Desintegración Radiactiva e Interacciones con la Materia

1. Desintegración Radiactiva

1.1 Tipos de Desintegraciones Radiactivas

• Alfa: Partículas cargadas y pesadas. Se emiten con valores discretos característicos del radioisótopo emisor. Las partículas siempre tienen la misma energía, por lo que la radiación es discreta.
• Beta: Partículas cargadas más ligeras. Se emiten con espectros de energía continuos, desde 0 hasta el E_βmax (valor propio del emisor) característico del radioisótopo anterior. Pueden ser e^- (β^-, e^-) o positrones (β⁺, e⁺).
• Captura electrónica: Producida por la absorción de un electrón cortical de la capa más próxima. La desexcitación del átomo resultante produce rayos X. Inicialmente no se emite radiación, solo se crean neutrinos. p⁺ + e^- → n. X_az + e^- → Y_az-1 + υ.

1.2 Desexcitación de los Núcleos

El núcleo resultante de las desintegraciones anteriores suele quedar excitado (con energía) y puede desexcitarse de varias maneras:

• Emisión Gamma: Las partículas γ son fotones muy energéticos.
• Conversión interna: La energía del estado excitado pasa directamente a un electrón orbital y este es emitido provocando la aparición de un espectro β discreto. Esto provoca que el resto de los electrones pasen a capas más internas emitiendo rayos X.
• Creación de un par electrón-positrón: Se forma si la energía de desexcitación es superior a 1022 MeV. El conjunto de partículas de las desintegraciones y desexcitaciones dan lugar a distintos espectros de desintegración.

2. Interacciones de la Radiación con la Materia

2.1 Partículas Cargadas con la Materia

• Excitación: Una partícula cargada provoca que un electrón pase a un nivel de energía superior. Al desexcitarse el electrón, se emiten rayos X.
• Ionización: Cuando una partícula con suficiente energía cinética desprende un electrón formándose un par iónico (átomo + electrón), se llama ionización primaria. Los electrones liberados pueden producir nuevas ionizaciones (ionización secundaria).
• Radiación de frenado: Radiación γ (rayos X) producida como consecuencia de la pérdida de energía que experimenta un electrón al ser desviado.

2.2 Fotones con la Materia

• Efecto fotoeléctrico: El fotón desaparece y uno de los electrones atómicos es arrancado del átomo.
• Interacción Compton: El fotón cede parte de su energía a un electrón.
• Creación de pares: El fotón se convierte en un par electrón-positrón si la energía de desexcitación es superior a 1022 MeV. Al pasar cerca de un núcleo pesado, hay cierta probabilidad de que se forme el par.

2.3 Neutrones con la Materia

• Colisiones: Elásticas, sin emisión γ, el neutrón cede energía cinética al núcleo e inelásticas, con emisión γ, se pierde energía, que se usa para excitar un neutrón o protón a un nivel superior.
• Captura (absorción): Hay un proceso de activación hasta volver radiactivo un material que no lo era. Se queda inestable y emite radiación.
• Fisión: Ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños.

3. Efectos Biológicos de la Radiación

3.1 Rotura en el ADN

• 1 hélice: Reparación del daño causado.
• 2 hélices: Reparable > mutación > Efecto estocástico. No reparable > muerte celular > Efecto determinista.

4. Atenuación de la Radiación

4.1 Atenuación de Partículas Cargadas

• Alfa: Atenuación de un haz monoenergético de partículas alfa. Son absorbidas en espesores muy delgados de cualquier material y su único inconveniente es el riesgo de ser ingeridas.
• Beta: Se atenúa de forma casi lineal al principio y luego decae hasta el valor de fondo debido a la radiación de frenado. Atenuación exponencial, decae como la radiación γ, pero más rápido. Alcance másico máximo es aproximadamente igual al alcance extrapolado. Para los positrones los procesos de interacción son los mismos, pero al frenarse interactúa con uno de los electrones y se aniquila (energía de aniquilación) el positrón. La absorción de partículas β en materiales con Z alto produce mucha radiación de frenado y por tanto es conveniente utilizar materiales de Z bajo y baja densidad (plástico, aluminio).

4.2 Atenuación de Fotones y Neutrones

• Gamma: Partículas sin masa ni carga. Atenuación exponencial, hay que tener en cuenta los fotones dispersados añadiendo el factor de acumulación (B) a la fórmula. Son necesarios materiales con Z alto y alta densidad (Plomo).
• Neutrones rápidos: Partículas con masa pero sin carga. No interactúan con los electrones orbitales. Cuentan con una atenuación exponencial. Es necesario frenarlos con materiales hidrogenados (agua, hormigón) y luego absorberlos (boro, cadmio). También es posible usar un polietileno borado (rico en H₂). El blindaje completo de una fuente de neutrones puede consistir en: 1. Una capa delgada de parafina que frene los neutrones. 2. Una capa de cadmio para absorber los neutrones térmicos. 3. Una capa de plomo que absorba los fotones procedentes de la fuente o generados en el cadmio.

5. Barrera Central Nuclear

• 1ª Barrera: Vaina del elemento combustible (zircaloy).
• 2ª Barrera: Blindaje interior y vasija. Atenúan la radiación β, γ y neutrones.
• 3ª Barrera: Contención: Hormigón, acero.
  • Pesados: Atenúan la radiación β y γ.
  • Hidrogenados: Frenan los neutrones rápidos.
  • Bórax: Absorbe los neutrones frenados generándose partículas α que son absorbidas en la propia contención.

6. Dosis Absorbida y Dosis Equivalente

Tanto Sv como Gy tienen las mismas unidades físicas (J/kg), pues miden energía por unidad de masa, pero la energía que cuantifican es distinta. Los Gy son una unidad que representa una magnitud medible físicamente y miden la dosis absorbida. Los Sv son “ficticios” y miden la dosis equivalente que pondera con el tipo de radiación y también miden la dosis efectiva que pondera con el órgano que absorbe.

7. Cadenas Radiactivas Naturales

Se ha comprobado que la mayoría de las especies radiactivas con Z > 82 pertenecen a una de las tres cadenas radiactivas naturales. Cada familia comienza en un núclido padre que se va desintegrando en sucesivas reacciones hasta que alcanza un núcleo estable. Las familias comienzan con: U²³⁸₉₂ (Serie del Uranio), Th²³²₉₀ (Serie del Torio) y U²³⁵₉₂ (Serie del Actinio (Ac⁸⁹)). Todas las series contienen un isótopo radiactivo del radón (Rn⁸⁶) y terminan en un isótopo estable del plomo (Pb).

7.1 Radiactividad Artificial

Existe una cuarta serie denominada serie del Neptunio (Np⁹³) que no existe en la naturaleza pero que se puede generar de forma artificial.

7.2 Equilibrio entre Especies

• Equilibrio secular: Cuando T_m1 >> T_m2.
• Equilibrio transitorio: Cuando T_m1 > T_m2.
• No equilibrio: Si T_m1 < T_m2 no se alcanza el equilibrio entre ambos.