QUÍMICA INORGÁNICA AVANZADA

NOCIONES DE RADIOQUÍMICA

Química nuclearComprende el estudio de: reacciones nucleares (energía, tipo de decaimiento, energía dedesactivación), propiedades de los elementos radiactivos, efectos de la radiación ionizante.

Radioquímica1895 Roentgen descubre los rayos X1896 Becquerel descubre la radiactividad del uranio1896-1905 Crookes, Becquerel, Rutherford, Soddy, Dorn y otros estudian radioelementos1898 P. y M. Curie descubren Po y Ra empleando el primer método radioquímico1913 Fajans y Soddy explican las series radiactivas asumiendo la existencia de isótopos1949 comienza en Argentina el uso de la energía nuclear con fines pacíficos1950 se crea la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA)1953 se cuenta con un acelerador de partículas1957 se inaugura el reactor RA-1 en el Centro Atómico Constituyentes1968 se inaugura el reactor RA-3 diseñado y construido en el país en EzeizaActividades de la CNEA: radioquímica, metalurgia, minería del uranio, construcción y operaciónde reactores de investigación y sus combustibles, producción de radioisótopos, empleo de lasradiaciones ionizantes para diagnóstico y tratamiento médico, nucleoelectricidad.

UnidadeseV 1 eV= 1,602x10-19 JCurie (Ci) 1 Ci= 3,70x1010 desintegraciones/seg Becquerel (Bq) 1 Bq= 1 desintegración/segRoentgen (R) 1 R= 2,58x10-4 C/kg capacidad ionizante de rayos X

Núcleo atómicoDiámetro de un átomo ≈ 10-8 cm, del núcleo ≈ 10-12 cm, radio del átomo es 105 veces mayor que elradio del núcleo, el núcleo tiene una densidad de ≈ 1014 g/cm3. Prácticamente la masa del átomose concentra en el núcleo.Nucleido átomo con características nucleares específicas, caracterizado por el número de: protones (número atómico, z) y neutrones (n).

Isodiáfero: igual exceso de n.Isómero: igual A y z y distinto estado energético.

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Elementos en el universoAbundancia de Fe (z= 26) y Ni (z= 28) →núcleos estables, energía de unión. Se libera un excesode energía si: dos núcleos con A < 56 se mezclan (fusión) un núcleo con A > 56 se divide (fisión).

Serie de desintegración naturalesExisten tres series: Th-232, U-238, Ac-227 y la serie Np-297: que debería haberse extinguidopruebas nucleares han liberado núcleos de la cadena radiactiva. N= número entero.

Banda de estabilidad

Hasta z ≈ 20 los isótopos estables en general tienen lamisma cantidad de n que de p, a > z.

Los isótopos estables tienen mayor cantidad de neutrones.

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Tabla de nucleidos

Tabla de Eggerbert

Números mágicos: se ha establecido que los núcleos que presentan n o p igual a los siguientenúmeros son más estables que otros núcleos: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Serían los númerosnecesarios para completar todos los niveles en el modelo de capas.Modelo de capas: los n y p se ubican en capas de distintos niveles energéticos

La estabilidad se puede lograr por una transformación o por una cadena de transformaciones, ladesintegración radiactiva se produce al azar.

Radiactividad: fenómeno por el cual núcleos inestables decaen espontáneamente emitiendopartículas de alta energía.

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Tipos relevantes de desintegración:

- α: núcleos de 4He, partículas energéticas y poco penetrantes, τ= 10-7 segundos a 1015 años,radiaciones α son monoenergéticas: 4-8 MeV, se explica por efecto túnel, esta energía es menorque la necesaria para superar la barrera de energía potencial de 20 MeV, cuanto más estrecha es labarrera de energía potencial, más probable y frecuente es la emisión α.

Espectro de energía α para

212Bi → 208Tl

Regla de Geiger-Nuttal: los núcleos que experimentan desintegración con más frecuencia (menorτ) emiten las partículas α más energéticas.- β: electrones o positrones emitidos con un espectro continuo de energía, tienen todo un espectro

continuo de energía (0 al valor máximo), para cumplir con el principio de la conservación de laenergía y de momento angular se supuso la existencia del neutrino (descubierto en 1956), ni lapartícula β ni el neutrino existen dentro del núcleo, se forman al emitirse.

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Espectro de electrones (β-) emitidos por el Cs-137

β-: e- producidos como consecuencia de la conversión de un neutrón a un protón, n → p + β-

β+: positrones producidos por la conversión de un protón a un neutrón, p → n + β+Los positrones interaccionan con electrones dejando como saldo una radiación deaniquilamiento en forma de rayos γ.

- γ: fotones de alta energía muy penetrantes. Tienen altas energías= varios MeV, las transicionesocurren entre unos 10-17 a 10-3 segundos.

Espectro de Au-197

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- Captura electrónica: si en algún momento hay un solapamiento entre el campo energético delnúcleo y un orbital el electrón puede ser capturado por el núcleo, el electrón se neutraliza y unprotón se convierte en un neutrón, es un proceso competitivo con emisión β+. El electrónpertenece generalmente (80 %) a la capa K, al saltar los electrones de las capas superiores seemiten rayos X, estos rayos X a su vez pueden arrancar otros electrones: electrones Auger.

- Fisión espontánea: un núcleo inestable se rompe en dos núcleos prácticamente iguales, sucede ennúcleos muy pesados (de U en adelante), por ejemplo en 1 kg de U-238 se producen 4,51010

emisiones de partículas α por segundos.

- Conversión interna: la energía de transición de un estado excitado es transferida a un electrónque luego es expelido del átomo.

- Transición isomérica: el núcleo tiene un estado metaestable con un período definido y cae a unnivel energético menor emitiendo un rayo γ o algún otro proceso.

Velocidad de desintegraciónLa probabilidad de que un átomo radiactivo en particular se desintegre en la unidad de tiempo esindependiente del destino de los átomos que lo rodean y de las condiciones físicas (independiente delas propiedades químicas), sólo depende de la estructura del núcleo, es un proceso gobernado porlas leyes del azar por lo que se puede tratar por métodos estadísticos.La probabilidad se denomina constante de desintegración (λ), dN = -λN.dt, en el instante t0 existenN átomos radiactivos, después de t0 + dt se han desintegrado dN átomos.- dN/dt se denomina actividad, se mide en Cu o Bq, representa la velocidad de desintegración de

un núcleo, no representa una velocidad de emisión de partículas.Por ejemplo, si bien el Mo-99 emite una partícula β- de 1,10 MeV sólo en un 17 % de lasdesintegraciones y en un 82 % una partícula β- de 0,143 MeV. Es importante para calcular laactividad medida por un detector o para cálculo de dosis recibidas.Integrando la ecuación fundamental de la desintegración radiactiva para N = N0 en el instante t=0:N= N0 e-λt, la vida media (τ, mean life) es el tiempo promedio de las vidas de los átomos iniciales:τ= 1/λ y el tiempo de vida media (half life, τ½) es el intervalo de tiempo necesario para que el

número de átomos iniciales se reduzca a la mitad: τ½ = ln 2/λ= 0,693/λ.

Interacción de la radiación con la materiaToda interacción de un isótopo radiactivo depende de la radiación emitida (energía y tipo dedesintegración), es imprescindible conocerlos para protección.

Radiación Energía Alcance en aire agua

α 3-9 MeV 3-8 cm 20-40 μmβ 0-5 Mev 0-10 m 0-1 mm

n 0-10 MeV 0-100 m 0-1 mγ 0 keV-10 MeV cm-100 m mm-10 cm

X eV-100 keV m-10 m μm-1 cm

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Ionización: cuando una partícula cargada pasa cerca de un átomo actúan fuerzas electrostáticasentre la partícula y los electrones de los orbitales, un electrón puede adquirir energía suficiente parasepararse del átomo, se forma un par de iones, la partícula pierde parte de su energía.

En aire se requieren unos 32,5 eV para formar un par de iones, por ejemplo, si se dispone de 1 mCide un emisor α que proporciona partículas de 4 MeV y que transfiera esa energía al aire se produceuna corriente de 7,2x10-7 A, la base para la medición de la actividad mediante corriente iónica. Excitación: se produce cuando la energía impartida al electrón no es suficiente para arrancarlo delátomo, pero es suficiente para adquiera mayor energía dentro del átomo, el átomo excitado vuelve alestado inicial emitiendo luz de radiación característica, es la base para la medición de la actividadpor detección de radiaciones mediante contadores de centelleo.

Ionización específica: se mide por par de iones por cm de recorrido, cuando una partícula atraviesaun medio dado, la longitud del recorrido dependerá de la energía inicial y de la velocidad con queesa energía se pierde por unidad de longitud de recorrido, por ejemplo es 4x104 para partículas α y50 para las partículas beta.Bremsstrahlung: radiación electromagnética originada por el cambio en la velocidad de unapartícula β cuando es desviada cerca de un núcleo, tiene propiedades similares a los rayos X, losmejores absorbentes de bremsstrahlung son los materiales de número atómico bajo.

Autoabsorción: existe cuando un emisor de partículas β está uniformemente distribuido en unmedio absorbente, depende de la energía y del espesor en mg/cm2, es importante para el conteo deemisores β de baja energía como el C-14 y el S-35.Aniquilación de positrones: cuando decrece la energía cinética de la partícula β+ aumenta laprobabilidad de la interacción directa entre un electrón y la partícula β+, la energía de la masa dedos electrones se convierte en radiación electromagnética se forman dos fotones de 0,51 MeV cadauno.

Radiación Cerenkov: la velocidad de la luz (c) en la materia depende del índice de refracción delmedio, partículas β con E > 0,6 MeV se mueven en agua más rápidamente que la luz, cuando lavelocidad de la partícula es > c use emite radiación electromagnética (color azulado).

Los rayos γ interacciona con la materia mediante tres procesos conocidos:Efecto fotoeléctrico: la energía total es transferida a un electrón, predomina a bajas energías y enmateriales de z alto.Efecto Compton: es un choque elástico, la energía total es compartida con el electrón, resultando un

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rayo γ de menor energía y distinta dirección, predomina a energías medias.Producción de pares: si el fotón γ tiene energía suficiente y se halla cerca de un núcleo puede crearun par positrón-electrón, predomina a altas energías y en materiales de z elevado.Propiedades de las radiaciones- partículas α: por su alta ionización específica la distancia que pueden recorrer en un medio dado espequeña, alcance (R) se mide en mg/cm2

Az= PA del absorbente

densidad (ρ, g/cm3):- aire = 0,0013- tejido ≈ 1,0- Al = 2,70- Cu= 8,96

En aire una partícula α de 3 MeV tiene un alcance de 1,6 cm y puede ser detenida por una lámina dealuminio de un espesor de aproximadamente 0,015 mm.- partículas β: abandona el núcleo con una velocidad aproximadamente igual a la de la luz, si pasacerca de un electrón es desviada perdiendo energía, cuanto mayor es el número de átomos queencuentra más rápidamente pierde su energía hasta ser capturada por un átomo. Por ejemplo, serequieren unos 6 mm de Al para detener una partícula β de 3 MeV.

Radiodosimetría Unidades de dosis de radiación:Rad 1 rad= 10-2 J/kg = 100 erg/gGray (Gy) 1 Gy= 100 rad r: Roentgenrem: roentgen equivalente hombreSievert (Sv) 1 Sv= 1 J/kg = 100 rem Dosis letal 50 % (DL50): dosis necesaria para matar el 50% de una población dada

El efecto que producen las radiaciones en un medio depende de la energía depositada en el medio, siatraviesa el medio sin interactuar no produce efecto, si cede energía se producen cambios físicos,químicos o biológicos.Intensidad de dosis (ID, MeV/cm3 s): es la cantidad de entrega de energía por unidad de volumen yunidad de tiempo.Intensidad de la radiación (I, MeV/cm2 s): es la cantidad de energía por unidad de superficie yunidad de tiempo.Exposición a rayos X o γ (X, r): es una medida de la capacidad ionizante de los rayos X o γ en elaire, se tiene una exposición de 1 r cuando la ionización producida por electrones secundarios en 1cm3 de aire seco en CNPT es igual a la unidad electrostática de carga de cada signo.

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R (mg /cm2) = 0,173 E3 /2α A 1 /3

z R ´(cm)=R (mg /cm2

)

103ρ(g /cm3

)

R ´(g /cm2)= ρ(g /cm3

) R(cm)

Dosis absorbida (D, Gy): es la cantidad de energía por unidad de masa que es absorbida en unpunto de interés.Tasa de dosis absorbida (Ḋ, Gy/s): es la cantidad de energía por unidad de masa y unidad de tiempoDosis equivalente (H, Sv): es la dosis absorbida por la calidad de la radiación (Q) y un factor n quemodifica la dosis de acuerdo a las condiciones: H = D. Q. n. Para conocer Q se debe conocer el tipode radiación, valores de Q medio:Q= 1 para rayos X, γ y β-Q= 2,3 para neutrones térmicosQ= 10 para neutrones y β+Q= 20 para partículas αDosis equivalente efectiva (He, Sv): se estableció como magnitud limitante de dosis por el ICRP(Comisión Internacional de Protección Radiológica): He = ∑t Ht. Wt, Ht= dosis absorbida por unórgano (tejido, t) en particular, wt= factor que indica la proporción de daño que sufre ese órgano encomparación con el daño total (por ejemplo, wt= 0,20 para gónadas; wt= 0,12 médula ósea, colon,estómago y pulmón; wt= 0,05 para tiroides, hígado; wt= 0,01 para piel, hueso).Dosimetría de fuente externa: la fuente de radiación se encuentra fuera del sistema al cual sesometa para producir un determinado efecto, si se suponen fuentes puntuales y un haz de rayosparalelos a lo largo de un espesor x: N= N0 e-μx donde μ: es el coeficiente lineal de atenuación, dala probabilidad de interacción.Dosimetría de fuente interna: la fuente de radiación se introduce en el sistema al cual se sometapara producir un determinado efecto, si se introduce en el organismos es metabolizado. El órganocrítico: es aquel que recibe la mayor dosis total de radiación, por ejemplo se usa 131I para estudiartiroides.Exposición a radiación ionizante

BlindajeSe calcula el espesor de blindaje de tal manera de cumplir con las normas de seguridad.blindaje hacia adentro: si se conoce la distancia entre la fuente y el receptor.blindaje hacia afuera: se conoce la distancia de la fuente hacia la pared interna del blindaje. Por ejemplo, blindaje contra radiación γ, el caso más simple si se supone un sistema con geometríade haz estrecho y atenuación exponencial: Ix= I0 e-μx donde Ix: intensidad con un absorbente de

espesor x, I0: intensidad sin absorbente, μ: coeficiente de absorción lineal y x: espesor del

absorbente.

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