Radiactividad ambiental

¿Qué es la radiactividad ambiental?
¿Por qué controlar los niveles radiactivos ambientales?
¿Cuáles son las fuentes?
¿Cómo se dispersa en los ecosistemas?
¿Cómo se detecta/mide?
¿Cuando y cómo se descubre la
radiactividad?
La fecha: marzo de 1896
El descubridor: Henri Becquerel
La investigación: velado de placa fotográfica por sales de uranio
que emiten fluorescencia inducida por la luz solar. La fluorescencia
se relacionaba con la emisión de rayos-X (descubiertos 4 meses
antes por Roentgen).
El hecho fortuito: las sales de uranio velan la película fotográfica
sin haber sido expuestas a la luz solar. Es decir sin que se induzca la
fluorescencia.
La interpretación: las sales de uranio emiten una radiación de
naturaleza desconocida
La búsqueda de elementos
radioactivos
Julio-diciembre de 1898. Los investigadores: Pierre y Marie Curie
El método: la radiactividad emitida por las sales de uranio provoca la descarga
de un electroscopio. Pierre Curie diseñó un electroscopio muy sensible ante el
se situaban las sustancias para estudiar sus propiedades radioactivas.
Las sustancias: sales de uranio y sales de torio
La evidencia: la radioactividad de las sales era superior a la de los elementos
uranio y torio.
La interpretación: debían existir elementos desconocidos responsables de la
radioactividad. Marie Curie logra aislar de la pechblenda el polonio (400 veces
mas activo que el uranio) y el radio (un millón de veces mas activo que el
uranio).
1899 Debierne: actinio.
1899 Rutherford y Soddy: radón (en asociación con el torio, radio y actinio)
¿Qué propiedades observaron?
Descargan un electroscopio: tienen carga eléctrica.
Es una fuente de energía: el calor desprendido en la desintegración de 1 g de
radio es de 420 J (100 calorías) por hora, continuamente (la combustión de 1 g
de C produce 34000 J = 8000 calorías).
Fenómeno asociado a los átomos: independiente de su estado físico o
químico.
Componentes de la radiación
Efectos de campos magnéticos sobre la radiación: F = q vxB
Rutherford
•Dos tipos de radiación con carga + y -, respectivamente
cuya trayectoria se ve afectada por B.
α
Radiación alfa: α (+)
Radiación beta: β(−), β(+)
α = He++
β− = eβ+ = e+
•Un tipo de radiación sin carga cuya trayectoria no se ve
afectada por B
Radiación gamma: γ
He
(luz)
V
Componentes de la radiación
Significado de la radioactividad Æ desarrollo de la teoría nuclear
1911: los rayos alfa permiten desentrañar la estructura de la materia
(experiencias de Geiger y Marsen)
α
Au
Pb
α
MODELO DE THOMSON
α
+
MODELO DE RUTHERFORD
Se diferencian los fenómenos
atómicos de los nucleares
Significado de la radioactividad Æ desarrollo de la teoría nuclear
1913: Moseley estudia los espectros de rayos-X e identifica Z = nº eZ es el nº de orden de la clasificación de Mendeleiev
El núcleo de be tener una carga Z(+)
1913: Bohr introduce la cuantificación del modelo atómico e introduce el
concepto de orbital, completado posteriormente por Sommerfeld
1919: Rutherford realiza la primera transmutación artificial:
14 N
7
+ 42He Æ (189F) Æ 178O + 11H
1920: Rutherford postula la existencia del neutrón
1932: Chadwik descubre experimentalmente el neutrón
1933: Irene y Frederic Joliot-Curie descubren la radiactividad artificial
27 Al
13
+ 42He Æ 3015P + 10n
30 PÆβ+
15
La radiactividad natural puso de manifiesto la
estructura compleja del núcleo, encajando con las
teorías postuladas para su constitución.
Si en la naturaleza unos núcleos se transformaban
en otros, la radiactividad artificial abrió la
posibilidad de inducir la transmutación de núcleos
estables por la acción humana. Fermi y otros físicos
y químicos, basándose en todo lo precedente
consiguieron la fisión nuclear y crear isótopos
radioactivos inexistentes en la naturaleza.
La radiactividad es la propiedad que presentan
algunos átomos de transformarse
espontáneamente, originando un átomo de otro
elemento y emitiendo radiación α, β o γ.
MAGNITUDES DEL NUCLEO ATOMICO
ATOMO : CORTEZA Æ Z electrones
NÚCLEO Æ Z protones + N neutrones
protón, neutrón Æ nucleón
Z: número atómico
A: número másico = Z+N
DIMENSIONES
A
X
N
Z
Radio atómico: 10-10 m = 1 Angstrom (Å)
Radio nuclear : 10-15 m = 1 Fermi
Masa protón: 1,672·10-27 kg = 1,00758 u.m.a = 938 MeV
Masa neutrón: 1,675·10-27 kg = 1,00893 u.m.a = 939 MeV
Masa electrón: 9,108·10-31 kg = 0,00055 u.m.a = 0,5116 MeV
1 u.m.a = masa (12C) / 12 = 1,6605·10-27 kg = 931,5 MeV
1 MeV = 1,602· 10-13 J
Carga protón: +1,602·10-19 C
Carga electrón: -1,602·10-19 C
Carga neutrón: sin carga
ESTRUCTURA NUCLEAR
¿Cómo pueden permanecer unidos los
protones y neutrones en el núcleo?
Int. Relativa
Gravitación 10-38
Débil
10-13
E.M.
10-2
Fuerte
1
Alcance
grande
<10-18m
grande
<10-15m
La estabilidad nuclear se explica a partir de:
a) Fuerzas de Unión Æ Fuerza Nuclear Fuerte
b) Energía de Enlace
Fuerza Nuclear Fuerte:
mantiene unidos a los quarks (partículas constituyentes de los
neutrones y protones) en el reducido volumen del núcleo.
V(r)
r (Fermi)
•Corto alcance
•Independiente de la carga eléctrica
•Atractivas
•Repulsivas por debajo de 10-15 m
•No centrales
•Son fuerzas saturadas
•Muy intensas (~ MeV)
p+
n
p+
p+
n
n
La FNF supera la repulsión de la carga eléctrica de los protones y
origina un núcleo estable que sólo se puede romper con un aporte
externo de energía.
Defecto de Masa (Δm) - Energía de Enlace (ΔE) :
Midiendo la variación entre la suma de la masa de los protones y
neutrones cuando están separados y su masa cuando están juntos
formando el núcleo, se puede deducir la energía de enlace entre ellos.
ΔE = Δm·c2
CLASIFICACIÓN DE LOS NUCLEIDOS
CURVA DE ESTABILIDAD
Isótopos: = Z ≠ A
Isóbaros: ≠ Z = A
Abundancia:
90 elementos naturales
13 elementos artificiales
1525 isótopos: ~ 325 naturales
~ 1200 artificiales
~ 274 estables
~ 1251 radioactivos
RADIACTIVIDAD
Radiación
Núcleo inestable
Núcleo estable
¿Qué tipo de radiación se emite?
Corpuscular:
Partículas alfa: α
4 He ++
2
2
4 α
2 2
Electrones:
β-
0 e
-1 1
Positrones:
β+
Electromagnética: Radiación gamma γ
0 e
1 -1
0 β-1 1
0 β+
1
-1
¿Qué cambios se producen en la desintegración radiactiva de un núcleo?
A
Alfa
4
α
2
2
X
N
Z
0
A
Beta-
X
N
Z
n Æ p+ + e- + ν
A
Beta+
X
N
Z
A
Gamma
X*
N
Z
β-
-1
1
A-4
Y
Z-2 N-2
+
+
0
p+ Æ n + e+ + ν
+ +
β
-1
1
γ
+
A
Y
Z+1 N-1
A
Y
Z-1 N+1
A
X
N
Z
DESINTEGRACIÓN ALFA
234
92U142
Æ α + 23090Th140
DESINTEGRACIÓN BETA
204
81Tl123
Æ β− + 20482Pb122
204 Tl
81
β−
204 Pb
82
βmax = 0.766 MeV
DESINTEGRACIÓN GAMMA
60
27Co*33
Æ γ + 6027Co33
¿Qué magnitudes caracterizan la radiactividad?
ACTIVIDAD: A
número de desintegraciones por unidad de tiempo
Unidades: desintegración/s = Becquerelio = Bq
CONSTANTE DE DESINTEGRACIÓN: λ
Probabilidad por unidad de tiempo de que se produzca
la desintegración
Unidades: segundos-1, horas-1, años-1, … (tiempo-1)
PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: T1/2
Tiempo que tiene que transcurrir para que se haya
desintegrado la mitad de la población de núcleos
radiactivos de la muestra.
Unidades: segundos, horas, años, … (tiempo)
Supongamos que el isótopo amarillo se desintegra transformándose en el violeta y que su
periodo de semidesintegración es de 5750 años. Veamos cómo afecta el paso del tiempo:
17
250
años
5750
11
500
años
¿Cúal es el tratamiento matemático?
Número de desintegraciones
Actividad =
Tiempo
A0(desintegraciones) /s
-λt
A(t) =A0e
λ = (ln2/T1/2) constante de desintegración
T1/2: periodo de semidesintegración
A0/2
T1/2 =300s
0
500
1000
t (segundos)
1500
2000
EQUILIBRIO RADIOACTIVO
EQUILIBRIO SECULAR
EQUILIBRIO TRANSITORIO
1,0
1,0
0,9
0,8
A(Ra)
A(Rn)
0,8
0,7
A(Ba)
A(La)
A/A0
A/A0
0,6
0,5
0,4
0,6
0,4
0,3
0,2
0,2
0,1
0,0
0,0
0
500
1000
1500
2000
0
10
20
30
40
Æ 14056La + β-
306,5 h
40,27 h
60
70
80
t (dias)
t (h)
140 Ba
56
50
226 Ra
88
Æ 22286Rn + α
1601 años
3,82 días
90
100
Propuesta:
Calcular numérica y gráficamente “tm” y
representar en una misma gráfica las curvas de
actividad A1, A2 y A1+A2 en función de t/T,
considerando la serie 1Æ 2 Æ 3 (estable):
Para:
a) T1=T y T2=T/2
b) T1=T y T2=2T
c) T1=100T y T2=T
d) T1=4T y T2=T