Las partículas cargadas pesadas son todos iones energéticos con una masa de una unidad de masa atómica o mayor, como protones, partículas alfa (núcleos de helio) o fragmentos de fisión . Especialmente el conocimiento de la interacción de fragmentos de fisión y partículas alfa debe ser bien conocido en la ingeniería de reactores nucleares.
Descripción de partículas alfa
Las partículas alfa son núcleos energéticos de helio . La producción de partículas alfa se denomina desintegración alfa. Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Las partículas alfa son relativamente grandes y tienen una carga positiva doble. No son muy penetrantes y un trozo de papel puede detenerlos. Viajan solo unos pocos centímetros pero depositan todas sus energías a lo largo de sus caminos cortos. En los reactores nucleares se producen, por ejemplo, en el combustible (desintegración alfa de núcleos pesados). Las partículas alfa son comúnmente emitidas por todos los núcleos radiactivos pesados que ocurren en la naturaleza ( uranio, torio o radio), así como los elementos transuránicos (neptunio, plutonio o americio). Las partículas alfa especialmente energéticas (excepto los núcleos de helio acelerados artificialmente) se producen en un proceso nuclear, que se conoce como fisión ternaria . En este proceso, el núcleo de uranio se divide en tres partículas cargadas (fragmentos de fisión) en lugar de las dos normales. El más pequeño de los fragmentos de fisión probablemente (90% de probabilidad) es una partícula alfa extra energética.
Descripción de los fragmentos de fisión
Los fragmentos de fisión nuclear son los fragmentos que quedan después de las fisiones de un núcleo . Típicamente, cuando el núcleo de uranio 235 sufre fisión, el núcleo se divide en dos núcleos más pequeños , junto con algunos neutrones y liberación de energía en forma de calor ( energía cinética de estos fragmentos de fisión ) y rayos gamma. El promedio de la masa del fragmento es de aproximadamente 118, pero se encuentran muy pocos fragmentos cerca de ese promedio. Es mucho más probable que se rompa en fragmentos desiguales, y las masas de fragmentos más probables están alrededor de la masa 95 (criptón) y 137 (bario).
La mayoría de estos fragmentos de fisión son altamente inestables (radiactivos) y sufren más desintegraciones radiactivas para estabilizarse . Los fragmentos de fisión interactúan fuertemente con los átomos o moléculas circundantes que viajan a alta velocidad, haciendo que se ionicen.
La mayor parte de la energía liberada por una fisión (~ 160MeV del total ~ 200MeV) aparece como energía cinética de los fragmentos de fisión.
Naturaleza de la interacción de partículas cargadas con materia
Como la interacción electromagnética se extiende a cierta distancia, no es necesario que la partícula cargada ligera o pesada forme una colisión directa con un átomo. Pueden transferir energía simplemente pasando cerca . Las partículas cargadas pesadas , como los fragmentos de fisión o las partículas alfa, interactúan con la materia principalmente a través de fuerzas coulomb entre su carga positiva y la carga negativa de los electrones de los orbitales atómicos. Por otro lado, la energía interna de un átomo se cuantifica , por lo tanto, solo se puede transferir cierta cantidad de energía. En general, las partículas cargadas transfieren energía principalmente mediante:
- Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
- Ionización La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para eliminar un electrón. Esto da como resultado una creación de pares de iones en la materia circundante.
La creación de pares requiere energía, que se pierde de la energía cinética de la partícula cargada, lo que hace que se desacelere . Los iones positivos y los electrones libres creados por el paso de la partícula cargada se reunirán y liberarán energía en forma de calor (por ejemplo, energía vibratoria o energía rotacional de los átomos). Este es el principio de cómo los fragmentos de fisión calientan el combustible en el núcleo del reactor. Existen diferencias considerables en las formas de pérdida y dispersión de energía entre el paso de partículas cargadas de luz como positrones y electrones y partículas cargadas pesadas como fragmentos de fisión, partículas alfa, muones. La mayoría de estas diferencias se basan en las diferentes dinámicas del proceso de colisión. En general, cuando una partícula pesada colisiona con una partícula mucho más ligera (electrones en los orbitales atómicos), las leyes de energía y conservación del momento predicen que solo una pequeña fracción de la energía de la partícula masiva puede transferirse a la partícula menos masiva. La cantidad real de energía transferida depende de qué tan cerca pasan las partículas cargadas a través del átomo y también depende de las restricciones de la cuantificación de los niveles de energía.
La distancia requerida para que la partícula descanse se conoce como su rango. El rango de fragmentos de fisión en sólidos asciende a solo unas pocas micras y, por lo tanto, la mayor parte de la energía de fisión se convierte en calor muy cerca del punto de fisión. En el caso de los gases, el rango aumenta a unos pocos centímetros en función de los parámetros del gas (densidad, tipo de gas, etc.) La trayectoria de las partículas cargadas pesadas no se ve muy afectada, ya que interactúa con los electrones atómicos ligeros. Otras partículas cargadas, como las partículas alfa, se comportan de manera similar con una excepción: para partículas cargadas más ligeras, los rangos son algo más largos.
Poder de frenado – Bethe Formula
Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . El poder de detención lineal del material se define como la relación de la pérdida de energía diferencial para la partícula dentro del material con la longitud del camino diferencial correspondiente :
, donde T es la energía cinética de la partícula cargada, n ion es el número de pares de iones de electrones formados por unidad de longitud de recorrido, e denota la energía promedio necesaria para ionizar un átomo en el medio. Para partículas cargadas, S aumenta a medida que disminuye la velocidad de las partículas . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe. La fórmula no relativista fue encontrada por Hans Bethe en 1930. La versión relativista (ver más abajo) también fue encontrada por Hans Bethe en 1932.
En esta expresión, m es la masa en reposo del electrón, β es igual a v / c, lo que expresa la velocidad de la partícula en relación con la velocidad de la luz, γ es el factor de Lorentz de la partícula, Q es igual a su carga, Z es el número atómico del medio yn es la densidad de átomos en el volumen. Para partículas no relativistas (las partículas cargadas pesadas son en su mayoría no relativistas), dT / dx depende de 1 / v 2 . Esto se puede explicar por el mayor tiempo que la partícula cargada pasa en el campo negativo del electrón, cuando la velocidad es baja.
El poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para partículas con carga pesada y estas partículas tienen rangos muy cortos. Por ejemplo, el rango de una partícula alfa de 5 MeV es de aproximadamente solo 0,002 cm en aleación de aluminio. La mayoría de las partículas alfa pueden ser detenidas por una hoja de papel ordinaria o tejido vivo. Por lo tanto, la protección de las partículas alfa no plantea un problema difícil, pero por otro lado, los nucleidos radiactivos alfa pueden conducir a graves riesgos para la salud cuando se ingieren o inhalan (contaminación interna).
Detalles de los fragmentos de fisión
La fisión fragmenta tres dos características clave (algo diferentes de las partículas alfa o protones), que influyen en su pérdida de energía durante su viaje a través de la materia.
- Alta energía inicial. Resultados en una gran carga efectiva.
- Gran carga efectiva. Los fragmentos de fisión comienzan con la falta de muchos electrones, por lo tanto, su pérdida específica es mayor que la pérdida específica de alfa, por ejemplo.
- Recogida inmediata de electrones. Resultados en cambios de (-dE / dx) durante el viaje.
Estas características dan como resultado una disminución continua en la carga efectiva que lleva el fragmento de fisión a medida que el fragmento se detiene y una disminución continua en -dE / dx. La disminución resultante en -dE / dx (desde la captación de electrones) es mayor que el aumento que acompaña a una reducción en la velocidad. El rango del fragmento de fisión típico puede ser aproximadamente la mitad del de una partícula alfa de 5 MeV.
Curva de Bragg
Fuente: wikipedia.org
La curva de Bragg es típica para partículas con carga pesada y describe la pérdida de energía de la radiación ionizante durante el viaje a través de la materia. Para esta curva es típico el pico de Bragg , que es el resultado de la dependencia 1 / v 2 de la potencia de frenado. Este pico ocurre porque la sección transversal de la interacción aumenta inmediatamente antes de que la partícula descanse. Para la mayor parte de la pista, la carga permanece sin cambios y la pérdida de energía específica aumenta de acuerdo con 1 / v 2 . Cerca del final de la pista, la carga puede reducirse mediante la captación de electrones y la curva puede caerse.
La curva de Bragg también difiere un poco debido al efecto del rezago . Para un material dado, el rango será casi el mismo para todas las partículas del mismo tipo con la misma energía inicial. Debido a que los detalles de las interacciones microscópicas experimentadas por cualquier partícula específica varían aleatoriamente, se puede observar una pequeña variación en el rango. Esta variación se llama estrangulamiento y es causada por la naturaleza estadística del proceso de pérdida de energía que consiste en una gran cantidad de colisiones individuales.
Este fenómeno, que se describe mediante la curva de Bragg, se explota en la terapia con partículas del cáncer, ya que permite concentrar la energía de detención en el tumor y minimizar el efecto sobre el tejido sano circundante.
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