Geoqumica Isotpica

Tema 1.3

Radiactividad y decaimiento radiactivo

Historia del descubrimiento y aplicacin de la radioactividad

1896 Becquerel descubre la radiacin del uranio (radioactividad).

1896-1905 Crookes, Becquerel, Rutherford, Soddy, Dorn, Boltwood et al.

Descubren que la desintegracin radioactiva es la transformacin de tomos

en diferentes radioelementos que estn genticamente conectados en las

series radiactivas naturales.

1898 P. y M. Curie descubren el polonio y el radio, primer mtodo

radioqumico.

1896-1905 P. Curie, Debierne, Becquerel, Danilos et al. Descubren que la

radiacin afecta a las sustancias qumicas y que causa dao biolgico.

1900 Villar y Becquerel proponen que la radiacin gamma es de naturaleza

electromagntica, probado finalmente por Rutherford y Andrade en 1914.

1900 Becquerel identifica a la radiacin beta como electrones

1902 Primera cantidad macroscpica de un elemento radiactivo aislado, Ra,

por P. y M. Curie y Debierne

1903 Rutherford: la radiacin alfa son tomos de 4He ionizados

1903 Einstein formula la ley de equivalencia entre masa y energa

1907 Stenbeck realiza el primer tratamiento teraputico con Ra y cura cncer

de piel

1911 Rutherford, Geiger y Marsden concluyen la medicin de la desviacin

de la radiacin alfa contra lminas delgadas de tomos.

1913 Hess descubre la radiacin csmica

1913 N. Bohr muestra que el ncleo atmico est rodeado de electrones en

orbitales fijos

1919 Aston construye el primer espectrmetro de masa y descubre que la

masa de los istopos no es un entero exacto

1925-1927 Importantes avances en la mejora del modelo atmico de Bohr:

principio de exclusin de Pauli, la relacin de incertidumbre de Heisenberg, la

mecnica de ondas de Schrdinger

1931 Pauli postula una nueva partcula, el neutrino, que se forma en la

desintegracin beta

1932 Lawrence y Livingston construyen el primer ciclotrn

1932 Urey descubre el deuterio y obtiene enriquecimiento isotpico mediante

la evaporacin de hidrgeno lquido

1932 Chadwick descubre el neutrn

1932 Andersson descubre el positrn investigando los rayos csmicos en una

cmara de gases

1932 Urey y Rittenberg muestran efectos isotpicos en reacciones qumicas

1934 Joliot e I. Curie descubren la radioactividad artificial

1935 DeHevesy desarrolla el anlisis por activacin neutrnica

1938 Hahn y Strassman descubren productos de fisin despus de la

irradiacin de uranio con neutrones

Historia del descubrimiento y aplicacin de la radioactividad

Radiactividad Natural

En la naturaleza aparecen ms de 70 istopos radiactivos

Se clasifican en:

Primordiales: Istopos con t1/2

del orden de 109 aos, similar a la edad de la tierra: 40K 1.28 x 109 aos, 50V 1.4 x 1017 aos, 238U 4.47 x 109 aos, 235U 7.04 x 108 aos, 232Th 1.40 x 1010 aos familias radiactivas naturales

Radiactividad Natural

Cosmognicos: Istopos de t1/2

relativamente corto producidos por la interaccin de los rayos csmicos con la materia: 3H 12.32 aos, 14C 5730 aos, 7Be 53.29 das, 10Be 1.6 x 106 aos

Istopo Blanco t1/2 Materiales datados

10Be O, Mg, Fe 1,4 Ma Cuarzo, olivino, magnetita

26Al Si, Al, Fe 705 ka Cuarzo, olivino

36Cl Ca, K, Cl 301 ka Cuarzo

3He O, Mg, Si, Ca, Fe, Al estable Olivino, piroxeno

21Ne Mg, Na, Al, Fe, Si Cuarzo, olivino, piroxeno

Antropognicos: Introducidos en el ambiente por actividades humanas: 137Cs 30.17 aos 90Sr 28.78 aos elementos transurnicos: Pu

Radiactividad Natural

- Produccin y reprocesamiento de combustible nuclear - Reactores nucleares - Accidentes en reactores nucleares - Explosin de armas nucleares

Istopo t1/2 Fuente Aplicaciones Notas

3H 12.32 a armas nucleares, reactores nucleares

Trazador para agua de lluvia desde el tiempo de las bombas en aguas subterrneas y agua de mar. Determinacin de edad 3H-3He

Fondo de 3H cosmognico

14C 5730 a armas nucleares Identificacin de materiales carbonatados orgnicos e inorgnicos producidos en los ltimos 60 aos

Fondo de 14C cosmognico

54Mn 312 das armas nucleares Transferencia trfica en organismos -

137Cs 134Cs

30.14 a 2,06 a

armas nucleares, reactores, plantas de reprocesamiento de combustible nuclear

Trazador de agua de mar, erosin de suelos, datacin de sedimentos, fuentes de aerosoles

-

90Sr 28,6 a Reactores nucleares, armas nucleares

Trazador de agua de mar, fuentes de polvo

-

239Pu 240Pu 241Pu

24100 a 6560 a 14.4 a

Reactores nucleares, armas nucleares

Trazador de agua de mar, identificacin de fuentes de Pu, erosin de suelos, trazador de polvo atmosfrico

El Pu no existe en la naturaleza

131I 129I

8.02 das 1.57x107 a

Reactores nucleares, armas nucleares

Datacin de agua subterrnea, movimiento de masas de agua

Fondo de 129I cosmognico

85Kr 10.72 a armas nucleares Datacin de aguas subterrneas -

36Cl 3.0x105 a armas nucleares Datacin de aguas subterrneas Fondo de 36Cl cosmognico

241Am 432,2 a Reactores nucleares Trazador de fuentes de americio El Am no existe en la naturaleza

tomo radioactivo

Partcula

Radiacin

e

e+

Rayos X

Rayos

Desintegracin beta

Desintegracin alfa

Desintegracin gamma

Captura electrnica

n, ncleos Fisin

4He

Desintegracin radiactiva

Los ncleos estn compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos ncleos tienen una combinacin de protones y neutrones que no conduce a una configuracin estable. Estos ncleos son inestables o radiactivos. Los ncleos inestables tienden a aproximarse a la configuracin estable emitiendo ciertas partculas. Los tipos de desintegracin radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partculas emitidas.

X: smbolo del elemento qumico A: nmero msico (N+Z) Z: nmero atmico N: nmero de neutrones

Tabla de nclidos

Desintegracin alfa

La desintegracin alfa es una forma de desintegracin radiactiva donde un ncleo atmico emite un ncleo de helio (partcula alfa) y se transforma en otro ncleo con cuatro unidades menos de ndice de masa (suma del nmero de protones y neutrones en el ncleo, A) y dos unidades menos de nmero atmico (nmero de protones en el ncleo, Z, igual al nmero de electrones)

Padre

Hijo

Desintegracin beta

La desintegracin beta o decaimiento beta es el proceso en el que un ncleo inestable emite una partcula beta para optimizar la relacin neutrones/protones del ncleo

En la emisin beta varan el nmero de protones y de neutrones, mientras que la suma de estos (A) permanece constante

227Th

227Ac

Se obtiene un ncleo con Z+1 protones

Este proceso compite en ocurrencia con la captura electrnica

40K

40Ar Se obtiene un ncleo con Z-1 protones

Desintegracin beta positiva

Captura electrnica

La captura electrnica es un proceso mediante el cual un electrn atmico se combina con un protn del ncleo y forma un neutrn y un neutrino.

El producto de la desintegracin se obtiene generalmente en un estado excitado, por lo que se suelen originar cascadas de rayos gamma hasta que se alcanza el estado fundamental

Se obtiene un ncleo con Z-1 protones

Rayos X caractersticos

Decaimiento ramificado del 40K

Fisin nuclear

La fisin ocurre cuando un ncleo pesado se divide en dos o ms ncleos pequeos, adems de algunos subproductos como neutrones libres, rayos , y otros fragmentos de ncleo como partculas alfa y beta

Productos de fisin La fisin nuclear puede ser espontnea o inducida

Emisin gamma

Se conocen cuatro procesos de desintegracin radiactiva que transcurren o se estudian dentro de la emisin gamma:

desexcitacin de ncleos excitados

Los ncleos hijos producidos por desintegracin o o por fisin nuclear frecuentemente quedan en estados excitados. De estos estados excitados pasan al estado fundamental mediante la emisin de cuantos de radiacin electromagntica. Esta emisin conduce solamente a una disminucin de la energa del ncleo emisor y no conlleva a cambios estructurales en el ncleo por lo tanto no varan ni Z ni A).

transicin isomrica

Existen ncleos que pueden permanecer largo tiempo en el estado excitado y son llamados metaestables. Se denominan ismeros nucleares a aquellos ncleos que se diferencian por encontrarse en estados energticos distintos. En estos casos, el proceso de emisin gamma se denomina transicin isomrica

Emisin gamma

aniquilacin positrnica

La conversin interna es un mecanismo de liberacin de energa, en el cual la energa de excitacin del ncleo se le trasmite directamente (sin la emisin de radiacin ) a un electrn orbital, el cual inmediatamente abandona el tomo con una energa discreta

conversin interna

de conversin de Auger

Los electrones de conversin se diferencian de los electrones porque: Las partculas son electrones nucleares, mientras que los electrones de conversin son electrones orbitales El espectro es continuo, mientras los electrones de conversin tienen un espectro discreto

La reaccin e+ + e- + se conoce como aniquilacin positrn-electrn y se emiten dos rayos gamma de 0,511 MeV de energa

Efecto fotoelctrico

Rayo incidente

e- El efecto fotoelctrico es el mecanismo fundamental de interaccin de la radiacin de baja energa con la materia. Se denomina fotoefecto al proceso, mediante el cual, al chocar el fotn con un tomo, el primero cede toda su energa al tomo, provocando que uno de los electrones orbitales sea expelido. La vacante dejada por el electrn expelido es ocupada por los electrones exteriores. Esto va acompaado de emisin de rayos X caractersticos y electrones Auger

La absorcin de la radiacin es provocada por tres procesos fsicos independientes: efecto fotoelctrico, para bajas energas del fotn, efecto Compton, para energas intermedias, formacin de pares, para altas energas del fotn

Dispersin de Comptom

Rayo incidente

e-

Rayo dispersado

La dispersin de los rayos o efecto Compton tiene lugar cuando el fotn le cede parte de su energa a un electrn. Producto del choque (que puede ser interpretado como un choque de esferas inelsticas) el fotn cambia de direccin y pierde parte de su energa. Parte de la energa inicial del cuanto se la lleva el electrn en forma de energa cintica

Formacin de pares

aniquilacin

Rayo incidente

Si la energa del fotn es mayor que 1,02 MeV es posible la formacin de pares electrn - positrn. Este fenmeno ocurre al interactuar el fotn con el campo de fuerzas del ncleo, proceso en el cul el fotn desaparece completamente. Cualquier energa adicional del cuanto por encima de 1,02 MeV se reparte por igual entre el electrn y el positrn como energa cintica. Cuando el positrn pierde la mayor parte de la energa cintica se aniquila

f otoef ecto

Compton

pares

total

0,01

0,1

1

10

0,01 0,1 1 10

Energa, MeV

Co

efi

cie

nte

de a

ten

uaci

n,

(cm

-1)

Coeficiente de atenuacin vs energa Grado de penetracin de las radiaciones nucleares

La desintegracin radiactiva es un proceso aleatorio:

Actividad y nmero de conteos

Ley de la desintegracin radioactiva

Unidades de actividad: 1 Becquerel (Bq) es 1 desintegracin por segundo, s-1 1 Curie (Ci) es 3,7 x 1010 Bq (Actividad de 1 g de 226Ra)

Perodo de vida media (periodo de semidesintegracin, half life)

El perodo de vida media es el tiempo en que demoran en desintegrarse la

mitad de los tomos radiactivos presentes en la muestra

Ejemplo: 99Mo, perodo de vida media: 67 horas

Desintegraciones sucesivas, equilibrio secular

Desintegraciones sucesivas, equilibrio transitorio

Series radiactivas naturales

(4n+2)

(4n+3) (4n)

Artificial:

Prcticas mdicas Productos de consumo Precipitacin radiactiva Industria nuclear

Natural:

Gas radn Rayos csmicos Radiacin rocas y

suelos

Cuerpo humano (K-40)

Opcional:

Vuelos largos Ver TV a color Utilizar gas natural Dormir con otra persona