Elementos de fsica nuclearT.M. walter Araya

Griegos Dalton thomsonEstructura atmica

Thomson La imagen original del tomo de Thomson era llamada el "modelo de pudn de ciruelas".

Estructura atmicaThomson haba elaborado un modelo de tomo consistente en un cierto nmero N de corpsculos cargados negativamente, acompaados de una cantidad igual de electricidad positiva distribuida uniformemente en toda una esfera. Rutherford pone a prueba este modelo y sugiere el actual modelo de tomo.

RutherfordEn 1911, Ernest Rutherford hizo el anuncio de evidencia experimiental que probaba que el modelo de pudin estaba errado. El experimento de Rutherford consisti en disparar partculas alfa a delgadas hojas de metal. Entonces meda el ngulo al cual salan despedidas.

Rutherford Observaron que la mayor parte de las partculas que atravesaban la lmina seguan una lnea recta o se desviaban un ngulo muy pequeo de la direccin inicial. Solamente, muy pocas partculas se desviaban grandes ngulos, lo que contradeca el modelo atmico propuesto por Thomson. Rutherford supuso que dichas desviaciones provenan de una nica interaccin entre la partcula proyectil y el tomo, el cual debera alojar en su interior una fuente pequea pero intensa de campo elctrico, el ncleo.

Rutherford

BohrAtomo de hidrogeno

Rutherford-Bohr Model

De Broglie (dualidad onda-particula)Heisenberg (principio de incertidumbre)Pauli (Principio de Exclusin)SchrdingerModelo actual

SchrdingerModelo actual

Orbitales

Some of the many possible spherical harmonics showing the probability density of an electron in a hydrogen atom.

Conclusin

La evolucin de los modelos fsicos del tomo se vio impulsada por los datos experimentales. El modelo de Rutherford, en el que los electrones se mueven alrededor de un ncleo positivo muy denso, explicaba los resultados de experimentos de dispersin, pero no el motivo de que los tomos slo emitan luz de determinadas longitudes de onda (emisin discreta).Bohr parti del modelo de Rutherford pero postul adems que los electrones slo pueden moverse en determinadas rbitas; su modelo explicaba ciertas caractersticas de la emisin discreta del tomo de hidrgeno, pero fallaba en otros elementos.El modelo de Schrdinger, que no fija trayectorias determinadas para los electrones sino slo la probabilidad de que se hallen en una zona, explica parcialmente los espectros de emisin de todos los elementos; sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenmenos espectrales.

Conceptos generalesRelacin de trminos referidos a las caractersticas de los ncleos Nmero atmico (Z). Es el nmero de protones. Todos los tomos de un mismo elemento tienen el mismo nmero de protones (el Uranio tiene Z=92).Nmero msico (A). Es la suma del nmero de protones y neutrones. A los protones y neutrones se les llam nucleones por su posicin dentro del ncleo.Nclidos Son los ncleos de un mismo elemento que son todos iguales entre si, tienen el mismo A y el mismo Z.Istopos Son los tomos de de un mismo elemento que no son totalmente iguales entre si, tienen el mismo Z, pero distinto A, distinto nmero de neutrones. Una emisin alfa seguida de dos beta produce un istopo del tomo inicial con A cuatro veces menor.Isbaros Son los tomos de distintos elementos que tienen el mismo A, pero distinto Z. AXZ Por ejemplo, el hidrgeno ordinario se escribe 1H1, el deuterio es 2H1, y el tritio es 3H1.

Iones Los tomos no alterados son elctricamente neutros; el nmero de electrones es el mismo que el de protones. Un tomo que tiene una carga elctrica se llama un in. Puede haber obtenido esta carga por perder electrones--en cuyo caso la carga es positiva--o por capturar algunos electrones extra, haciendo la carga negativa. El proceso de convertir un tomo en un in se llama ionizacin-- de aqu el trmino "energa de ionozacin".

Isotopos Los tomos del mismo elemento pueden tener diferente nmero de neutrones; las diferentes versiones posibles de cada elemento son llamadas istopos. Por ejemplo, el istopo ms comn del hidrgeno no tiene ningn neutrn; tambin hay un istopo del hidrgeno llamado deuterio, con un neutrn, y otro, tritio, con dos neutrones.

Isotopos Un istopo radiactivo de un elemento se caracteriza por tener un ncleo atomico inestable (por el balance entre neutrones y protones) y emite energia cuando cambia de esta forma a una ms estable. La energa liberada al cambiar de forma puede detectarse con un contador geiger-muller, con una pelicula fotografica.La energa puede ser liberada, principalmente, en forma de rayos alfa (un ncleo de helio), beta(un electrn) o gama(sin carga ni masa).Los istopos radiactivos tienen usos en medicina. Por ejemplo, el istopo del talio (Tl 210) puede usarse para identificar vasos sanguneos coronario bloqueados.

AXZ. Aqu X es el smbolo qumico del elemento, Z es el nmero atmico, y A es el nmero de neutrones y protones combinados, llamado el nmero de masa. Isotopos Por ejemplo, el hidrgeno ordinario se escribe 1H1, el deuterio es 2H1, y el tritio es 3H1.

Radiactividadhay combinaciones "preferidas" de neutrones y protones, en las cuales las fuerzas que mantienen la cohesin del ncleo parecen balancearse mejor. Los elementos ligeros tienden a tener tantos neutrones como protones; los elementos pesados aparentemente necesitan ms neutrones que protones para mantener la cohesin. Los tomos con algunos neutrones en exceso o no los suficientes, pueden existir durante algn tiempo, pero son inestables. Los tomo inestables son radioactivos: sus ncleos cambian o se desintegran emitiendo radiaciones, en forma de partculas o de ondas electromagnticas.

En 1896 Becquerel, estudiando la fluorescencia, descubri que algunas sustancias emiten espontneamente, sin estimulacin previa, y de manera continua, radiacin (U235). Como se acababan de descubrir los rayos X, pens que lo que emitan las sustancias radiactivas era una radiacin semejante.Marie Sklodowska Curie propuso que la radiacin era una propiedad de los tomos (al contrario a una propiedad qumica de un compuesto) Hoy sabemos que esa radiacin incluye rayos gamma y dos tipos de partculas que salen a gran velocidad: a y b. Las radiaciones gamma son ondas electromagnticas (ms energticas que los rayos X). En realidad, incluso la radiacin luminosa, contienen fotones que se comportan como partculas.

En 1902, Frederick Soddy propuso la teora que 'la radioactividad es el resultado de un cambio natural de un istopo de un elemento hacia un istopo de un elemento diferente. Al contrario que las reacciones qumicas normales que forman molculas, las reacciones nucleares resultan en la transmutacin de un elemento en un isotopo diferente o en un elemento diferente (recuerde que el nmero de protones de un tomo define el elemento, por lo tanto un cambio de un protn resulta en un cambio de un tomo) Hay tres tipos comunes de radiacin y cambios nucleares

Tipos de Radiaciones ionizantes

Tipos de radiacionesIonizantesCorpuscularesAlfaBetaNeutronesOndulatoriasRayos XRayos Y

No ionizantesInfrarrojosUltravioletaVisiblesRadiofrecuenciasMicroondasLser

Desintegracion alfaLa Radiacin Alpha (a) es la emisin de una partcula alpha del ncleo de un tomo. Una partcula contiene 2 protones y 2 neutrones (y es similar a un ncleo He: ) Cuando un tomo emite una partcula , la masa atmica del tomo disminuir cuatro unidades (ya que 2 protones y 2 neutrones estn perdidos) y el nmero atmico (z) disminuir 2 unidades. Se dice que el elemento se 'transmuta' en otro elemento que es 2 z unidades ms pequeo. Un ejemplo de una transmutacin a tiene lugar cuando el uranio decae hacie el elemento torio (Th) emitiendo una partcula alpha tal como se ve en la siguiente ecuacin:

235U ---> 231Th + 4He++92902

An ---> -4Ap + 4He++ Z-2Z2

Desintegracion betaLa Radiacin Beta(b) es la transmutacin de un neutrn (seguido de la emisin de un electrn del ncleo del tomo : ). Cuando un tomo emite una partcula b, la masa del tomo no cambiar (puesto que no hay cambio en el nmero total de partculas nucleares), sin embargo el nmero atmico aumentar l (porque el neutrn se transmut en un protn adicional). Un ejemplo de esta descenso del istopo de carbn llamado carbn-14 en el elemento nitrgeno es el siguiente:

14C ---> 14N + 0e67-1

1n ---> 1p + 0e b01-1

Emisin gammaLa Radiacin Gamma (g) incluye la emisin de energa electromagntica (similar a la energa proveniente de la luz) de un ncleo de un tomo. Ninguna partcula es emitida durante la radiacin gamma, y por consiguiente la radiacin gamma no causa en s misma la transmutacin de los tomos. Sin embargo, la radiacin g es emitida generalmente durante, y simultneamente, a la disminucin radioactiva a o b. Los rayos X, emitidos durante la disminucin beta del cobalto-60, son un ejemplo comn de la radiacin gamma.

Vida mediaLa vida media es la cantidad de tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los tomos de una muestra. La vida media de un istopo dado es siempre la misma ; no depende de cuntos tomos se tengan o cunto tiempo hayan estado all. Por ejemplo, el elemento radioactivo bismuto (210Bi) puede experimentar disminucin alpha para formar el elemento talio (206Th) con una reaccin de vida media igual a 5 das. Si iniciamos un experimento comenzando con 100g de bismuto en un contenedor con la tapa cerrada, despus de 5 das tendremos 50g de bismuto y 50g de talio en la jarra. Despus de otros 5 das (10 desde el principio), la del bismuto restante disminuir y nos quedarn 25g de bismuto y 75g de talio en la jarra. Tal como est ilustrado, la reaccin procede en mitades, con la mitad de lo que sobra del elemento radioactivo disminuir su vida media en cada perodo.

Tiempo de vida mediaDisminucin Radioactiva del Bismuto-210 (T = 5 das)

Los ncleos radiactivos se rompen segn la ecuacin exponencial decreciente de decaimiento radiactivo: N = Noe-t N: nmero de nucleos iniciales No: nmero de nucleos presentes en la muestra al cabo de un tiempo t : constante de desintegracin radiactiva t: tiempo La actividad, A, de una muestra nos indica el nmero de ncleos desintegrados por unidad de tiempo. A = Nsu unidad en el S.I. es el becquerel(Bq) o desintegraciones/s. La ecuacin de desintegracin radiactiva puede espresarse en funcin de la actividad: A = Aoe-t

La relacin entre la masa expresada en gramos(m), el nmero de ncleos(N), la masa molar(M) y el nmero de Avogadro(NA) es: N = (m/M)NA La ecuacin de desintegracin radiactiva puede espresarse en funcin de la masa: m = moe-t El periodo de semidesintegracin es el tiempo necesario para que el nmero de ncleos iniciales se reduzca a la mitad. N = Noe-t;; No/2 = Noe-t;; 1/2 = e-T;; Ln(1/2) = -T x Ln e ;; -Ln 2 = -T 1/2 = Ln 2 /

Produccion de rayos xRayos X. Entre 3 1017 Hz y 5 1019 Hz y longitudes desde 10-9 m hasta 6 10-12 m Se producen en transiciones entre los niveles energticos de los electrones de un tomo, y en la radiacin de frenado de las partculas cargadas, p.e., incidiendo electrones rpidos en un blanco metlico. En este ltimo caso slo del orden del 1% de la energa de estos electrones es convertida en rayos X, el resto es disipada en forma de calor en el blanco. El espectro de Rx consta del espectro continuo de "bremsstrahlung" y de las rayos X caractersticas del material. El primero es casi independiente del material irradiado y depende slo de la energa de los electrones.

Interaccin de la radiacin con la materiaPARTCULAS CARGADAS. Cuando una partcula cargada penetra en un medio material, experimenta una serie de colisiones con los tomos constituyentes. Sin embargo, dado el vaco relativo existente en el interior del tomo, las colisiones mecnicas por choque directo entre la partcula y los electrones o ncleos, son muy improbables. En realidad, el proceso predominante es la COLISION CULOMBIANA: proceso de interaccin debido a las fuerzas elctricas producidas entre la partcula incidente y los electrones y ncleos del medio absorbente. Esta interaccin produce una prdida casi continua de la energa de la partcula, hasta llegar a su detencin.Los procesos que contribuyen a la prdida de energa de una partcula en su interaccin con medios materiales son:procesos de interaccin

A.Colisin Elstica. En este tipo de colisin, se conserva tanto la energa cintica como la cantidad de movimiento. En estos casos, la partcula se desva de su trayectoria, cediendo parte de su energa en forma de energa cintica. En estas colisiones, no se produce en el medio ninguna alteracin, ni atmica ni nuclear. B.Colisin Inelstica. Aqu se conserva la cantidad de movimiento, pero NO la energa cintica. La partcula, al sufrir estas colisiones con los tomos del medio, modifica su estructura electrnica, produciendo excitacin, ionizacin o disociacin. C.Colisin Radiativa. Si la partcula cargada se frena por la accin de una deceleracin tangencial, o se desva de la trayectoria por la accin de una aceleracin normal, se emite radiacin electromagntica. Evidentemente las partculas pueden sufrir tambin colisiones con los ncleos atmicos, produciendo reacciones nucleares, pero estos procesos son relativamente poco probables, y por tanto, no suelen considerarse en los

Los rayos X, interaccionan con los componentes atmicos de las sustancias u objetos que encuentra en su camino, se acuerdo con los mecanismos propios de las radiaciones electromagnticas dando lugar a los fenmenos de ionizacin y excitacin que son la base de varios efectos, entre ellos, las modificaciones biolgicas.

Interaccion de los rayos x con la materia

Fig. N4. Rayos X atravesando un espesor de un material "m" determinado Interaccion de los rayos x con la materia

En general, se puede mencionar que los fotones de rayos X, al atravesar la materia, extraen electrones de sus rbitas de tomos o molculas con que interacta, imprimindoles una gran velocidad. De este modo se crean iones (tomos o molculas), electrones rpidos y otros rayos X de menor energa.Los fenmenos ms importantes a travs de los cuales la radiacin electromagntica intercambia su energa con los tomos, son los siguientes: Dispersin Coherente, Efecto Fotoelctrico, Efecto Compton, Produccin de Pares y fotodesintegracion.

Interaccin de los rayos x con la materia