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RESOLUCION GRAFICA DEL DECAIMIENTI RADIOACTIVO

Radioactividad

Radioactividad, se refiere a las partculas emitidas por los ncleos atmicos, como

resultado de una inestabilidad nuclear. Debido a que el ncleo experimenta un

intenso conflicto entre las dos fuerzas ms poderosas de la naturaleza, no es de

extraar que haya muchos istopos nucleares que son inestables y emiten algn

tipo de radiacin. Los tipos ms comunes de radiacin se llaman radiacin alfa, beta,

y gamma, pero hay otras variedades de desintegracin radioactiva.

Las tasas de desintegracin o decaimiento radiactivo se expresan normalmente en

trminos de sus vidas medias, y la semi vida de una especie nuclear dada, est

relacionada con su riesgo de radiacin. Los diferentes tipos de radiactividad,

conduce a diferentes trayectorias de desintegracin, que transmutan los ncleos en

otros elementos qumicos. El examen de las cantidades de los productos de la

desintegracin, hacen posible la datacin radiactiva.

La radiacin de origen nuclear se distribuye por igual en todas las direcciones,

obedeciendo la ley del inverso del cuadrado.

Descubrimiento de la Radioactividad

La radioactividad fu descubierta por A. H. Becquerel en 1896. La radiacin fu

clasificada por E. Rutherford, como rayos alfa, beta, y gamma, de acuerdo con su

capacidad para penetrar la materia e ionizar el aire.

Radiactividad Gamma


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La radioactividad gamma est compuesta de rayos electromagnticos. Se distingue

de los rayos x solamente por el hecho de que provienen del ncleo. La mayora de

los rayos gamma son un poco ms alto en energa que los rayos x, y por lo tanto son

muy penetrantes. Es el tipo ms til de radiacin para uso mdico, pero al mismo

tiempo es el ms peligroso debido a su capacidad de penetrar en grandes espesoresde material.

Captura de electrones:

Un ncleo padre puede capturar a uno de sus propios electrones y emitir un neutrino.

Esto se produce en el decaimiento potasio-argn.

Positrn o decaimiento beta positivo: La emisin de positrones se llama decaimiento

beta porque las caractersticas del decaimiento de electrones o positrones sonsimilares. Ambos muestran un espectro de energa caracterstico debido a la emisin de

un neutrino o antineutrino.

La conversin interna es el uso de la energa electromagntica del ncleo para expulsar

un electrn orbital del tomo.


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Captura de Electrones

La captura de electrones es una de las formas de radioactividad. Un ncleo padre puede

capturar a uno de sus electrones orbitales y emitir un neutrino. Este es un proceso quecompite con la emisin de positrones, y tiene el mismo efecto sobre el nmero atmico.

Ms comnmente, se trata de un electrn de la capa K que es capturado, y por ello es

referido como captura K. Un ejemplo tpico es

74Be + 0-1e73Li +

En el rango medio de la tabla peridica, aquellos istopos que son ms ligeros que los

istopos ms estables, tienden al decaimiento por captura de electrones, y los

decaimientos ms pesados, lo hacen por el decaimiento beta negativo. Un ejemplo de

este patrn se ve con los istopos de plata, que dan dos istopos estables, ms uno de

menor masa que decae por captura de electrones, y uno de masa ms pesada que

decae por emisin beta.

Conversin Interna

La conversin interna es otro proceso electromagntico que puede ocurrir en el

ncleo y que compite con la emisin gamma. A veces, los campos elctricos

multipolares del ncleo, interactan con los electrones orbitales, con energa

suficiente para expulsarlos del tomo. Este proceso no es lo mismo que la emisin

de un rayo gamma que golpea y extrae un electrn del tomo. Tampoco es lo

mismo que el decaimiento beta, ya que el electrn emitido era previamente uno de

los electrones orbitales, mientras que el electrn en la desintegracin beta se

produce por la desintegracin de un neutrn.


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Radioactividad Alfa

Compuesto por dos protones y dos neutrones, la partcula alfa es un ncleo del

elemento helio. Debido a su masa muy grande (ms de 7000 veces la masa de lapartcula beta) y su carga, tiene muy corto alcance. No es adecuada para la terapia de

radiacin, ya que su alcance en el interior del cuerpo, es de menos de una dcima de

milmetro. Su principal peligro de radiacin se produce cuando se ingiere en el cuerpo;

tiene un gran poder destructivo dentro de su corto rango. En contacto con membranas

de rpido crecimiento y clulas vivas, se produce el mximo dao.

La emisin de partculas alfa se modela como un proceso de penetracin de barrera. La

partcula alfa es el ncleo del tomo de helio y es el ncleo de la ms alta estabilidad.


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Conceptos de Desintegracin Alfa

Penetracin de Barrera Alfa

La energa de las partculas alfa fu un misterio para los primeros investigadores,

porque de acuerdo con la fsica clsica era evidente que no tenan energa suficiente

para escapar del ncleo. Una vez que por dispersin de Rutherford se obtuvo un

tamao aproximado del ncleo, se pudo calcular la altura de la barrera de Coulomb

en el radio del ncleo. Era evidente que esta energa era varias veces ms alta que

las energas de las partculas alfa observadas. Tambin hubo una increble variedad

de vidas medias de partculas alfa, que no se pudo explicar con nada de la fsica

clsica.

La resolucin de este dilema vino con la comprensin de que haba una probabilidad

finita de que la partcula alfa podra penetrar la pared de tnel mecnico cuntico.

Usando el efecto tnel, Gamow fue capaz de calcular una dependencia de la semi

vida en funcin de la energa de la partcula alfa, que estaba de acuerdo con las

observaciones experimentales.


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Energa de Enlace Alfa

La energa de enlace nuclear de la partcula alfa es extremadamente alta, 28,3 MeV.

Es una coleccin de nucleones excepcionalmente estable, y los ncleos mspesados que se puede ver como colecciones de partculas alfa (carbono-12, oxgeno-

16, etc) tambin son excepcionalmente estables. Esto contrasta con una energa de

enlace de slo 8 MeV para el helio-3, que forma un paso intermedio en el ciclo de

fusin protn-protn.

Alfa, Beta, y Gamma

Histricamente, cuando se encontr que los productos de la radioactividad podan

ser analizados en tres especies distintas, ya sea por un campo magntico o un

campo elctrico, fueron llamados alfa, beta, y gamma .

Penetracin de la Materia

Aunque es la ms masiva y ms enrgica de las emisiones radiactivas, la partcula

alfa, debido a su fuerte interaccin con la materia, es la de ms corto alcance. El

rayo gamma electromagntico es extremadamente penetrante, incluso lo consigue

en considerables espesores de hormign. El electrn de la radiactividad betainteracta fuertemente con la materia y tiene un corto alcance.


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Radiactividad Beta

Las partculas beta son exactamente electrones del ncleo. El trmino "partcula

beta", es un trmino histrico usado en la descripcin inicial de la radiactividad. Loselectrones de alta energa, tienen una mayor gama de penetracin que las partculas

alfa, pero mucho menos que los rayos gamma. El peligro de la radiacin beta es

mayor si se ingiere.

La emisin beta est acompaada por la emisin de un antineutrino electrnico,

que comparte el momento y la energa del decaimiento.

La emisin de la antipartcula del electrn, el positrn, tambin se conoce como

decaimiento beta. El decaimiento beta, puede ser visto como el decaimiento de uno

de los neutrones a un protn, va interaccin dbil. El uso de un diagrama de

Feynman para la interaccin dbil, puede clarificar el proceso.


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DESINTEGRACION BETA

La desintegracin beta tiene lugar en aquellos ncleos que poseen neutrones en

exceso defecto para conseguir la estabilidad. En la emisin .A no se modifica,mientras que crece 1 (emisin -) o decrece I unidad (emisin - ).

El ejemplo ms simple de emisin es la desintegracin del neutrn libre enun ms un electrn. (El periodo de semidesintegracin del neutrn libre

es de unos 10.8

La energa de desintegracin es 0.782 MeV. Que es la diferencia entre laenerga en del neutrn y la del protn ms el electrn. De un modo ms

general, en la desintegrar i t un ncleo de nmero de masa, A y nmero

atmico Z se desintegra en un ncleo llamado ncleo hijo de nmero demasa, A y nmero atmico Z = Z + 1 con la emisin electrn. Si la energa de

desintegracin fuera compartida slo por el ncleo hijo y elemento. Emitido,

la energa de este ltimo tendra un valor nico fijado por los principios de

conservacin de la energa y el momento lineal. Sin embargo,

experimentalmente se encuentra las energas de los electrones emitidos en

la desintegracin de un ncleo varan desde hasta la mxima energa

disponible.

Para explicar la aparente no conservacin de la energa en la emisin .Wolfgang sugiri en 1930 que una tercera pancula, llamada neutrino, se

emita simultneamente en el proceso. Como la energa mxima medida de

los electrones emitidos es igual al total disponible en la desintegracin, se

admiti que la energa en reposo, y por lo tanto la masa del neutrino. Era

cero. (Hoy se cree que la masa del neutrino es muy pequea, pero no cero.

En 1948. Las medidas de los momentos lineales del electrn emitido y del

ncleo de retroceso demostraron que el neutrino era tambin necesario

para la conservacin del memento en la emisin . El neutrino >e observ

experimentalmente en 1957. Hoy se sabe que existen tres tipos de neutrinos.

uno (V) asociado a los electrones, otro (Vu) asociado a los otro (v-)

observada por primera vez en el Fermi National Laboratory el ao 2000

asociados la partcula tau. t. Adems, cada neutrino posee una antipartcula,

de smbolos respectivamente Ve V_ y V En la desintegracin de un neutrn

se emite un antineutrino electrnico segn el proceso.

n p - ~ T + v


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En la desintegracin +, un protn se convierte en un neutrn con la emisinde un posi-tron (y un neutrino). Un protn libre no puede desintegrarse con

emisin de un positrn dado a la conservacin de la energa (la masa del

neutrn ms la masa del positrn es superior a la del protn).

Los electrones o positrones emitidos en la desintegracin no existendentro del ncleo.

Se crean en el proceso de desintegracin del mismo modo que los fotones se crean (estos) dado un tomo verifica una transicin desde un estado

energtico elevado a otro de menor cuando energa.

Un ejemplo importante de desintegracin es la que experimenta el l4C, utilizadoen la por carbono radiactivo:

14C - 14N + - + ve

Periodo de semidesintegracin de este proceso es 5730 aos. El istoporadiactivo 14C se conduce en la atmsfera superior en reacciones nucleares

originadas por los rayos csmicos produce comportamiento qumico de los

tomos de carbono con ncleos de 14C es el mismo que en los tomos con

ncleos ordinarios de l2C. Por ejemplo, los tomos con estos ncleos

combinan igualmente con oxgeno para formar molculas de CO2 Como los

organismos estn continuamente intercambiando CO2 con la atmsfera, la

relacin de 14Ca 12C en organismo vivo es la misma relacin que existe en

equilibrio en la atmsfera, aproximadme 1.3 x 10~12. Cuando el organismo

muere, deja de absorber 14C de la atmsfera, de lo que la relacin 14C a 12C

decrece continuamente a causa de la desintegracin radiacin del 14C.


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El nmero de ncleos 14C que se desintegran por minuto y por gramo deen un organismo vivo puede calcularse a partir del periodo de

semidesintegracin ocido del 14C y del nmero de ncleos 14C en 1 g de

carbono. El resultado es aproximadamente 15,0 desintegraciones por minuto

y gramo de carbono en un organismo vivo, utilizado este dato y el nmeromedido de desintegraciones por minuto y gramo de carbono en muestra no

viva de hueso, madera u otro objeto que contenga carbono, podemos

determinar la edad de la muestra. Por ejemplo, si se miden 7,5

desintegraciones por minuto y no de muestra, sta tiene la edad de un

periodo de semidesintegracin, o sea 5730 aos.

EJEMPLO I Qu antigedad tiene este objeto? Durante el verano trabajamos en un laboratorio de investigaciones

arqueolgicas. El supervisor nos comunica que se ha encontrado un nuevo

hueso en la excavacin que se lleva a cabo y los pide que determinemos su

antigedad a partir de una muestra del hueso que llegar. Al llegar,

examinamos la muestra del hueso, que contiene 200 g de carbono, y

detectases 400 desintegraciones beta por minuto.

Planteamiento del problema. En primer lugar obtenemos una estimacinaproximada de la densidad del hueso. Si ste perteneciera a un organismo vivo, la

velocidad de desintegracin hubiera sido [(15 desint/min)/g)] (200 g) = 3000

desint/min. Como 400/3000 es aproximadamente 1/8 (exactamente 1/7,5), la

muestra debe tener una edad aproximada de 3 periodos, es decir 3 x (5730 aos) =

17190 aos. Para establecer con ms precisin la edad del hueso deberemos

determinar la velocidad de desintegracin del carbono que contiene. Usaremos la

igualdad R = (1/2)n R0+ donde R y R0 son de las velocidades de desintegracin

actual e inicial, y n el nmero de periodos de semidesintegracin los transcurridos.


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DECAIMIENTO BETA

Electrn y Antineutrino

Los primeros estudios del decaimiento beta revelaron un espectro de energa

continuo hasta un mximo, a diferencia de la energa previsible de las partculas alfa.Otra anomala fue el hecho de que el retroceso nuclear no estaba en la direccin

opuesta a la del momento del electrn. La emisin de otra partcula era una

explicacin probable de este comportamiento, pero las investigaciones no

encontraron ninguna evidencia de cualquier masa o carga. La interesante historia,

relata a Wolfgang Pauli en 1930, proponiendo una partcula hasta entonces no

observada, para explicar la distribucin continua de energa de los electrones

emitidos. Posteriormente, Enrico Fermi llam a esta partcula neutrino, y desarroll

una teora de la desintegracin beta, en la que el neutrino extraido llevaba la

energa que faltaba y el momento. Sin carga y casi sin masa, era difcil de detectar, y

hasta 1956 no fue lograda la deteccin experimental del neutrino. Por razones de

simetra, la partcula emitida junto con el electrn del ncleo, se llam antineutrino.

La emisin de un positrn es acompaada por un neutrino

Positrn y Neutrino

La emisin de un positrn o un electrn, se conoce como decaimiento beta. El

positrn es acompaado por un neutrino, una partcula sin masa (?) y sin carga.

Debido a la emisin del neutrino, los positrones son emitidos con el mismo tipo deespectro de energa que los electrones en la desintegracin beta negativa.

Espectro de Energa Beta

En el proceso del decaimiento beta, se emite bien un electrn, o un positrn. Como

tambin se emite un neutrino o un antineutrino, hay un espectro de energas para el

electrn o positrn, dependiendo sobre que fraccin de la energa de reaccin Q, se

lleva la partcula masiva. La forma de esta curva de energa, se puede predecir de la

teora Fermi del decaimiento beta.


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LAS FUENTES RADIACTIVAS

Los ncleos pueden transformarse unos en otros, o pasar de un estado energticoa otro, mediante la emisin de radiaciones. Se dice entonces que los ncleos sonradiactivos; el proceso que sufren se denomina decaimiento radiactivo o

desintegracin radiactiva. Esta transformacin o decaimiento sucede de maneraespontnea en cada ncleo, sin que pueda impedirse mediante ningn factorexterno. Ntese, adems, que cada decaimiento va acompaado por la emisin deal menos una radiacin. La energa que se lleva cada radiacin es perdida por elncleo, siendo la fuerza nuclear el origen de esta energa y lo que da a lasradiaciones sus dos caractersticas ms tiles: poder penetrar materia y poderdepositar su energa en ella.

No todos los ncleos de la naturaleza son radiactivos. El decaimiento nuclear slosucede cuando hay un exceso de masa-energa en el ncleo, la emisin le ayudaentonces a lograr una mayor estabilidad. Los decaimientos radiactivos de los

diferentes ncleos se caracterizan por: el tipo de emisin, su energa y la rapidez dedecaimiento.


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TIPOS DE DECAIMIENTO RADIACTIVO

Solo hay unas cuantas maneras en que los ncleos pueden decaer, si bien cada tipo

de ncleo tiene su propio modo de decaimiento. A continuacin describimos losms importantes.

Decaimiento alfa(a). Un grupo importante de elementos pesadospuede decaer emitiendo partculas alfa, que consisten de unagregado de dos protones y dos neutrones. Estas partculas alfason idnticas a ncleos de helio (4He), por lo que su carga es +2e ysu nmero de masa es 4. Cuando un ncleo emite una partculaalfa, pierde 2 unidades de carga y 4 de masa, transformndose enotro ncleo, como lo indica el siguiente ejemplo:

226Ra

222Rn+

4a

88 86 2

Ntese que los nmeros atmicos y de masa deben sumar lo mismo antes ydespus de la emisin. Ntese tambin que hay una verdadera transmutacin deelementos.

Decaimiento beta (b).Hay dos tipos de decaimiento beta, el de la partcula negativa yel de la positiva. La partcula beta negativa que se emite es unelectrn, con su correspondiente carga y masa, indistinguiblede los electrones de las capas atmicas. En vista de que losncleos no contienen electrones, la explicacin de esta emisines que un neutrn del ncleo se convierte en un protn y unelectrn; el protn resultante permanece dentro del ncleo envirtud de la fuerza nuclear, y el electrn escapa como partculabeta. El nmero de masa del ncleo resultante es el mismo queel del ncleo original, pero su nmero atmico se veaumentado en uno, conservndose as la carga. El siguientecaso es un ejemplo de decaimiento beta negativa.

24Na

24Mg+

0b

11 12 -1

Debe mencionarse que en todo decaimiento beta se emite tambin una nuevapartcula, el neutrino.


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Decaimiento gamma (g ).Los rayos gamma son fotones, o sea paquetes de radiacinelectromagntica, como la luz visible, la ultravioleta, la infrarroja,

los rayos X, las microondas y las ondas de radio. No tienen masa nicarga, y solamente constituyen energa emitida en forma de onda.En consecuencia, cuando un ncleo emite un rayo gamma, semantiene como el mismo ncleo, pero en un estado de menorenerga.

Captura electrnica.En ciertos nclidos es posible otro tipo de decaimiento, la captura

electrnica. En este caso el ncleo atrapa un electrn orbital, decarga negativa. En consecuencia uno de sus protones se

transforma en un neutrn, disminuyendo as su nmero atmico.El electrn atrapado por el ncleo generalmente proviene de lacapa K, dejando una vacancia. Para llenar esta vacancia, cae unelectrn de una capa exterior (L, M, etc.), emitiendo de manerasimultnea un fotn de rayos X. El proceso total se identifica porlos rayos X emitidos al final, que son caractersticos del nuevotomo, como lo muestra el siguiente ejemplo:

Hay otros procesos de menor importancia que tambin implicandecaimiento radiactivo, transmutacin de elementos y emisin dealguna radiacin caracterstica. Por otro lado, si se cuenta con unacelerador de partculas o un reactor nuclear, se puede inducir ungran nmero de reacciones nucleares acompaadas por suscorrespondientes emisiones. De hecho, en la gran mayora de lasfuentes radiactivas que se usan en la actualidad, la radiactividad hasido inducida por bombardeo con neutrones provenientes de unreactor nuclear.


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ENERGAS DE DECAIMIENTO

La segunda propiedad que caracteriza al decaimiento radiactivo de cada nclido esla energa de la radiacin emitida. Esta energa est dada por la diferencia entre losniveles involucrados en el decaimiento. Como los ncleos slo pueden existir en

niveles de energa fijos (se dice que su energa est cuantizada), se deduce que laenerga de decaimiento entre dos estados dados es siempre la misma. Esta energapuede incluso servir para identificar el nclido.

Las radiaciones a y gcumplen con esta regla de ser mono energticas si provienende un solo tipo de decaimiento. Las b, sin embargo, deben compartir la energadisponible con el neutrino, por lo que tienen un espectro continuo de energas. Lasradiaciones nucleares tienen normalmente energas del orden de los Me V.

LEY DE DECAIMIENTO RADIACTIVO

La tercera propiedad caracterstica de la desintegracin radiactiva es su rapidez.Un nclido al desintegrarse se transforma en otro nclido y por lo tantodesaparece. Si el proceso es rpido, el nclido original dura poco, pronto se agota.Si el proceso es lento, puede durar mucho tiempo, hasta miles de millones de aos.

Supngase que se tiene una muestra con un nmero dado N de ncleosradiactivos. La actividad A, o sea la emisin de radiacin por unidad de tiempo, esproporcional al nmero N presente en cada instante:

A =I N

La cantidad se llama constante de decaimiento, y es caracterstica de cadaelemento y cada tipo de decaimiento. Representa la probabilidad de que haya unaemisin en un lapso dado. De acuerdo con la frmula, para un valor dado de N, laactividad es mayor o menor en magnitud segn si es grande o pequea.

Si I es grande, eldecaimiento es

rpido; si I es pequea, el

decaimiento es

LENTO

II.5. LA VIDA MEDIA DE LAS

FUENTES RADIACTIVAS


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Para representar la duracin de las fuentes radiactivas se ha definido el conceptode vida media, y se representa como t1/2. La vida media de un istopo es el tiempoque tarda en reducirse su actividad a la mitad. Dada la naturaleza de la funcinexponencial, esta vida media es la misma sin importar el instante en que seempieza a contar.

Como se puede ver en la figura 8, al transcurrir una vida media, la actividad sereduce a la mitad, al transcurrir dos vidas medias, se reduce a la cuarta parte, altranscurrir tres vidas medias, se reduce a una octava parte, etc. En general, sitranscurre nvidas medias, la actividad se reduce a una fraccin l/2ndel valororiginal.

Nmero de vidas medias transcurridas (n)

Por cada vida media que pasa, la actividad se reduce a la mitad. Despus de n vidasmedias, la actividad es A o /2n

Sabemos que la constante de decaimiento Irepresenta la probabilidad dedesintegracin. Por lo tanto, es de esperarse que si Ies grande, la vida media escorta, y viceversa, o sea que hay una relacin inversa entre la constante dedecaimiento y la vida media. Esta relacin es la siguiente:

t1/2=0.693

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LOS ESQUEMAS DE DECAIMIENTO


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Todas las caractersticas hasta aqu descritas sobre la desintegracin radiactiva decada nclido se pueden representar de forma grfica en un llamado esquema dedecaimiento, como los mostrados en la figura 9 para varios istopos: En estosesquemas, las lneas horizontales representan los estados energticos en quepueden estar los ncleos, y distintos ncleos se encuentran desplazados

horizontalmente, creciendo Z hacia la derecha. Las flechas indican transiciones poremisin radiactiva. La escala vertical es una escala de energas; la energadisponible para cada decaimiento est indicada por la separacin entre los estadoscorrespondientes. De esta manera un decaimiento por partcula cargada implicauna flecha diagonal, y una emisin de rayo gamma una flecha vertical.

Esquemas de decaimiento de algunos istopos.

FORMA FSICA DE LAS FUENTES RADIACTIVAS


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Como los radioistopos tienen las mismas propiedades qumicas que los elementosestables, las substancias radiactivas pueden presentarse de muy distintas formas.Para empezar, pueden ser slidos, lquidos o gases, de acuerdo con el materialprimario empleado en su produccin. La produccin de radioistopos consiste encolocar la substancia en un reactor nuclear y someterla a un bombardeo intenso

con neutrones. Se puede tener, adems, el material radiactivo en diferentescompuestos qumicos.

Las fuentes radiactivas ms empleadas (fuera de los laboratorios de investigacin)se encuentran encapsuladas, de manera que es poco probable que el material seesparza a menos que se le someta a un intenso maltrato. Generalmente estnsoldadas dentro de una cpsula de acero inoxidable que permite la salida de losrayos gamma pero no de las alfas y slo parte de las betas. Nunca debe interferirsecon el encapsulamiento de una fuente radiactiva. Cuando se adquiere una fuenteradiactiva, el proveedor deber especificar de qu istopo se trata y cul es laactividad de la fuente en Becquerels.

LAS FUENTES DE RAYOS X

Adems de las fuentes radiactivas, en la industria o en la medicina suelen usarseaparatos de rayos X. A diferencia de las fuentes radiactivas, pueden encenderse oapagarse cuando se necesite. Esta caracterstica, a primera vista trivial, hace que elmanejo de cada tipo de fuente sea muy distinto, y que las precauciones paraprotegerse de la radiacin tambin lo sean.

Los generadores de rayos X funcionan con base en el hecho de que, cuando un hazde electrones es frenado en un material, emite radiacin electromagntica(fotones) principalmente de longitudes de onda correspondientes a los llamadosrayos X. Sus componentes principales se indican en la figura 10. Un generador derayos X consta de un bulbo de vidrio a alto vaco, con dos electrodos a los que seconecta un alto voltaje. El electrodo negativo, o ctodo, contiene un filamentoemisor de electrones y es de forma tal que los electrones emitidos se enfocan enuna pequea regin del nodo, o electrodopositivo.

Tubo generador de rayos X.

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