Seguridad frente a radiaciónes composición del núcleo y decaimiento

Protección radiologica

1. UNIVERSIDAD PÚBLICA DE EL ALTO
CARERA DE CIENCIAS FÍSICAS Y ENERGÍAS ALTERNATIVAS
Jaime Flores
I/2025
SEGURIDAD FRENTE A
RADIACIONES –FM103
CAPITULO 1

2. Radiactividad
Antecedenteshistóricos
Elfenómenodelaradiactividadfuedescubiertoen1896porel
científicofrancésHenriBecquerel,alobservarqueunasplacas
fotográficasguardadasenuncajónjuntoconsalesdeuraniosehabían
velado,aparentemente,porefectodelasradiacionesemitidaspor
dichassales.Elañoanterior,elfísicoalemánWilhelmRöentgenhabía
descubiertolosRayosXcuandoestudiabalosrayoscatódicos,hecho
quelevalióelPremioNobeldeFísicaen1901.
En1898,PierreyMarieCurie,profundizandoenlasinvestigacionesdel
fenómenodescubiertoporBecquerel,observóqueeltorioemitía
radiacionessimilaresalasdeluranioyencontrónuevoselementos
radiactivosalosquedenominópolonioyradio.Todosestoshechos
supusieronunaconvulsiónmundialenelcampodelaFísica.

3. Radiactividad
Antecedenteshistóricos
EnreconocimientoasusinvestigacioneslosCurie,juntoconBecquerel,
fueronpremiadosconelNobeldeFísicaen1903.
Enesamismaépoca,ErnestRutherfordconsiguióidentificarlostres
tiposderadiacionesysupoderdepenetración,denominándolas
�,�,??????�.Estefísicobritánicopropusotambiénunmodelodeátomo
constituidoporunnúcleodecargapositivaalrededordelcualgiranlos
electrones,decarganegativa.
En1934,IreneyFedericoJuliot-Curiedescubrieronlaradiactividad
artificial,porloquerecibieronelNobeldeFísicaunañodespués.Sin
embargofueEnricoFermi,PremioNobeldeFísicaen1938,quien
construyóelprimerreactornuclear(Chicago-1),lograndolaprimera
reacciónnuclearcontrolada.

4. Radiactividad
Propiedaddeciertosnúcleosatómicosdeemitirespontáneamente
radiaciónionizantedurantesudesintegraciónparaalcanzarunestado
másestable.Esunfenómenonaturalporelcualnúcleosinestables
pierdenenergíaemitiendopartículasoradiaciónelectromagnética
(GlosarioOIEA).

5. Tipos de emisiones radiactivas
Isotopos
A= ; Z= ; N=
Isótonos
TambiénexistenúcleosconelmismonúmerodeneutronesNperocondistintoel
númerodeprotonesZ,llamadosisótonos.
Isobaros
Porotraparte,sidiferentesnúcleosdifierenenelnúmerodeneutronesNyde
protonesZ,perotienenelmismonúmerodemasaA,selesllamaisobaros.

6. Tipos de emisiones radiactivas
Losnúcleos,apesardelarepulsióneléctricaentrelosprotones(yaque
poseenlamismacarga)existeunafuerza(interacciónfuerteofuerza
nuclear)quedentrodelnúcleoatraealosnucleonesentresí.Esta
interaccióndecortoalcance(noesapreciablefueradelnúcleo),
permitealosnúcleossepuedenmantenerunidos.Claramente,los
neutronesayudanaestacohesión.Sinembargohaynúcleosqueno
logranmantenerindefinidamentesucohesiónyproducenlaemisión
departículasyradiaciones.Aestosátomoslosllamamosradiactivos.
Engenerallosnúcleossonradiactivoscuando:oHaymásprotonesque
neutronesoSondemasiadopesadosoTienenunnúmeroimparde
protonesydeneutrones.

7. Tipos de emisiones radiactivas
DecaimientoAlfa
Proceso:
�
??????
�→
�−2
??????−4
�+??????
Masa
�
??????=3727.378 MeV
Laemisiónαesunefectoconsecuenciadelarepulsiónculombiana.
DadoquelarepulsiónculombianacrececomoZ
2
/Aserámás
importanteparanúcleospesados.
Balanceenergético: Momentum:

8. Tipos de emisiones radiactivas
DecaimientoBeta-
Ladesintegraciónβnuclearconstituyelaprimeramanifestacióndela
interaccióndébilysuestudiohaintroducidoalgunosdeloscambios
mássignificativosenlaFísicadelsigloXX.
Proceso:
�
??????
�→
�+1
??????
�+??????
−
+ҧ??????
�
�→�+??????
−
+ҧ??????
�
Masa:
�
�
−=0.511�????????????.
Eldecaimientobetasiemprevaacompañadodelaemisiónde
neutrinosoantineutrinos,partículascasisinmasaysincargaque
llevanpartedelaenergíadeldecaimiento.

9. Tipos de emisiones radiactivas
DecaimientoBeta+
Proceso:
�
??????
�→
�−1
??????
�+??????
+
+??????
�
�→�+??????
+
+??????
�
Masa:
�
�
+=________�????????????.
Balanceenergético:
�
????????????
2
=________________________________________________
Momentum:
0=_______________________

10. Tipos de emisiones radiactivas
Decaimientogamma�
Consisteenlaemisióndeunfotóngammadesdeunnúcleoexcitado.
Proceso:
�
??????
�
∗
→
�
??????
�+??????
Masa:
�
??????=________�????????????.
Balanceenergético:
�
????????????
2
=_________________________
Momentum:
0=____________________

11. Tipos de emisiones radiactivas
Decaimiento(ocaptura)electrónica
Lacapturaelectrónicaesunprocesomedianteelcualunelectrónatómico,
normalmentedelacapaK,secombinaconunprotóndelnúcleoyformaun
neutrónyunneutrinoelectrónico.Esunprocesoalternativoaladesintegración
betaconemisióndepositrones.
Proceso:
�
??????
�+??????
−
→
�−1
??????
�+??????
�
�+??????
−
→�+??????
�
Masa:
�
�
−=________�????????????.
Balanceenergético:
=_________________________
Momentum:
0=____________________
Ocurre en núcleos con
exceso de protones y
cuando el decaimiento beta
positivo no es posible o
tiene menor probabilidad.

12. Tipos de emisiones radiactivas
Decaimiento(ocaptura)electrónica

13. Desintegración radiactivas
Leydedecaimientoradiactiva
Pocodespuésdedescubrirselaexistenciadelaradioactividadseobservo
quelatasadedecaimientosdisminuyeexponencialmenteconeltiempo.
Definimoslaactividaddeunamuestra,A,comoelnúmerodenúcleosquese
desintegranporunidaddetiempo.
SeaNelNúmerodeátomosdeunradionucleidoenelinstantet,entonces
Dondeλ(constantededesintegración)sedefinecomolaprobabilidadde
desintegracióndeunnúcleoporunidaddet
•Esindependientedet;
•Nopodemosdecircuándounnúcleovaadesintegrarse,perosipodemos
describirelcomportamientodeungrannúmerodenúcleosidénticos.
dt
0
dN(t)
=−N(t)→N(t) =Ne
−t

14. Desintegración radiactivas
Apartirdeladefinicióndeactividad
??????=??????
0??????
−????????????
Unidades:
EnelSI1Bequerelio(Bq)=1s
-1
Otrasequivalencias3,7x10
10
Bq=1Ci
Periododesemidesintegración(semivida)
??????
1/2=
��2
??????
Vidamedia(??????)
??????=
1
??????

15. Desintegración radiactivas
Cadenasdedesintegracióndetrescomponentes
SolucióngeneralconsiderandoquealprincipionoseproduceN
2niN
3.
�
3�=
�
1,0??????
1??????
2
(??????
1−??????
2)
1−??????
−??????
1??????
??????
1
−
1−??????
−??????
2
??????
??????
2
TAREA:GraficarparaN(t).

16. Interacción de la radiación con la materia
Unfotónesuncuanto(partícula)delaradiaciónelectromagnéticaqueviaja
alavelocidaddelaluz,tienemasaenreposonulayunaenergíaE=hν,donde
h=6.62608×10
−34
JseslaconstantedePlanck,yνeslafrecuenciadelfotón.
Lasenergíasdelosfotonescomprendidasentre10eVy20MeVson
importanteseneldiseñoyanálisisdeblindajescontraradiación.Paraeste
rangodeenergía,sololosmecanismosdeinteraccióndeefecto
fotoeléctrico,produccióndeparesydispersiónComptonsonsignificativos.
•Elefectofotoeléctricopredominaenlosfotonesdeenergíamásbaja.
•LadispersiónComptonpredominaenenergíasintermedias
•Laproduccióndeparesesimportanteúnicamenteparafotonesdealta
energía.
•DispersiónRayleigh

17. Interacción de la radiación con la materia
Interaccióndefotonesconlamateria–Efectofotoeléctrico
•DescubiertoporHeinrichHertz(1887)yexplicadoporAlbertEinstein
(1905).
•Fenómenoenelcualunmaterialemiteelectronesalseriluminadopor
radiaciónelectromagnéticadeciertafrecuencia.
•Baseexperimentaldelateoríacuánticadelaluz.
•Loselectronessoloseemitensilafrecuenciadelaluzsuperaunvalor
mínimo(frecuenciaumbral??????
0distintoparacadametal).
•Laenergíacinéticadeloselectronesemitidosdependedelafrecuenciade
laluz,nodelaintensidad.
•Laintensidaddelaluzafectaelnúmerodeelectronesemitidos,peronosu
energía.

18. Interacción de la radiación con la materia
Sedebetomarencuentalaenergía??????
ℎ??????y??????
??????(??????�????????????����??????�)
Interaccióndefotonesconlamateria–Efectofotoeléctrico
https://openstax.org

19. Interacción de la radiación con la materia
Ecuacionfundamental:
ℎ??????=??????+??????
��??????
??????eslafuncióndetrabajo(energíamínimaparaliberarunelectrón,
característicadelmaterial).
??????
��??????eslaenergíacinéticamáximadeloselectronesemitidos.Laenergía
cinéticamáximasepuedemedirmedianteelpotencialdefrenado
??????
��??????=????????????
0
CaracteristicasdelEfectofotoeléctrico
•Laausenciadetiempoderetardo(aunparabajasenergías).
•Laintensidaddelaradiaciónincidenteylaenergíacinéticadelos
fotoelectrones.
•Frecuenciadecorte(??????
��??????=0,enestecaso??????=??????
0).
0=hfc−ϕ.0=hfc−ϕ.

20. Interacción de la radiación con la materia
Implicacionesfísicas
•Siℎ??????<??????, no hay emisión.
•La frecuencia umbral??????
0se define cuando??????
&#3627408474;&#3627408462;??????=0, luegoℎ??????
0=??????.
•La pendiente de la gráfica de??????
&#3627408474;&#3627408462;??????vs??????esℎ, lo que permitió medir la
constante de Planck.
•Aumenta la probabilidad cuando aumenta Z.
•Directamente proporcional a la densidad del medio.
La constante de plancktiene el valor: h =6,626×10
-34
J.s
Equivalencia de la energiaen el: SI 1 eV =1 eV =1.602 177 ×10
−19
J

21. Interacción de la radiación con la materia
Importancia en el ámbito de aplicaciones medicas
•Los fotones interactúan con el detector
•Creación de imágenes (Z)
•Contraste (&#3627408477;∝&#3627408461;
3
)
•Gamma-cámara
•Dosimetría

22. Interacción de la radiación con la materia
Interaccióndefotonesconlamateria–Efecto(dispersión)Compton
Experimento:
•UnhazmonocromáticoderayosX(frecuenciaν₀)incidesobreunblancode
grafito.
•Semidelaintensidadylalongituddeondadelaradiacióndispersadaa
diferentesángulos(θ).
Observaciones:
•Cambiodelongituddeonda(Δλ):Lalongituddeondadelacomponente
modificadaaumentarespectoalaoriginal.
•Dependenciaangular:EsteaumentoocorrimientoCompton(Δλ)dependedel
ángulodedispersión(θ).Esceroa0°ymáximoa180°.
•Dependenciaenergética:Laenergíadelfotóndispersadodisminuyeamedida
queθaumenta.
•Electronesderetroceso:Sedetectanelectronessiendoexpulsadosdelblanco
(electronesderetroceso),confirmandolatransferenciadeenergíaymomento.

23. Interacción de la radiación con la materia
Interaccióndefotonesconlamateria–Efecto(dispersión)Compton
•Interaccióndeunfotónconun
electróndelascapasexternas.
•Tienecomoresultadola
ionizacióndelátomo,unfotón
secundario(dispersado)yun
electrónliberado.
•ElelectrónComptonpierde
energíaproduciendoionizaciones
y/oexcitaciones.
https://www.ffis.es

24. Interacción de la radiación con la materia
Interaccióndefotonesconlamateria–Efecto(dispersión)Compton

25. Interacción de la radiación con la materia
Elfotondispersadoexperimentaundesplazamientoenlalongituddeonda
(????????????),dadopor
????????????=??????
′
−??????=
ℎ
&#3627408474;
0??????
(1−??????&#3627408476;&#3627408480;??????)
•λ'=Longituddeondadelfotóndispersado.
•λ₀=Longituddeondadelfotónincidente.
•m
0=Masadelelectrónenreposo.
•c=Velocidaddelaluz.
•θ=Ángulodedispersióndelfotón.
•
ℎ
&#3627408474;0&#3627408464;
=LongituddeondaComptondelelectrón.Esunaconstante
fundamental(0.0243Å).

26. Interacción de la radiación con la materia
Probabilidaddeocurrencia
•Esmenorcuandolaenergíadelosfotonesesmayor(~1/??????)
•Aumentaalaumentarladensidadeléctronicadelmedio(~??????&#3627408481;??????),portanto:
•IndependientedeZdelblanco.
•Proporcionalaladensidadatómicadelmedio(ρ)
Importanciaenelámbitodeaplicacionesmedicas
•DiagnósticoporImagen:Lafísicadeladesintegraciónradiactiva(emisores
gamma/positrones)permitecrearradiofármacosquesedistribuyenenel
cuerpo.
•Detección:ElefectofotoelectricoyComptonencristalescentelleadores
(encámarasgammayPET)conviertenlaradiacióninvisibleenluzpara
formarimágenes.

27. Interacción de la radiación con la materia
•Protección:Losprincipiosdeatenuaciónydosimetríaprotegenapacientes
ystaffdelaradiacióninnecesaria.
•Terapia:Permiteelusoderadionúclidosterapéuticosqueliberandosis
letalesderadiacióndeformalocalizadaentumores.Enesencia,sinfísica
noseríaposibleniobtenerlasimágenesniaplicarlostratamientoscon
precisiónyseguridad.
Producciónyaniquilacióndepares
unapartículaysuantipartículasecreanjuntasosedestruyenmutuamente,
intercambiandoenergíasegúnlaequivalenciamasa-energía.
•Laproduccióndeparesocurrecuandounfotónopartículaconsuficiente
energíacreaunparelectrón-positrónuotroparconmasaequivalente.

28. Interacción de la radiación con la materia
•Laaniquilaciónocurrecuandopartículayantipartículacolisionan,
convirtiendosumasaenenergía,usualmenteradiacióngamma.
Mecanismos:

29. Interacción de la radiación con la materia
Mecanismos–Producción:
ℎ??????=??????
−+??????
+
ℎ??????=&#3627408474;
&#3627408476;??????
2
+??????
−+&#3627408474;
&#3627408476;??????
2
+??????
+
En contraste con la producción de pares, su aniquilación puede tener lugar
en el vacío, y se aplican tanto los principios de energía y momentum,
&#3627408474;
&#3627408476;??????
2
+&#3627408474;
&#3627408476;??????
2
+??????
−+??????
+=ℎ??????+ℎ??????
??????
??????=??????
&#3627408467;
&#3627408474;
+Ԧ??????
++&#3627408474;
−Ԧ??????
−=
ℎ
2??????
??????
&#3627409359;+
ℎ
2??????
??????
&#3627409360;
Importanciaenelámbitodeaplicacionesmedicas
•Laaniquilaciónyproduccióndepares,especialmentedelparelectrón-
positrón,eslabasetecnológicadelatomografíaporemisióndepositrones
(PET).

30. Interacción de la radiación con la materia
•Enmedicina,estatécnicaseusaparadiagnósticoporimágenes,permitiendo
observarprocesosmetabólicosydetectarenfermedadescomocáncer,
enfermedadescardíacasyneurológicas.
•Enradioterapiadealtaenergía,fotonesderayosgammapuedenproducirpares
electrón-positrónalinteractuarconelnúcleoatómicodetejidosomateriales.
•Estaproducciónesesencialenciertostratamientosporquelacreacióndelpar
puedeafectardosisydistribucióndeenergíaenelcuerpo.
•Elpositrónemitidoporradionúclidosmédicosseencuentraconunelectrónenel
tejido.
•Suaniquilaciónproducedosfotonesgammade511keVqueseemitenen
direccionesopuestas.
•Estosfotonessondetectadosporunanillodedetectoresqueregistra
coincidenciasyreconstruyeimágenestridimensionalesdelmetabolismocelular

31. Estabilidad nuclear
Laestabilidaddelosnúclidosdependedel
númerorelativodeneutronesyprotonesque
contienen.
•LosnúclidosligerossonestablesconN=Z,
debidoaqueelprincipiodeexclusiónde
Paulidificultaqueaumenteelnúmerode
nucleonesiguales.
•LosnúclidospesadossonestablesconN>Z,
paraminimizarlarepulsiónelectrostática
entreprotones.

32. Estabilidad nuclear
Condicionesparalaestabilidad:
•Elnúmerodeprotones&#3627408461;yneutrones&#3627408449;influyeenlaestabilidad
nuclear.
•Paranúcleosligeros,laestabilidadocurrecuando&#3627408449;≈&#3627408461;.
•Paranúcleospesados,serequierenmásneutronesparacontrarrestar
larepulsiónelectromagnética,alcanzandorelaciones&#3627408449;/&#3627408461;superiores
a1,llegandoa1.5omás.
•Losnúcleosestablesseencuentrandentrodeuna"bandade
estabilidad"(valleocinturóndeestabilidad),queserepresentaenel
gráficonúmerodeneutronesvs.númerodeprotones.

33. Estabilidad nuclear
Energíadeenlaceydefectodemasa
∆&#3627408474;=&#3627408461;&#3627408474;
&#3627408477;+&#3627408449;&#3627408474;
&#3627408475;−&#3627408448;
Y la energia de enlace total es,
??????
&#3627408463;=∆&#3627408474;??????
2
La energía de enlace por nucleón,??????
&#3627408463;/??????=??????
&#3627408463;/??????,nos indica qué tan estable
es un núcleo: valores mayores implican mayor estabilidad

34. Estabilidad nuclear

35. Estabilidad nuclear
•ParaApequeño,E
b/Aaumentaporqueelnúmerodenucleonesvecinos
aumentarápidamente.
•LapendientenegativaparaA≳50sedebealarepulsióncoulombiana,que
aumentaconZ
2
.
•ParaAmuygrandes,losnúcleossevuelveninestables,yfisionan
espontáneamente.

36. Ejemplos
Radiactividadydecaimiento

37. Ejemplos
Estabilidadnuclear

38. Ejemplos
Efectofotoeléctrico

39. Ejemplos
Producciónyaniquilacióndepares

40. Ejemplos
EfectoCompton