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Interacción de la radiación con la materia: efecto fotoeléctrico, efecto Compton y producción de pares. Desintegración nuclear. Dosimetría física y biológica. Efectos biológicos de la radiación …

Interacción de la radiación con la materia: efecto fotoeléctrico, efecto Compton y producción de pares. Desintegración nuclear. Dosimetría física y biológica. Efectos biológicos de la radiación ionizante.

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  • 1. Radiactividad Y Milachay, L Arrascue, A Macedo
  • 2. La estabilidad del núcleo y las fuerzas nucleares
    • En el núcleo atómico se agrupa una gran cantidad de partículas positivas en un espacio relativamente pequeño.
    • Como la energía gravitacional es insuficiente para mantener unido al núcleo, se postula la existencia de fuerzas nucleares que actúan a muy corta distancia y son de atracción entre nucleones (protones y neutrones).
    • Los núcleos, en general, son estables. Sin embargo, existen núcleos que bajo ciertas circunstancias se desintegran; son radiactivos.
    Potencial de interacción entre dos protones
  • 3. Radiactividad
    • La radiactividad consiste en la emisión de partículas y radiaciones de parte de los átomos de algunos elementos. Son radiactivos aquellos elementos que tienen un número muy elevado de protones y neutrones.
    • Ejemplos de sustancia radiactiva son algunos elementos como el Uranio, que se transforman, por emisión de partículas alfa (núcleos de Helio), beta (electrones) o gamma (fotones), en otros elementos nuevos, que a su vez pueden ser o no radiactivos.
    • Vídeo. Radiactividad
  • 4. Radiación alfa (  )
    • Este tipo de radiaciones se produce al desprenderse del núcleo dos protones y dos neutrones.
    • Es una emisión de partículas cargadas positivamente, que son idénticas a los núcleos de helio.
    • La partícula  es relativamente pesada y su carga eléctrica (2+) la hace interaccionar rápidamente con el entorno; ello hace que sea emitida a velocidades no muy altas.
    • La partícula α tiene un poder de penetración muy pequeño, siendo detenida por una lámina de cartón o unos pocos centímetros de aire.
    • No es capaz de atravesar la piel de nuestro cuerpo. No obstante, es peligrosa por ingestión de un emisor  (o por respiración de polvo radiactivo) ya que en el interior del cuerpo, durante su corto trayecto, produce ionizaciones locales y alteraciones químicas muy importantes.
  • 5. Radiación beta (  )
    • Consiste en la emisión, por parte del núcleo, de una partícula β y de un neutrino. La partícula β es en realidad un electrón rápido y el neutrino es una partícula neutra y de masa despreciable.
    • Las partículas β se emiten con velocidades próximas a la de la luz.
    • Su masa es mucho menor que la de las partículas α y, por tanto, su poder de penetración en mucho mayor. Son frenadas por unos metros de aire, una lámina de aluminio o unos centímetros de agua.
    • Podemos imaginar que el material que frena una partícula radiactiva no es indicativo de su peligrosidad; sí lo es lo que la partícula puede hacer mientras está siendo frenada.
    electrón
  • 6. Radiación gamma (  )
    • Es una radiación de naturaleza electromagnética, es decir, de idéntica naturaleza que la luz visible, la ultravioleta, o los rayos X. Por tanto no posee ni carga ni masa.
    • Los núcleos excitados, de forma espontánea, tienden a pasar a estados de menor excitación. La energía excedente procedente de esta cambio de estado del núcleo se suele emitir en forma de fotones, constituyendo la denominada radiación gamma .
    • El poder de penetración de los rayos γ es considerablemente mayor al de las partículas  ó  . Atraviesan el cuerpo humano y sólo se frenan con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. La radiación  es muy peligrosa para la vida en general.
    Capacidad de penetración de las partículas: α ,  , γ
  • 7. Efecto fotoeléctrico
    • En el efecto fotoeléctrico un fotón arranca un electrón de las capas internas del átomo. Algunos metales emiten electrones al incidir una determinada radiación sobre ellos.
    • Se sabe que la capacidad para emitir electrones no depende de la intensidad de la radiación sino únicamente de su frecuencia “ f ”.
    • Un haz muy luminoso de baja frecuencia puede no producir emisión electrónica, mientras que uno mucho menos luminoso pero de mayor frecuencia, si.
  • 8. Mecanismo del fenómeno fotoeléctrico
    • Los fotones con mayor energía (mayor frecuencia) generan electrones con mayor energía cinética.
    • Para que puedan salir de la superficie y debido a un efecto “pantalla” sobre los electrones, éstos requieren de una energía grande. Si la superficie se somete a una diferencia de potencial invertida, de modo que frene a los electrones, se le llama potencial de frenado .
    • La energía que se suministra al electrón para que salga de la superficie debe ser mayor que el potencial de frenado. Esa energía no está determinada por la intensidad de la luz sino por la frecuencia de la luz.
    Φ E 1 E 2 E 1 <E 2 Φ - La función trabajo es la energía mínima que debe ganar un electrón para escapar de determinada superficie.
  • 9. Gráfico del fenómeno fotoeléctrico
    • Energía de un fotón:
    • La energía cinética máxima de un electrón:
    • Haciendo el balance de energía:
    Potencial de frenado (V 0 ) V V 0 I
  • 10. Efecto fotoeléctrico
  • 11. Ejercicio de aplicación
    • Calcula la energía de fotones de rayos X cuya longitud de onda es de 0,60 nm . h = 6,625 x 10 –34 J s .
    • Solución:
    • Determina la energía cinética con la que será expulsado un electrón del cesio al emplear una radiación de 850 nm si sabemos que la energía umbral del Cs es 6,22 x 10 –19 J (h = 6,625 x 10 –34 J s).
    • Solución:
    • Como esta energía es inferior a la energía umbral, el electrón no saldrá expulsado.
  • 12. Efecto Compton
    • Un fotón arranca un electrón de las capas más externas y pierde toda su energía, teniendo al final un electrón dotado de una notable velocidad y un fotón, que respecto el fotón incidente presenta una menor energía y una diferente dirección de propagación.
    fotón 1 electrón fotón 2
  • 13. Creación de pares
    • Un fotón de suficiente energía, en presencia de un núcleo, puede transformarse en un electrón y su correspondiente antipartícula, el positrón.
    • La producción de un positrón:
    partícula residuos positrón electrón positrón electrón fotón partícula fotón fotón
  • 14. Semivida de desintegración
    • En la desintegración radiactiva el número de desintegraciones, -dN, done N es el número de núcleos sin desintegrarse, es proporcional al número de núcleos sin desintegrar.
    • La disminución del número de núcleos no desintegrados se obtiene:
    • N(0) Número inicial de núcleos sin desintegrar.
    •  constante de desintegración.
    • Semivida T 1/2 , tiempo necesario para que la mitad de los núcleos presentes se desintegren.
    • Relación entre  y T 1/2
    14,2 días 32 P 5,27 años 60 Co 12,5 años 3 H 5 740 años 14 C 1,3 x 10 9 años 40 K Semivida Núcleo
  • 15. Semivida de desintegración
    • La actividad de la muestra es la velocidad de desintegración de un material radiactivo, o la velocidad de desintegración del número de núcleos radiactivos presentes.
    • Si hay n moles en la muestra, el número de átomos es N = n N A
    • La unidad en la que se mide la actividad es el Ci , curie .
    • Decrecimiento exponencial de la actividad radiactiva de una sustancia pura ( Estroncio ) en función del tiempo.
  • 16. Ejercicio de aplicación
    • ¿Cuántas desintegraciones por segundo se producen en un mol de 32 P. Se denomina curie a una cantidad de material radiactivo que produzca 3,7 x10 10 desintegraciones por segundo?
    • ¿Cuántas curies hay en un gramo de 32 P. T 1/2 del 32 P es14,6 días.
    • Solución: a)
    b) Un átomo de 32 P tiene una masa de 32 g . Encontremos la actividad de un solo gramo:
  • 17. Dosimetría Física y Biológica
    • Dosis radiactiva es la energía de radiación absorbida por unidad de masa.
    • Unidad SI de dosis absorbida:
    • Otra unidad de medida: rad
    • Factores:
    • Número de desintegraciones por segundo.
    • Energía de cada radiación.
    • Tiempo de exposición.
    • Eficacia biológica relativa
    • Dosis biológica:
    • Unidad SI de dosis biológica: sievert ( Sv)
    20 Alfa 10 Neutrones 10 Protones 1 Beta 1 Rayos X y gamma EBR Radiación
  • 18. Ejercicio de aplicación
    • Durante un examen de diagnóstico con rayos X, una parte de 1,2 kg de una pierna rota recibe una dosis equivalente (biológica) de 0,40 mSv .
    • ¿Cuál es la dosis biológica en mrem?
    • ¿cuál es la dosis absorbida en mrad y mGy?
    • Solución:
    • a) La dosis biológica en mrem es:
    • b) La dosis absorbida es:
  • 19. Efectos de la radiación ionizante
    • Es aquella radiación con energía suficiente para romper o ionizar moléculas de interés biológico.
    • Efectos directos
    • Efectos indirectos.
    • Demasiada exposición a la radiación (luz solar, rayos X, radiaciones nucleares) pueden destruir tejidos.
    • Con mayor exposición se puede causar enfermedades muy graves o la muerte (destrucción de células, alteraciones de material genético, destrucción de componentes de la médula ósea, productor de globulos rojos).
    • En el campo de la medicina, las radiaciones ionizantes también cuentan con numerosas aplicaciones beneficiosas para el ser humano. Con ellas se pueden realizar una gran variedad de estudios diagnósticos (Medicina Nuclear y Radiología) y tratamientos (Medicina Nuclear y Radioterapia).

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