Materiales radiactivos:
La descomposición de ciertos materiales de manera espontánea produce diversos tipos de radiación [1] entre las cuales destaca las de tipo alfa, beta y gamma.
Por lo general los elementos que suelen estar involucrados en este tipo de descomposiciones son algunas clases de elementos presentes en la naturaleza pero en lo que concierne no son utilizado porque su abundancia es bastante insignificante.
La existencia de los elementos de tierras raras y materiales transuránicos, hacen posible disponer de materiales de estabilidad relativamente buena, pero durante su existencia la descomposición de sus átomos pueden emitir cierta cantidad de estas radiaciones de provecho para aplicaciones industriales y médicas.
Símbolo de presencia de radioactividad o de elementos radioactivos.
Nuevo símbolo estándar ISO #21482
Isótopo:
Un isótopo es un elemento de la tabla periódica el cual posee en su estructura atómica el mismo número de electrones y protones, pero su masa es diferente dada la diferencia por exceso de neutrones dentro del núcleo [2]. Cada elemento de la tabla periódica tiene cierto número de isótopos del mismo elemento cada uno de ellos caracterizado por el número másico o número de neutrones.
Algunos isótopos son elementos estables como el deuterio y abundan en la naturaleza, pero otros son inestables tal es el caso del tritio que es un isótopo del mismo hidrógeno pero es radiactivo y su vida es de 12 años cuando al fin logra convertirse en helio.
Por lo general los isótopos, pueden obtenerse bombardeando materiales con neutrones provocando así una transmutación de las propiedades físico atómicas del elemento sometido a exposición. El nuevo elemento será radioactivo aun después de que se haya retirado la fuente de los neutrones con que fue bombardeado y tendrá ciertas características de acuerdo a su número másico y su nueva estructura molecular.
La radioactividad:
La radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos en su mayoría "isótopos", emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. A estas emisiones se les suele llamar radiaciones ionizantes.
Los isótopos son estructuras inestables y para poder alcanzar un estado de estabilidad deben perder energía y lo hacen por emisiones radioactivas. Estas radiaciones pueden ser electromagnéticas en forma de rayos X o rayos gamma, o bien partículas, como pueden ser núcleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras.
Clases de radiaciones:
Las radiaciones emitidas por cualquier clase de material radiactivo pueden ser de tres clases:
Radiación alfa: son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de Helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Y son muy energéticos.
Radiación beta: son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un átomo expulsa una partícula beta aumenta o disminuye su número atómico una unidad (debido al protón ganado o perdido).
Radiación gamma: son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlos. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células.
La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvolt (MeV). Un Mev corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 m - 11 m o frecuencias superiores a 1019 Hz.
Los rayos gamma se producen en la des-excitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extra-nuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural [7].
Las leyes de desintegración radiactiva, descritas por Soddy y Fajans, son:
- Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, la masa del átomo (A) resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico (Z) en 2.
- Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, el número atómico (Z) aumenta o disminuye en una unidad y la masa atómica (A) se mantiene constante.
- Cuando un núcleo excitado emite radiación gamma no varía ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía hν (donde "h" es la constante de Planck y "nu" es la frecuencia de la radiación emitida).
Las dos primeras leyes indican que cuando un átomo emite una radiación alfa o beta se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo, transformándose en otro, y así sucesivamente, dando lugar a las llamadas series radiactivas.
Las radiaciones alfa y beta son conocidas también como radiaciones corpusculares [3], existen dos clases de emisiones de esta clase tales como las de protones, neutrones y otras partículas que sólo se producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de muy alta energía, como los piones o los muones.
Las radiaciones Gamma son radiaciones electromagnéticas, están formadas por fotones con energía suficiente como para ionizar la materia (es decir, superior a unas decenas de electronvoltios). Según su origen y su energía se clasifican en rayos X y rayos gamma.
Cada una de estas radiaciones posee cierta propiedad de penetración tal como se muestra en la gráfica para los tres tipos más importantes que fueron descritos.
Las radiaciones de naturaleza Alfa, no poseen un poder de penetración muy alto, apenas una hoja de papel puede detenerlas y hacerlas perder su energía cinética.
Una partícula Beta, puede frenarse con una capa delgada de metal, pero puede atravesarlo si es muy delgado y de un numero atómico muy bajo.
Una onda Gamma puede atravesar a la mayoría de los sólidos hasta algunas decenas de metros de espesor dependiendo de la energía cinética con que incida el rayo sobre el material.
Energía de una radiación:
Por lo general la energía de una radiación ionizante se mide en unidades de Electrón volt o (Ev). Un electrón volt [4] es la energía cinética desarrollada por un electrón cuando se le somete a la aceleración en el vació ante una diferencia de potencial de 1 V.
Dicho valor se obtiene experimentalmente por lo que no es una cantidad exacta. 1eV = 1.602176462 e-19 J.
Sin embargo, en física de altas energías, el electronvoltio resulta una unidad muy pequeña por lo que son de uso frecuente múltiplos como el Megaelectronvolt MeV o el Gigaelectronvolt GeV llegando en la actualidad y con los más potentes aceleradores de partículas al Teraelectronvolt TeV. Hay objetos en nuestro universo que son aceleradores aún más potentes: se han detectados rayos gamma de decenas de TeV y rayos cósmicos de Petaelectronvolt (PeV, mil TeV) y hasta de decenas de Exaelectronovolt (EeV, equivalente a mil PeV).
Algunos múltiplos típicos son:
1 keV = 103 eV
1 MeV = 103 keV = 106 eV
1 GeV = 103 MeV = 109 eV
1 TeV = 103 GeV = 1012 eV
1 PeV = 103 TeV = 1015 eV
1 EeV = 103 PeV = 1018 eV
Coeficiente de atenuación
El coeficiente de atenuación es una cantidad que mide la penetración que tiene un quantum de partículas u otros haces de energía [5].
El principio de atenuación queda descrito de la siguiente manera:
Una radiación de intensidad (Io) incide en una de las caras del material absorbedor recorriendo a través del mismo una distancia (x). La cantidad de radiación saliente en la cara opuesta (Ix), tiene una energía mucho menor que (Io) [6]. La relación entre ambas intensidades y la variación de la radiación queda descrita por la siguiente expresión:
La magnitud de la variación de energía de la radiación que atraviesa el material absorbedor depende de los factores descritos a continuación:
Efecto del número atómico Z:Un material de un número atómico bajo, ofrece una magnitud de variación de energía o un coeficiente de absorción bajo. Por ejemplo, un material de Z=6 (Carbono) es peor absorbedor de radiación que un material de Z=92 (Plomo).
Efecto de la densidad:La absorción de radiación de un material es proporcional a su densidad.
Efecto del grosor:La absorción de radiación de un material es proporcional a su sección transversal sólida. Un material de grosor X ofrece menos resistencia que un material de grosor M considerando que X<M.
Efecto de la energía de los rayos gamma:Si la energía del rayo gamma incidente es mayor hasta un valor límite, la capacidad de absorción del material es proporcionalmente inversa. El material absorbedor de radiación presenta un valor de absorción constante a partir de cierta magnitud de energía, aunque la radiación incidente se incremente la radiación saliente permanecerá casi constante.
Para la formulación matemática se puede resumir que si el coeficiente de atenuación lineal es la cantidad la cual describe la reducción de la energía de un rayo cuando pasa a través de un material específico.
Un coeficiente de atenuación lineal bajo, indica que el material sometido a prueba es relativamente transparente ante la penetración de una radiación, al contrario si el valor es muy grande, su índice de opacidad ante la misma radiación es alto.
La intensidad medida o transmitida (I) a través de de una capa de material con un grosor (x) y una densidad (ρ), está relacionada con la intensidad de radiación incidente (Io) de acuerdo con la ecuación siguiente que describe la ley de Beer-Lambert:
Coeficientes de atenuación de masa:
Modificando un poco la ley de Beer-Lambert e introduciendo un nuevo parámetro obtenemos la siguiente expresión:
El coeficiente de atenuación de masa es un valor característico de cada material en función de sus propiedades pero su magnitud depende de otras teorías de la física las cuales han sido comprobadas de manera experimental.
Afortunadamente y por propósitos de eficiencia en la utilización de la propiedad de absorción de los materiales, se han creado tablas que describen a la perfección esta magnitud, un ejemplo de ello puede verse a continuación en la siguiente tabla.
Cada material a si vez posee una curva de absorción característica, la cual es más descriptiva a diferencia de la tablas. Un ejemplo para el Hierro (Fe) puede verse a continuación.
Los coeficientes de atenuación de los materiales compuestos o materiales producto de una mezcla, pueden obtenerse partiendo de la sumatoria de los coeficientes de atenuación de masa [8] de cada uno de los componentes tal como se muestra en la siguiente expresión.
Sensores de radioactividad.
Las emisiones iónicas y electromagnéticas de los materiales radioactivos, por si solas no pueden percibirse por los sentidos. Solo algunas de las radiaciones secundarias como el calor, fenómenos de emisión de fotones visibles y los catastróficos efectos en los órganos de los animales y los humanos a largo plazo, pueden demostrar la presencia de estas radiaciones.
Para hacer que las emisiones radioactivas sean detectables es necesario el uso de sensores de radiación que son capaces de convertirlas en perturbaciones eléctricas o radiaciones del espectro visual que pueden medirse fácilmente.
Uno de los primeros detectores que se empleó en física nuclear fue la cámara de ionización [9], que está formada esencialmente por un recipiente cerrado que contiene un gas y dos electrodos con potenciales eléctricos diferentes. Según el tipo de instrumento, los electrodos pueden ser placas paralelas o cilindros coaxiales. Otra posibilidad es que las paredes de la cámara constituyan uno de los electrodos, siendo el otro un alambre o varilla situado en su interior. Las partículas o radiaciones ionizantes que entran en la cámara, ionizan el gas situado entre los electrodos. Los iones así producidos se desplazan hacia el electrodo de signo contrario (los iones de carga negativa se desplazan hacia el electrodo positivo, y viceversa), con lo que se crea una corriente que puede amplificarse y medirse directamente con un electrómetro -un electroscopio dotado de una escala- o amplificarse y registrarse mediante circuitos electrónicos.
El tubo Geiger-Müller:
Este es un elemento sensor de radioactividad, que es capaz de detectar individualmente una partícula de radiación ionizante [10]. Fue desarrollado por Hans Geiger en 1908 y el 1928 fue mejorado por Walther Müller. Este es un tipo de detector de ionización de gases.
El tubo Geiger-Muller, es la base de la creación del contador del mismo nombre. El tubo es un cilindro de vidrio cuya pared interna está cubierta con un metal conductivo muy delgado generalmente aluminio el cual funciona como cátodo. En el centro, un alambre de tungsteno que recorre longitudinalmente el cilindro y es el ánodo. Ambos elementos están dispuestos coaxialmente en el tubo y sometidos a una diferencia de potencial de unos cuantos cientos de volts.
El conjunto esta lleno con una mezcla de gases inertes a baja presión. Cuando alguna molécula de radiación ionizante atraviesa el tubo, algunas moléculas del gas son ionizadas creando iones los cuales dependiendo se su carga, son atraídos hacia uno de los electrodos generando una corriente eléctrica que puede ser medida. En la figura puede verse la estructura de un tubo Geiger-Müller conectado a un contador.
Cristales de centelleo:
Conocidos como centelladores (Scintintillator), es una substancia que absorbe las altas energías ionizantes o partículas cargadas de radiación y entrega fotones [11] basándose en el principio de fluorescencia de Stokes [12] el cual describe los cambios de longitud de onda y frecuencia de la radiación emitida por el cristal.
La radiación visible, emitida por el cristal puede ser detectada por un sensor óptico de estado sólido o con tubos fotomultiplicadores (PMT) por sus siglas en inglés.
Entre los tipos de cristales utilizados para la detección de la radiación se incluyen los inorgánicos, orgánicos plásticos y líquidos. Sin embargo algunos solo producen luminiscencia a ciertos niveles de energía. Aquellos que utilizan Argón (Ar) y Xenón (Xe) funcionan muy bien en sistemas de detección de ultra bajas energías ionizantes.
Los cristales orgánicos, pueden disolverse en plásticos transparentes para formar sólidos a temperatura ambiente entre ellos puede citarse los siguientes:
- Tolueno Polivinilico.
- Poliestireno.
- Acrílico.
- Naftaleno.
Dada la corta vida útil de los plásticos de centelleo los cristales inorgánicos son más utilizados. De ellos los más importantes son:
- NaI(TI) Talio dopado con ioduro de sodio.
- CsI(TI) Talio dopado con ioduro de Cesio.
- BaF2 Fluoruro de Bario.
- BGO Germanato de Bismuto.
- LaCl3 Cloruro de Lantano.
- CdWO4 Tungstanato de Cadmio.