental de la radioactividad. Se define como la cantidad de nuclido
en la que ocurren 3,70 E 10 desintegraciones por segundo. Originalmente el Ci fue definido
como la actividas de 1g de Radio 226.
El milicurie (3.70 E 7 desintegraciones/s) y el microcurie (3.70 E5 desintegraciones/s) son
unidades frecuentes.
1 Bq = 1s-1 desintegrando por segundo, Bq: Beckerel
1 Ci = 3.7 x1010, Ci = Curio.
1 mL Ci = 3.7 x10-7 Bq, μCi = 3.7 x104 Bq
11. B. 3. Ley de desintegración
La desintegración radiactiva es un proceso completamente al azar. No obstante puede
describírsela el comportamiento de núcleos con la expresión
−𝒅𝑵
𝒅𝑻
= 𝜆N
Donde:
N: número de núcleos radiactivos de muestra en tiempo t.
𝜆: constante de desintegración
Ordenando la ecuación e integrando entre t=0 y t=t se obtiene:
𝑵
Ln𝑵𝒐 = −𝝀𝒕; 𝑳𝒏𝑵 = 𝒍𝒏𝑵𝒐 − 𝝀𝒕
Así, el periodo de desintegración (t1/2) de un isótopo radiactivo se define como el tiempo
requerido por el número de atomos para que se desintegre la mitad de los atomos radiactivos
en una muestra:
T1/2 =
𝟎.𝟔𝟑𝟗
𝝀
=
𝑳𝒏 𝟐
𝝀
Además, teniendo en cuenta que la actividad = velocidad:
A = 𝜆No e-𝜆t
LnA = Ln𝜆 No – 𝜆t
11.C INSTRUMENTACIÓN EN MÉTODOS RADIOQUÍMICOS. DETECCION DE LA RADIACIÓN.
11. C. 1. Detectores de la radiación: la radiación puede detectarse y evaluarse midiendo la
energía liberad durante su interacción con la materia.
* Detección fotográfica: en los primeros tiempos de la radioquimica la exposición de
emulsiones fotográficas ordinarias formo la base de la detección de radiación. Aún hoy es útil
para la vigila ion de la dosificación total en estudio de radiación cósmica.
* Detección por ionización: la radiación alfa, beta y gamma (también rayos X ordinarios)
actúan con materia dando electrones e iones positivos (pares de iones). Varios detectores de
radiación se basan en la conductividad eléctrica inducida en gas, como consecuencia de la
formación de pares de iones. Cada partícula o fotón de radiación actúa mutuamente con el gas
(Ar) produciendo varios pares de iones primarios. Bajo un potencial aplicado, los electrones
móviles emigran hacia el ánodo (+) central y los cationes más lentos hacia el cátodo (-) metálico
cilíndrico.
* Contadores de centelleo: la luminscencia producida cuando incide radiación en un fósforo
representa un método antiguo de detectar radiactividad. En su primera aplicación consistía en el
conteo manual de los destellos cuando partículas alfa chocaban con una pantalla de ZnS.
El tedio de contar llevó a Gelger a crear detectores de ionización de gas, también sensible a
radiación β y γ. El contador de centelleo moderno más usado consta de un cristal de Na, que
ha sido activado como talio. Tiene forma de cilindro con diámetro y longitud de 76 a 120 mm,
una importante característica de los centelladores es que el número de fotones producidos en
cada destello es proporcional a la E de la radiación incidente.
* Contadores semiconductores: se emplean de forma similar a la cámara de ionización del
gas. Cuando el cristal absorbe radiación, se forman electrones y orificios + que se desplazan
hacia electrodos opuestos. La corriente resultante es proporcional a la energía de la radiación
primaria. Se emplean cristales de Sí y Ge.
11. D
APLICACIONES DE LOS MÉTODOS RADIOQUÍMICOS
11. D. 1 Análisis de activación de neutrones
La activación de neutrones es potencialmente aplicable a la determinación de 69 elementos.
Cuatro de los gases inertes forman isótopos activos con neutrones térmicos. Ademas el oxigeno,
el nitrógeno y el itrio pueden ser activados con neutrones rapidos de un acelerador.
Materiales que pueden ser determinados por este análisis, destacan metales, aleaciones, objetos
arqueológicos, semiconductores. Muestras biológicas, rocas minerales y agua. El análisis de
activación se Isa en química forense. Presenta notable sensibilidad a muchos elementos, a nivel
de trazas pudiendose detectar 10^-5 micro gramos desde Fe hasta solo 10^-6 microgramos de
europio.
11. D. 2
Métodos de dilución isotópica
Son anteriores a los de activación figuran entre los más selectivos a disposición de los químicos.
Se emplean isótopos estables y radiactivos en esta técnica, pero los óptimos presentan facilidad
para determinar la concentración del isótopo.
Estos métodos se basan en introducir una actividad conocida de una especie radiactiva en una
cantidad pesada de la muestra problema. Se homogeneiza la mezcla y una parte del analito se
aisla químicamente en forma de compuesto purificado.
Aplicaciones de método de dilución isotópica:
Se han determinado fracciones de 1 microgramo de Cd, Cu, Hg o ZnS por un procedimiento de
extracción con solución de ditizona en CCl4. Ha resultado útil para la determinación de
compuestos de interés en química orgánica y bioquímica, como por ejemplo: vitamina D, B12...
11. D. 3
METODOS RADIOMETRICOS
Se emplea un reactivo radioactivo de actividad conocida para aislar la sustancia que nos
interesa, de los otros componentes de la muestra. La actividad del producto se relación la
cantidad de la especie que se determina.
Ejemplo de estos métodos son:
-
La determinación de Cr por formación de cromato de Ag activo con ion Ag+ radiactivo.
Precipitación de Mg o Zn por fosfato que contiene P32.
La determinación de F- por precipitación con Ca radiactivo.