II. FUENTES DE RADIACI�N
Los n�cleos pueden transformarse unos en otros, o pasar de un estado energ�tico a otro, mediante la emisi�n de radiaciones. Se dice entonces que los n�cleos son radiactivos; el proceso que sufren se denomina decaimiento radiactivo o desintegraci�n radiactiva. Esta transformaci�n o decaimiento sucede de manera espont�nea en cada n�cleo, sin que pueda impedirse mediante ning�n factor externo. N�tese, adem�s, que cada decaimiento va acompa�ado por la emisi�n de al menos una radiaci�n. La energ�a que se lleva cada radiaci�n es perdida por el n�cleo, siendo la fuerza nuclear el origen de esta energ�a y lo que da a las radiaciones sus dos caracter�sticas m�s �tiles: poder penetrar materia y poder depositar su energ�a en ella.
No todos los n�cleos de la naturaleza son radiactivos. El decaimiento nuclear s�lo sucede cuando hay un exceso de masa-energ�a en el n�cleo, la emisi�n le ayuda entonces a lograr una mayor estabilidad. Los decaimientos radiactivos de los diferentes n�cleos se caracterizan por: el tipo de emisi�n, su energ�a y la rapidez de decaimiento.
II.2 TIPOS DE DECAIMIENTO RADIACTIVO
Solo hay unas cuantas maneras en que los n�cleos pueden decaer, si bien cada tipo de n�cleo tiene su propio modo de decaimiento. A continuaci�n describimos los m�s importantes.
a) Decaimiento alfa (a).
Un grupo importante de elementos pesados puede decaer emitiendo part�culas alfa,
que consisten de un agregado de dos protones y dos neutrones. Estas part�culas
alfa son id�nticas a n�cleos de helio (4He),
por lo que su carga es +2e y su n�mero de masa es 4. Cuando un n�cleo
emite una part�cula alfa, pierde 2 unidades de carga y 4 de masa, transform�ndose
en otro n�cleo, como lo indica el siguiente ejemplo:
|
226
|
Raè |
222
|
Rn+ |
4
|
a |
|
88
|
86
|
2
|
N�tese que los n�meros at�micos y de masa deben sumar lo mismo antes y despu�s de la emisi�n. N�tese tambi�n que hay una verdadera transmutaci�n de elementos.
b) Decaimiento beta (b). Hay dos tipos de decaimiento beta, el de la
part�cula negativa y el de la positiva. La part�cula beta negativa que se emite
es un electr�n, con su correspondiente carga y masa, indistinguible de los electrones
de las capas at�micas. En vista de que los n�cleos no contienen electrones,
la explicaci�n de esta emisi�n es que un neutr�n del n�cleo se convierte en
un prot�n y un electr�n; el prot�n resultante permanece dentro del n�cleo en
virtud de la fuerza nuclear, y el electr�n escapa como part�cula beta. El n�mero
de masa del n�cleo resultante es el mismo que el del n�cleo original, pero su
n�mero at�mico se ve aumentado en uno, conserv�ndose as� la carga. El siguiente
caso es un ejemplo de decaimiento beta negativa.
|
24
|
Naè |
24
|
Mg+ |
0
|
b. |
|
11
|
12
|
-1
|
Debe mencionarse que en todo decaimiento beta se emite tambi�n una nueva part�cula, el neutrino. Esta part�cula no tiene carga ni masa y, por lo tanto, no afecta el balance de la ecuaci�n anterior. Por esa raz�n, y porque los neutrinos son muy inocuos, no se incluye en la ecuaci�n. Sin embargo, se lleva parte de la energ�a total disponible en el proceso, quedando la part�cula beta con s�lo una parte de �sta.
Algunos n�cleos emiten part�culas beta positivas (positrones), que tienen la misma masa que los electrones, y carga +e, o sea una carga electr�nica pero positiva. Estas part�culas son las antipart�culas de los electrones. Se crean en el n�cleo cuando un prot�n se convierte en un neutr�n. El nuevo neutr�n permanece en el n�cleo y el positr�n (junto con otro neutrino) es emitido. En consecuencia, el n�cleo pierde una carga positiva, como lo indica el siguiente ejemplo:
|
22
|
Naè |
22
|
Ne+ |
0
|
b. |
|
11
|
10
|
+1
|
C) Decaimiento gamma (g ). Los rayos gamma son fotones, o sea paquetes de radiaci�n electromagn�tica, como la luz visible, la ultravioleta, la infrarroja, los rayos X, las microondas y las ondas de radio. No tienen masa ni carga, y solamente constituyen energ�a emitida en forma de onda. En consecuencia, cuando un n�cleo emite un rayo gamma, se mantiene como el mismo n�cleo, pero en un estado de menor energ�a.
d) Captura electr�nica. En ciertos n�clidos es posible otro tipo de decaimiento, la captura electr�nica. En este caso el n�cleo atrapa un electr�n orbital, de carga negativa. En consecuencia uno de sus protones se transforma en un neutr�n, disminuyendo as� su n�mero at�mico. El electr�n atrapado por el n�cleo generalmente proviene de la capa K, dejando una vacancia. Para llenar esta vacancia, cae un electr�n de una capa exterior (L, M, etc.), emitiendo de manera simult�nea un fot�n de rayos X. El proceso total se identifica por los rayos X emitidos al final, que son caracter�sticos del nuevo �tomo, como lo muestra el siguiente ejemplo:
|
55
|
Fe+
|
0 e
|
è |
55
|
Mn+
|
X
|
|
26
|
-1
|
25
|
Hay otros procesos de menor importancia que tambi�n implican decaimiento radiactivo, transmutaci�n de elementos y emisi�n de alguna radiaci�n caracter�stica. Por otro lado, si se cuenta con un acelerador de part�culas o un reactor nuclear, se puede inducir un gran n�mero de reacciones nucleares acompa�adas por sus correspondientes emisiones. De hecho, en la gran mayor�a de las fuentes radiactivas que se usan en la actualidad, la radiactividad ha sido inducida por bombardeo con neutrones provenientes de un reactor nuclear.
Hay fuentes radiactivas que emiten neutrones, pero �stos provienen de reacciones nucleares secundarias, porque ning�n n�cleo emite neutrones espont�neamente, salvo en el caso poco com�n de la fisi�n nuclear, la cual va acompa�ada por la emisi�n de varios neutrones.
La segunda propiedad que caracteriza al decaimiento radiactivo de cada n�clido es la energ�a de la radiaci�n emitida. Esta energ�a est� dada por la diferencia entre los niveles involucrados en el decaimiento. Como los n�cleos s�lo pueden existir en niveles de energ�a fijos (se dice que su energ�a est� cuantizada), se deduce que la energ�a de decaimiento entre dos estados dados es siempre la misma. Esta energ�a puede incluso servir para identificar el n�clido.
Las radiaciones a y g cumplen con esta regla de ser monoenerg�ticas si provienen de un solo tipo de decaimiento. Las b, sin embargo, deben compartir la energ�a disponible con el neutrino, por lo que tienen un espectro continuo de energ�as. Las radiaciones nucleares tienen normalmente energ�as del orden de los MeV.
II.4. LEY DE DECAIMIENTO RADIACTIVO
La tercera propiedad caracter�stica de la desintegraci�n radiactiva es su rapidez. Un n�clido al desintegrarse se transforma en otro n�clido y por lo tanto desaparece. Si el proceso es r�pido, el n�clido original dura poco, pronto se agota. Si el proceso es lento, puede durar mucho tiempo, hasta miles de millones de a�os.
Sup�ngase que se tiene una muestra con un n�mero dado N de n�cleos radiactivos. La actividad A, o sea la emisi�n de radiaci�n por unidad de tiempo, es proporcional al n�mero N presente en cada instante:
La cantidad
l se llama constante de decaimiento, y es caracter�stica de cada
elemento y cada tipo de decaimiento. Representa la probabilidad de que haya
una emisi�n en un lapso dado. De acuerdo con la f�rmula, para un valor dado
de N, la actividad es mayor o menor en magnitud seg�n si l
es grande o peque�a.
Figura 6. Ley de decaimiento exponencial. Si l
es grande, el decaimiento es rápido; si l
es pequeña, el decaimiento es lento.
La actividad A se mide en desintegraciones/ unidad de tiempo. La unidad de
actividad aceptada internacionalmente es el Becquerel (Bq), que equivale
a 1
desintegraci�n/ segundo. Sus m�ltiplos son:
|
1 KiloBecquerel =
|
1 kBq = 1 000 desintegraciones/ segundo |
| 1 MegaBecquerel
= |
1 MBq |
|
=
|
1 000 000 desintegraciones/ segundo |
Tambi�n se ha usado tradicionalmente la unidad Curie (Ci), igual a 3.7 X
10 10 desintegraciones/
segundo (�sta es la actividad de un gramo de radio). Es claro que 1 Ci =
3.7 X 10 10
Bq. Cuando uno adquiere una fuente radiactiva, debe especificarse su
actividad. Por ejemplo, una fuente de 1 Ci de 60
Co. Los subm�ltiplos del Curie son:
|
1 miliCurie = 1 mCi =
|
l0-3Ci
= .001 Ci
|
|
1 microCurie = 1 mCi
|
= l0-6Ci = .000001
Ci
|
El Ap�ndice II indica c�mo puede uno obtener la ley de decaimiento radiactivo,
En esta ecuaci�n Ao es la actividad
inicial de la muestra, e es la funci�n exponencial, y t es el
tiempo. La figura 6 es una gr�fica de actividad contra tiempo. Al principio
del proceso, cuando t=0, la actividad tiene un valor Ao.
Al transcurrir el tiempo, el valor de A va disminuyendo hasta que, para
tiempos muy grandes, casi desaparece. El valor de la constante de decaimiento
l
determina qu� tan r�pidamente cae la curva. Si la misma ecuaci�n se grafica
en papel semilogarítmico, el resultado es una l�nea recta, como lo muestra
la figura 7.
Figura 7. Ley de decaimiento exponencial graficada en papel semilogar�tmico
II.5. LA VIDA MEDIA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS
Para representar la duraci�n de las fuentes radiactivas se ha definido el concepto de vida media, y se representa como t1/2. La vida media de un is�topo es el tiempo que tarda en reducirse su actividad a la mitad. Dada la naturaleza de la funci�n exponencial, esta vida media es la misma sin importar el instante en que se empieza a contar.
Como se puede ver en la figura 8, al transcurrir una vida media, la actividad se reduce a la mitad, al transcurrir dos vidas medias, se reduce a la cuarta parte, al transcurrir tres vidas medias, se reduce a una octava parte, etc. En general, si transcurren n vidas medias, la actividad se reduce a una fracci�n l/2n del valor original.
Número
de vidas medias transcurridas (n)
Figura 8. Por cada vida media que pasa, la actividad se reduce a la mitad.
Despu�s de n vidas medias, la actividad es A o /2n
Sabemos que la constante de decaimiento l
representa la probabilidad de desintegraci�n. Por lo tanto, es de esperarse
que si l
es grande, la vida media es corta, y viceversa, o sea que hay una relaci�n inversa
entre la constante de decaimiento y la vida media. Esta relaci�n es la siguiente:
|
t1/2
=
|
0.693
|
|
|
|
|
l
|
seg�n se demuestra en el Ap�ndice II.
Cada n�clido tiene su vida media propia, y �sta es otra cantidad que no puede ser alterada por ning�n factor externo. Las vidas medias de los is�topos pueden ser desde fracciones de segundo hasta miles de millones de a�os. El cuadro 3 muestra las vidas medias de algunos radiois�topos importantes.
|
|
||
|
3 H |
12.26 |
años
|
|
14 C
|
5.730
|
años
|
|
22 Na
|
2.6
|
años
|
|
32 P
|
14.3
|
días
|
|
40 K
|
1.3 x 109
|
años
|
|
60 Co
|
5.24
|
años
|
|
90 Sr
|
28.8
|
años
|
|
124 Sb
|
60.4
|
días
|
|
129 I
|
1.6 x 107
|
años
|
|
131 I
|
8.05
|
días
|
|
137 Cs
|
30
|
años
|
|
170 Tm
|
134
|
días
|
|
169 Yb
|
32
|
días
|
|
192 Ir
|
74
|
días
|
|
210 Po
|
138
|
días
|
|
222 Rn
|
3.82
|
días
|
|
226 Ra
|
1620
|
años
|
|
235 U
|
7.13 x 108
|
años
|
|
238 U
|
4.51 x 109
|
años
|
|
239 Pu
|
24 360
|
años
|
|
241 Am
|
458
|
años
|
|
252 Cf
|
2.7
|
años
|
|
|
||
II.6 LOS ESQUEMAS DE DECAIMIENTO
Todas las caracter�sticas hasta aqu� descritas sobre la desintegraci�n radiactiva de cada n�clido se pueden representar de forma gr�fica en un llamado esquema de decaimiento, como los mostrados en la figura 9 para varios is�topos: En estos esquemas, las l�neas horizontales representan los estados energ�ticos en que pueden estar los n�cleos, y distintos n�cleos se encuentran desplazados horizontalmente, creciendo Z hacia la derecha. Las flechas indican transiciones por emisi�n radiactiva. La escala vertical es una escala de energ�as; la energ�a disponible para cada decaimiento est� indicada por la separaci�n entre los estados correspondientes. De esta manera un decaimiento por part�cula cargada implica una flecha diagonal, y una emisi�n de rayo gamma una flecha vertical.
Para la figura 9 se han seleccionado unos de los radiois�topos m�s empleados
en la industria, el 32P, el
60Co y el 137Cs
(el 192Ir no se presenta
por su complejidad). Al observar detalladamente estos esquemas, se ve que un
n�clido puede decaer de varios modos distintos, que tienen indicado el porcentaje
en que se presenta cada uno. Adem�s, puede haber decaimientos secuenciales en
varios pasos hasta llegar al estado de menor energ�a (estado base). La emisi�n
de rayos gamma siempre es resultado de la creaci�n previa de un estado excitado
del n�cleo final. �ste decae (posiblemente en varios pasos) hasta el estado
base mediante transiciones llamadas isom�ricas.
Figura 9. Esquemas de decaimiento de algunos is�topos.
Algunos de estos esquemas pueden ser muy complejos. A fin de simplificar la figura s�lo se muestran las transiciones m�s importantes. Habr� que recalcar que no hay dos esquemas de decaimiento iguales, y el conocimiento que se tiene sobre decaimientos nucleares conforma ya un gran acervo.
Obs�rvese, por ejemplo, el caso del 32P. Cada desintegraci�n corresponde a la emisi�n de una beta negativa y un neutrino, cuya suma de energ�as es 1.71 MeV, quedando como resultado un n�cleo de 32S en su estado base. En el caso del 60Co, se emite beta con neutrino y luego dos rayos gamma secuenciales de 1.17 y 1.33 MeV. En el 137Cs, la mayor�a de las veces (92%) se emite beta negativa con neutrino y luego un rayo gamma de .662 MeV; en 8% de los casos se emite s�lo una beta con neutrino, de un total de energ�a de 1.17 MeV. El decaimiento del 192Ir es m�s complicado, emiti�ndose betas positivas y negativas, neutrinos y varios rayos gamma de distintas energ�as.
II.7.FORMA F�SICA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS
Como los radiois�topos tienen las mismas propiedades qu�micas que los elementos estables, las substancias radiactivas pueden presentarse de muy distintas formas. Para empezar, pueden ser s�lidos, l�quidos o gases, de acuerdo con el material primario empleado en su producci�n. La producci�n de radiois�topos consiste en colocar la substancia en un reactor nuclear y someterla a un bombardeo intenso con neutrones. Se puede tener, adem�s, el material radiactivo en diferentes compuestos qu�micos.
Las fuentes radiactivas m�s empleadas (fuera de los laboratorios de investigaci�n) se encuentran encapsuladas, de manera que es poco probable que el material se esparza a menos que se le someta a un intenso maltrato. Generalmente est�n soldadas dentro de una c�psula de acero inoxidable que permite la salida de los rayos gamma pero no de las alfas y s�lo parte de las betas. Nunca debe interferirse con el encapsulamiento de una fuente radiactiva.
Cuando se adquiere una fuente radiactiva, el proveedor deber� especificar de qu� is�topo se trata y cu�l es la actividad de la fuente en Becquerels o Curies.
Adem�s de las fuentes radiactivas, en la industria o en la medicina suelen usarse aparatos de rayos X. A diferencia de las fuentes radiactivas, pueden encenderse o apagarse cuando se necesite. Esta caracter�stica, a primera vista trivial, hace que el manejo de cada tipo de fuente sea muy distinto, y que las precauciones para protegerse de la radiaci�n tambi�n lo sean.
Los generadores de rayos X funcionan con base en el hecho de que, cuando un haz de electrones es frenado en un material, emite radiaci�n electromagn�tica (fotones) principalmente de longitudes de onda correspondientes a los llamados rayos X. Sus componentes principales se indican en la figura 10. Un generador de rayos X consta de un bulbo de vidrio a alto vac�o, con dos electrodos a los que se conecta un alto voltaje. El electrodo negativo, o c�todo, contiene un filamento emisor de electrones y es de forma tal que los electrones emitidos se enfocan en una peque�a regi�n del �nodo, o electrodo positivo.
Figura 10. Tubo generador de rayos X.
Este �nodo generalmente es de wolframio (tungsteno), cuyo elemento puede soportar las altas temperaturas que resultan del bombardeo electr�nico. Si se conecta un alto voltaje entre los dos electrodos, los electrones cat�dicos se aceleran a altas velocidades y adquieren la energ�a correspondiente al voltaje aplicado. Cuando llegan al �nodo, se frenan bruscamente, produciendo rayos X y calor. Los rayos X salen del tubo lateralmente a trav�s del vidrio.
Para activar el tubo de rayos X, es necesaria una fuente de alimentaci�n de alto voltaje. Por lo general se emplean decenas o hasta centenas de kilovolts. El valor del alto voltaje determina la penetraci�n de los rayos X, como veremos m�s adelante. El haz de electrones constituye una corriente el�ctrica entre los dos electrodos, medida en miliamperes. La cantidad de rayos X producida, que define la dosis de radiaci�n, es proporcional a la corriente de electrones, que puede ser hasta de unos 200 mamps. Esta se controla mediante una fuente de alimentaci�n del filamento.
Figura 11. Espectro de energ�as de un tubo de rayos X.
La energ�a de los rayos X producidos tiene un espectro continuo, como el que se fija en la figura 11. La energ�a m�xima est� dada por el kilovoltaje aplicado, la m�nima por el grueso del vidrio que tienen que atravesar al salir del tubo. Sobre este espectro se encuentran dos picos de energ�as fijas, correspondientes a los rayos X caracter�sticos del tungsteno, producto de la ionizaci�n de este elemento.
En ocasiones se emplean fuentes de neutrones para la exploraci�n geof�sica por las caracter�sticas especiales de la dispersi�n de estas part�culas en la materia. Como ya sabemos, no existen substancias radiactivas que emitan neutrones, con excepci�n de algunos elementos pesados que sufren fisi�n espont�nea, rompi�ndose en dos fragmentos masivos y emitiendo varios neutrones a la vez. Un ejemplo es el californio 252Cf, que emite 3 o 4 neutrones por cada fisi�n. Adem�s, sufre decaimiento alfa con una vida media de 2.7 a�os. Acompa�a a estas emisiones una importante cantidad de rayos gamma.
Las fuentes m�s comunes de neutrones se basan en inducir una reacci�n nuclear
cuyo producto sea un neutr�n. Las reacciones m�s empleadas para esto son las
siguientes:
9Be+a
12C+n (5.704 MeV)
9Be+ y
8Be+n (-1.666 MeV)
2H+y
1H+n ( -2.225 MeV)
3H+ 2H
4He+n
( 17.586 MeV)
Estas reacciones pueden ser provocadas de distintas maneras, pero siempre basadas en hacer llegar un proyectil al blanco correspondiente. El valor indicado en el par�ntesis es la energ�a disponible en cada tipo de reacci�n y corresponde aproximadamente a la energ�a del neutr�n emitido. Cuando es negativo, se requiere que el proyectil tenga por lo menos esta energ�a adicional para provocar la reacci�n. Aunque los neutrones pueden ser producidos en reactores o aceleradores nucleares de varios dise�os, las fuentes m�s com�nmente usadas en la industria son port�tiles, y de dos tipos, las de berilio y los generadores de tubo sellado.
Las fuentes de berilio aprovechan cualquiera de las dos primeras reacciones mencionadas en que se hacen llegar part�culas alfa o rayos gamma de una substancia radiactiva primaria al elemento berilio. Los emisores de alfas m�s empleados en estas fuentes sin el 241Am, el 239Pu y el Po; el emisor de gammas m�s com�n es el Sb. Con objeto de que las alfas o las gammas lleguen con gran eficiencia al berilio, ambas substancias est�n en forma de polvo, y se mezclan a fondo. Si por accidente se rompiera el sello de una de estas fuentes y se esparcieran los polvos, cada uno de ellos ser�a t�xico por su lado, pero ya no se emitir�an neutrones.
La vida media de estas fuentes claramente es la vida media del emisor primario de radiaci�n, porque al irse agotando �ste habr� menos radiaciones para inducir la reacci�n secundaria. Las energ�as de los neutrones emitidos muestran un espectro continuo, pero siendo del orden de los MeV, se denominan neutrones r�pidos.
Los generadores de neutrones de tubo sellado consisten en un peque�o acelerador de alto voltaje (alrededor de 120 kv) en el que se aceleran deuterones (2H+) para chocar contra un blanco de 3H o de 2H. Se producen neutrones en virtud de las �ltimas dos reacciones mencionadas. �stos son r�pidos y casi monoenerg�ticos (de una sola energ�a). Los generadores de neutrones tienen la ventaja de que se pueden encender y apagar, reduci�ndose pr�cticamente a cero los riesgos de la radiaci�n cuando est�n apagados.
