1 Inestabilidad nuclear y Modos de decaimiento Curso Básico de ...

Curso Básico de Metodología de
los Radisótopos - C.I.N.
Inestabilidad nuclear y Modos de decaimiento
Dra. Q.F. Lourdes Mallo
Para que el núcleo sea estable debe existir una
fuerza atractiva intensa que supere dicha repulsión
electrostática: las fuerzas nucleares.
PROPIEDADES:
FUERZAS NUCLEARES
- Son fuerzas atractivas entre los nucleones .
- Son de rango muy corto (~ 2x10 -13 cm). Su valor es
aproximadamente constante hasta una distancia del orden
de 10 –15 m, cayendo bruscamente a 0 a distancias
mayores.
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-Son extremadamente intensas (100 veces mayores
que las fuerzas electromagnéticas y 1035 veces
superiores a la gravedad).
- Son independientes de la carga.
- Se producen por intercambio de partículas virtuales
llamadas “gluones” (del inglés “glue”, pegamento).
- Dichos gluones no existen en el núcleo sino que
aparecen y desaparecen en períodos cortos.
Se han descubierto 4 tipos de interacciones fundamentales
en nuestro Universo.
- La gravitatoria: Es la que tiene mayor impacto a grandes
distancias. Tiene carácter de atracción y, en comparación
con el resto de las interacciones, es la mas débil .
Intercambia una partícula virtual llamada gravitón.
- La electromagnética: actúa entre partículas con carga
eléctrica. Incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre
cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas
eléctrica y magnética, que actúan entre cargas que se
mueven una respecto a la otra. La partícula virtual
intercambiada es el fotón.
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La nuclear fuerte: es despreciable a distancias
mayores que el núcleo atómico, por lo que no se
aprecia en la vida diaria. No obstante, todo depende de
ellas, ya que es la que permite unirse a los quarks para
formar los protones y neutrones, entre otros
mantiene unidos los bloques fundamentales con los que
el universo está formado. La partícula virtual
intercambiada es el el gluón.
La nuclear débil: también es despreciable a distancias
mayores que el núcleo atómico, es 10 -13 veces menos
potente que la interacción fuerte y es responsable de
que los quarks y otras partículas decaigan a partículas
más livianas, así como de producir desintegraciones
beta. La partícula virtual intercambiada es el bosón.
ESTABILIDAD NUCLEAR
- El núcleo es intrínsecamente inestable debido a la
repulsión electrostática entre los protones.
- El balance repulsión-atracción determina si un nucleido es
estable o radiactivo.
- La relación entre N y Z es de fundamental importancia en
dicho balance.
- Cada elemento puede tener varios nucleidos estables.
Estos nucleidos constituyen el “cinturón de estabilidad”.
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Cinturón de estabilidad
- Si Z < 20 N/Z 1
14
N N/Z = 1
7
120
- Si 20 < Z < 83 1 < N/Z < 1.5 Sn N/Z = 1.4
50
- Si Z > 83: ningún nucleido es estable
209
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Bi N/Z = 1.52
Los nucleidos que caen fuera del “cinturón de
estabilidad” sufren transformaciones que dan al lugar al
fenómeno de radiactividad.
Sin embargo, aún para los nucleidos radiactivos la
existencia del núcleo como tal es más favorable que la
separación en los nucleones que lo constituyen .
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- La masa de un átomo es siempre menor que la suma
de las masas de las partículas que lo constituyen.
- Esa diferencia se denomina defecto de masa y es
equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta
en mantener juntos a sus nucleones.
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Átomo de Li
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La teoría de la relatividad establece que la masa es una
forma de energía y la teoría de conservación de la
energía se extiende a la suma de ambas magnitudes.
El equivalente entre masa y energía está dado por
E = mc 2
Se cumple que E (MeV) = m (umas) x 931.5
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La masa de un átomo es siempre menor que la suma
de las masas de las partículas que lo constituyen.
Esa diferencia se denomina defecto de masa y es
equivalente a la cantidad de energía que el núcleo
gasta en mantener juntos a sus nucleones (energía de
ligadura).
La energía de ligadura/nucleón es una medida de la
estabilidad del núcleo.
* 12 C
m 12 C = 6 x (m p + m n + m e) - 12.0000 = 0.0989436 umas
Convirtiendo la masa en energía, 1 uma 931.5 MeV
E l 12 C = 0.0989436 x 931.5 = 92.166 MeV
E l/nucleón 12 C = 92.166/12 = 7.68 MeV/nucleón
* 14 C
EJEMPLOS
m 14 C = 6 x (m p + m e)+ 8 x m n – 14.003242 = 0.113034
umas.
E l 14 C = 105.29 MeV
E l/nucleón 14 C = 7.52 MeV/nucleón
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ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON vs A
PARA NUCLEIDOS DE A

ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON
vs A PARA NUCLEIDOS DE A>11
OBSERVACIONES
La El/A presenta un máximo para A ~ 60. En esa zona se
encuentran los nucleidos más abundantes en la corteza
terrestre.
La El/A disminuye hacia ambos lados de dicho máximo.
CONCLUSIONES
Los nucleidos más abundantes son los más estables.
Su mayor El/A es un reflejo de esa estabilidad.
La fisión de 1 núcleo pesado para dar 2 núcleos menores
pero de mayor El/A es un proceso que libera energía.
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RADIACTIVIDAD
La radiactividad es un fenómeno espontáneo de
transformación de un nucleido en otro, con emisión
de partículas o radiación, y energía.
Cuando N/Z cae fuera del “cinturón de estabilidad” el
nucleido es radiactivo (radionucleido).
Al radionucleido que experimenta el proceso se le
denomina "padre" (P) y al decaer se convierte en el
nucleido "hijo" (H), el cual puede ser estable o ser
también radiactivo.
La radiactividad no depende de la naturaleza física o
química de los átomos, es una propiedad de su núcleo.
TIPOS DE RADIACIÓN
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Existen 5 tipos de decaimiento radiactivo:
- alfa () (Núcleos de Helio)
-
- beta () +
- gamma ()
Captura electrónica (CE)
El modo de decaimiento más probable será aquel que
acerque ese radionucleido a la estabilidad.
Los radionucleidos con Z > 83
deben disminuir rápidamente
la cantidad total de nucleones
para acercarse a la estabilidad.
Emiten una partícula
A
Z
EMISIÓN ALFA
A-4
X Y + He + E
Z-2
4
2
Partícula
m = masa (P) – masa (H) + m ( 4 He) > 0
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Ese “defecto de masa” m debe ser positivo para que la
emisión suceda, y la energía liberada en la reacción se
calcula según la ecuación de Einstein:
siendo c = velocidad de la luz
E = m. c 2
Si m está en umas, la energía liberada (en Mev) es de
E = m x 931,5 ( MeV )
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m = m 234 U – m 230 Th – m 4 He > 0
Si N/Z >estabilidad
A
Z
n p + + e -
A
EMISIÓN -
X Y + e + + E
Z+1
-
0
-1
-
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Los electrones emitidos no son monoenergéticos,
como se esperaría, sino que presentan un espectro
continuo de energía con E max. = mc 2 .
La energía más probable es aprox. 1/3 E max.
¿Cómo se conserva la energía?
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La emisión concomitante de una partícula neutra y
de masa muy pequeña, el antineutrino, que comparte
la energía total con el electrón es la explicación del
espectro -
La emisión - puede ir también acompañada de uno o
varios rayos .
m = m (P) – m (H)
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Según el modelo de los quarks:
Si N/Z < estabilidad
A
Z
p + n + e +
A
EMISIÓN +
+
X Y + e + + E
Z-1
0
+1
+
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m = m (P) – m(H) – 2 m e -
- El espectro del positrón es análogo al ya visto para el
electrón en la emisión - , debido a la emisión conjunta
de un neutrino.
- El positrón emitido al encontrarse con algún electrón
del medio, experimenta el fenómeno de aniquilación
produciéndose la emisión simultánea de 2 rayos de
511 keV cada uno.
- Esta radiación de aniquilación siempre está presente
cuando hay emisión de positrones.
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Aniquilación de positrones
CAPTURA ELECTRÓNICA
Si N/Z < estabilidad
Otra alternativa es el decaimiento
por captura electrónica
Implica la captura de un electrón
orbital por parte de un protón
nuclear, transformándose ambos en
un neutrón, con emisión de un
neutrino y energía.
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El número total de nucleones permanece constante
mientras que el número atómico disminuye en una
unidad
A
Z
0
A
X + e - Y + + E
-1
Z-1
m = m (P) – m (H)
125 0
125
53 I + -1 e 52 Te + + E
El hueco en las capas electrónicas es llenado por
otros electrones más externos, produciéndose la
emisión concomitante de rayos X característicos.
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EMISION
- Se produce cuando el núcleo se encuentra en estado
excitado.
- Implica la emisión del exceso de energía como un
cuanto de radiación electromagnética.
- No produce cambio ni en el número de nucleones ni en
el número atómico.
99m Tc 99 Tc + E +
-La emisión gamma es un cuanto de alta energía y
carece de masa.
-Surge por reacomodamiento de niveles energéticos
nucleares E = E2 - E1 = E
-Es similar a la emisión de Rayos X pero éstos se
producen por transiciones de los electrones periféricos y
por eso suelen ser de menor energía (< 100 KeV ).
- En ciertos casos la diferencia entre 2 estados
energéticos nucleares no aparece como un cuanto sino
que es transferido a un electrón orbital, el cual escapa
del átomo, bajo la forma de electrones monoenergéticos
llamados electrones de conversión
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ELECTRONES AUGER
Cuando un electrón es arrancado de una de las capas
internas de un átomo, dejando una vacante o hueco, un
electrón de un nivel de energía externo ocupa esta
vacante, liberándose energía. Este exceso de energía
generalmente se libera por la emisión de un fotón (Rayos
X), aunque también puede ser transferida a otro electrón,
llamado electrón Auger, el cual es eyectado del átomo.
En la conversión interna, la energía que se utiliza en
expulsar al electrón procede de la desexcitación del
NÚCLEO.
En el caso de la emisión de electrones Auger, la
energía necesaria para producir dicha emisión
proviene de una transición entre niveles electrónicos
de la PERIFERIA DEL ATOMO
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RESUMEN DE LOS MODOS DE DECAIMIENTO ANALIZADOS
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TABLA DE RADIONUCLEIDOS
Los nucleidos estables aparecen en negro. En los
radionucleidos, el color del recuadro indica qué tipo de
emisor es: celeste ( - ), rosado ( + o CE), amarillo (),
verde (fisión espontánea), blanco (transiciones
isoméricas).
Cuando se trata de un nucleido que decae por más de
un camino, el área total del recuadro está dividida
diagonalmente a la mitad o en un ángulo y el tamaño
del sector de cada color, se relaciona con la probabilidad
de ese modo de decaimiento.
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ESQUEMAS DE DECAIMIENTO
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