La desintegración nuclear (desintegración radiactiva) ocurre cuando un átomo inestable pierde energía al emitir radiación ionizante . La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales, ya que, según la teoría cuántica, es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. Durante la desintegración radiactiva, un núcleo inestable se descompone espontáneamente y aleatoriamente para formar un núcleo diferente (o un estado de energía diferente: desintegración gamma), emitiendo radiación en forma de particiones atómicas o rayos de alta energía. Esta descomposición ocurre a una tasa constante y predecible que se conoce como vida media. Un núcleo estable no sufrirá este tipo de descomposición y, por lo tanto, no es radioactivo. Hay muchos modos de desintegración radiactiva:

• 

  Alfa radiactividad . La desintegración alfa es la emisión de partículas alfa (núcleos de helio). Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Debido a su gran masa (más de 7000 veces la masa de la partícula beta) y su carga, ioniza mucho el material y tiene un rango muy corto .

• Radioactividad beta . La desintegración beta es la emisión de partículas beta . Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos como el potasio-40. Las partículas beta tienen un mayor rango de penetración que las partículas alfa, pero aún mucho menos que los rayos gamma. Las partículas beta emitidas son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta.
• Radioactividad gamma . La radiactividad gamma consiste en rayos gamma. Los rayos gamma son radiación electromagnética (fotones de alta energía) de una frecuencia muy alta y de alta energía. Son producidos por la desintegración de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado inferior conocido como desintegración gamma. La mayoría de las reacciones nucleares van acompañadas de emisión gamma.
• Emisión de neutrones . La emisión de neutrones es un tipo de desintegración radiactiva de núcleos que contienen exceso de neutrones (especialmente productos de fisión), en los que un neutrón simplemente se expulsa del núcleo. Este tipo de radiación juega un papel clave en el control del reactor nuclear , porque estos neutrones son neutrones retardados .

Naturaleza de la radiactividad.

Como se escribió, los núcleos atómicos consisten en protones y neutrones, que se atraen entre sí a través de la fuerza nuclear , mientras que los protones se repelen entre sí a través de la fuerza electromagnética debido a su carga positiva. Estas dos fuerzas compiten, lo que lleva a la estabilidad de varios núcleos. Solo hay ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman núcleos estables . Los neutrones estabilizan el núcleo , porque se atraen entre sí y a los protones, lo que ayuda a compensar la repulsión eléctrica entre los protones. Como resultado, a medida que aumenta el número de protones, se necesita una proporción creciente de neutrones a protones para formar un núcleo estable. Si hay demasiados (los neutrones también obedecen el principio de exclusión de Pauli ) o muy pocos neutrones para un número dado de protones, el núcleo resultante no es estable y sufre desintegración radiactiva . La mayoría de los átomos que se encuentran en la naturaleza son estables y no emiten partículas o energía que cambian de forma con el tiempo. De los primeros 82 elementos en la tabla periódica, 80 tienen isótopos considerados estables. El tecnecio, el prometio y todos los elementos con un número atómico superior a 82 son inestables y se descomponen a través de la desintegración radiactiva. Los isótopos inestables se descomponen espontáneamente a través de varias vías de desintegración radiactiva , más comúnmente desintegración alfa, desintegración beta, desintegración gamma o captura de electrones. Se conocen muchos otros tipos raros de descomposición, como la fisión espontánea o la emisión de neutrones.

La desintegración nuclear (desintegración radiactiva) ocurre cuando un átomo inestable pierde energía al emitir radiación ionizante . La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales, ya que, según la teoría cuántica, es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. En otras palabras, el núcleo de un radionúclido no tiene «memoria». Un núcleo no «envejece» con el paso del tiempo. Por lo tanto, la probabilidad de que se rompa no aumenta con el tiempo, sino que se mantiene constante sin importar cuánto tiempo haya existido el núcleo. Durante su descomposición impredecible, este núcleo inestable se descompone espontáneamente y al azar para formar un núcleo diferente (o un estado de energía diferente: desintegración gamma), emitiendo radiación en forma de particiones atómicas o rayos de alta energía.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Naturaleza de la radiactividad

Como se escribió, los núcleos atómicos consisten en protones y neutrones, que se atraen entre sí a través de la fuerza nuclear , mientras que los protones se repelen entre sí a través de la fuerza electromagnética debido a su carga positiva. Estas dos fuerzas compiten, lo que lleva a la estabilidad de varios núcleos. Solo hay ciertas combinaciones de neutrones y protones, que forman núcleos estables . Los neutrones estabilizan el núcleo , porque se atraen entre sí y a los protones, lo que ayuda a compensar la repulsión eléctrica entre los protones. Como resultado, a medida que aumenta el número de protones, se necesita una proporción creciente de neutrones a protones para formar un núcleo estable. Si hay demasiados (los neutrones también obedecen el principio de exclusión de Pauli ) o muy pocos neutrones para un número determinado de protones, el núcleo resultante no es estable y sufre desintegración radiactiva . La mayoría de los átomos que se encuentran en la naturaleza son estables y no emiten partículas o energía que cambian de forma con el tiempo. De los primeros 82 elementos en la tabla periódica, 80 tienen isótopos considerados estables. El tecnecio, el prometio y todos los elementos con un número atómico superior a 82 son inestables y se descomponen a través de la desintegración radiactiva. Los isótopos inestables se descomponen espontáneamente a través de varias vías de desintegración radiactiva , más comúnmente desintegración alfa, desintegración beta, desintegración gamma o captura de electrones. Se conocen muchos otros tipos raros de descomposición, como la fisión espontánea o la emisión de neutrones.

Modos de descomposición

La desintegración nuclear (desintegración radiactiva) ocurre cuando un átomo inestable pierde energía al emitir radiación ionizante . La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales, ya que, según la teoría cuántica, es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular. En otras palabras, el núcleo de un radionúclido no tiene «memoria». Un núcleo no «envejece» con el paso del tiempo. Por lo tanto, la probabilidad de que se rompa no aumenta con el tiempo, sino que se mantiene constante sin importar cuánto tiempo haya existido el núcleo. Durante su descomposición impredecible, este núcleo inestable se descompone espontáneamente y al azarpara formar un núcleo diferente (o un estado de energía diferente: desintegración gamma), emitiendo radiación en forma de particiones atómicas o rayos de alta energía. Esta descomposición ocurre a una tasa constante y predecible que se conoce como vida media. Un núcleo estable no sufrirá este tipo de descomposición y, por lo tanto, no es radioactivo. Hay muchos modos de desintegración radiactiva:

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  Alfa radiactividad . La desintegración alfa es la emisión de partículas alfa (núcleos de helio). Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Debido a su gran masa (más de 7000 veces la masa de la partícula beta) y su carga, ioniza mucho el material y tiene un rango muy corto .

• Radioactividad beta . La desintegración beta es la emisión de partículas beta . Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos como el potasio-40. Las partículas beta tienen un mayor rango de penetración que las partículas alfa, pero aún mucho menos que los rayos gamma. Las partículas beta emitidas son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta.
• Radioactividad gamma . La radiactividad gamma consiste en rayos gamma. Los rayos gamma son radiación electromagnética (fotones de alta energía) de una frecuencia muy alta y de alta energía. Son producidos por la desintegración de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado inferior conocido como desintegración gamma. La mayoría de las reacciones nucleares van acompañadas de emisión gamma.
• Emisión de neutrones . La emisión de neutrones es un tipo de desintegración radiactiva de núcleos que contienen exceso de neutrones (especialmente productos de fisión), en los que un neutrón simplemente se expulsa del núcleo. Este tipo de radiación juega un papel clave en el control del reactor nuclear , porque estos neutrones son neutrones retardados .

Leyes de conservación en la decadencia nuclear

Al analizar las reacciones nucleares , aplicamos las muchas leyes de conservación . Las reacciones nucleares están sujetas a las leyes de conservación clásicas para carga, momento, momento angular y energía (incluidas las energías en reposo). Las leyes de conservación adicionales, no previstas por la física clásica, son:

• Ley de Conservación del Número Lepton
• Ley de Conservación del Número de Baryon
• Ley de Conservación de Carga Eléctrica

Algunas de estas leyes se obedecen en todas las circunstancias, otras no. Hemos aceptado la conservación de la energía y el impulso. En todos los ejemplos dados, suponemos que el número de protones y el número de neutrones se conservan por separado. Encontraremos circunstancias y condiciones en las cuales esta regla no es cierta. Cuando consideramos reacciones nucleares no relativistas, es esencialmente cierto. Sin embargo, cuando consideramos las energías nucleares relativistas o las que involucran interacciones débiles, encontraremos que estos principios deben extenderse.

Algunos principios de conservación han surgido de consideraciones teóricas, otros son solo relaciones empíricas. No obstante, cualquier reacción no expresamente prohibida por las leyes de conservación generalmente ocurrirá, aunque sea a un ritmo lento. Esta expectativa se basa en la mecánica cuántica. A menos que la barrera entre los estados inicial y final sea infinitamente alta, siempre hay una probabilidad distinta de cero de que un sistema haga la transición entre ellos.

Para analizar las reacciones no relativistas, es suficiente tener en cuenta cuatro de las leyes fundamentales que rigen estas reacciones.

1. Conservación de nucleones . El número total de nucleones antes y después de una reacción es el mismo.
2. Conservación de carga . La suma de las cargas en todas las partículas antes y después de una reacción es la misma.
3. Conservación del impulso . El impulso total de las partículas que interactúan antes y después de una reacción es el mismo.
4. Conservación de energía . La energía, incluida la energía en masa en reposo, se conserva en reacciones nucleares.

Referencia: Lamarsh, John R. Introducción a la ingeniería nuclear 2da Edición

La protección radiológica es la ciencia y la práctica de proteger a las personas y al medio ambiente de los efectos nocivos de la radiación ionizante. La Agencia Internacional de Energía Atómica ( OIEA ) define la protección radiológica como:

«La protección de las personas contra los efectos nocivos de la exposición a la radiación ionizante, y los medios para lograrlo»

Es un tema serio no solo en las centrales nucleares , sino también en la industria o en los centros médicos. Según el OIEA, la protección radiológica se puede dividir en tres grupos:

• Protección radiológica ocupacional, que es la protección de los trabajadores en situaciones donde su exposición está directamente relacionada o requerida por su trabajo.
• Protección radiológica médica, que es la protección de los pacientes expuestos a la radiación como parte de su diagnóstico o tratamiento.
• Protección pública contra la radiación, que es la protección de los miembros individuales del público y de la población en general.

Según la ICRP (Publicación 103), el Sistema de Protección Radiológica se basa en los siguientes tres principios:

1. Justificación . «Cualquier decisión que altere la situación de exposición a la radiación debería ser más beneficiosa que perjudicial».
2. Optimización de la protección . «Todas las dosis deben mantenerse tan bajas como sea razonablemente posible, teniendo en cuenta los factores económicos y sociales». (conocido como ALARA o ALARP)
3. Limitación de dosis . «La dosis total para cualquier individuo … no debe exceder los límites apropiados».

Ver también: ICRP, 2007. Las Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Publicación 103 de la CIPR. Ann. ICRP 37 (2-4).

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Formas de radiación ionizante

La radiación ionizante se clasifica según la naturaleza de las partículas u ondas electromagnéticas que crean el efecto ionizante. Estas partículas / ondas tienen diferentes mecanismos de ionización, y pueden agruparse como:

• Directamente ionizante . Las partículas cargadas ( núcleos atómicos, electrones, positrones, protones, muones, etc. ) pueden ionizar átomos directamente por interacción fundamental a través de la fuerza de Coulomb si lleva suficiente energía cinética. Estas partículas deben moverse a velocidades relativistas para alcanzar la energía cinética requerida. Incluso los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
  • La radiación alfa . La radiación alfa consiste en partículas alfa a alta energía / velocidad. 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 cortos caminos.
  • La radiación beta . La radiación beta consiste en electrones libres o positrones a velocidades relativistas. Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa, pero el metal de aluminio delgado puede detenerlas. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa.
• Indirectamente ionizante . La radiación ionizante indirecta es partículas eléctricamente neutras y, por lo tanto, no interactúa fuertemente con la materia. La mayor parte de los efectos de ionización se deben a ionizaciones secundarias.
  • Radiación de fotones ( rayos gamma o rayos X). La radiación de fotones consiste en fotones de alta energía . Estos fotones son partículas / ondas (dualidad onda-partícula) sin masa en reposo o carga eléctrica. Pueden viajar 10 metros o más en el aire. Esta es una larga distancia en comparación con las partículas alfa o beta. Sin embargo, los rayos gamma depositan menos energía a lo largo de sus caminos. El plomo, el agua y el concreto detienen la radiación gamma. Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, donde se produce el electrón relativamente energético. El electrón secundario producirá múltiples eventos de ionización , por lo tanto, la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
  • Radiación de neutrones . La radiación de neutrones consiste en neutrones libres a cualquier energía / velocidad. Los neutrones pueden ser emitidos por fisión nuclear o por la descomposición de algunos átomos radiactivos. Los neutrones tienen carga eléctrica cero y no pueden causar ionización directamente. Los neutrones ionizan la materia solo indirectamente . Por ejemplo, cuando los neutrones golpean los núcleos de hidrógeno, se produce radiación de protones (protones rápidos). Los neutrones pueden variar desde partículas de alta velocidad y alta energía hasta partículas de baja velocidad y baja energía (llamadas neutrones térmicos). Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción.

Radiación Beta

La radiación beta consiste en electrones libres o positrones a velocidades relativistas. Estas partículas se conocen como partículas beta. Las partículas beta son electrones o positrones de alta energía y alta velocidad emitidos por ciertos fragmentos de fisión o por ciertos núcleos radiactivos primordiales como el potasio-40. Las partículas beta son una forma de radiación ionizante también conocida como rayos beta. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta . Hay dos formas de desintegración beta, la desintegración de electrones (desintegración β) y la desintegración de positrones (desintegración β +) . En un reactor nuclearocurre especialmente la desintegración β, porque la característica común de los productos de fisión es un exceso de neutrones ( ver Estabilidad nuclear ). Un fragmento de fisión inestable con el exceso de neutrones sufre desintegración β, donde el neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico .

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La forma de esta curva de energía depende de qué fracción de la energía de reacción (valor Q, la cantidad de energía liberada por la reacción) es transportada por el electrón o el neutrino.

Materiales básicos para el blindaje de partículas beta.

Formas de radiación ionizante

La radiación ionizante se clasifica según la naturaleza de las partículas u ondas electromagnéticas que crean el efecto ionizante. Estas partículas / ondas tienen diferentes mecanismos de ionización, y pueden agruparse como:

• Directamente ionizante . Las partículas cargadas ( núcleos atómicos, electrones, positrones, protones, muones, etc. ) pueden ionizar átomos directamente por interacción fundamental a través de la fuerza de Coulomb si lleva suficiente energía cinética. Estas partículas deben moverse a velocidades relativistas para alcanzar la energía cinética requerida. Incluso los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
  • La radiación alfa . La radiación alfa consiste en partículas alfa a alta energía / velocidad. 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 cortos caminos.
  • La radiación beta . La radiación beta consiste en electrones libres o positrones a velocidades relativistas. Las partículas beta (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa, pero el metal de aluminio delgado puede detenerlas. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa.
• Indirectamente ionizante . La radiación ionizante indirecta es partículas eléctricamente neutras y, por lo tanto, no interactúa fuertemente con la materia. La mayor parte de los efectos de ionización se deben a ionizaciones secundarias.
  • Radiación de fotones ( rayos gamma o rayos X). La radiación de fotones consiste en fotones de alta energía . Estos fotones son partículas / ondas (dualidad onda-partícula) sin masa en reposo o carga eléctrica. Pueden viajar 10 metros o más en el aire. Esta es una larga distancia en comparación con las partículas alfa o beta. Sin embargo, los rayos gamma depositan menos energía a lo largo de sus caminos. El plomo, el agua y el concreto detienen la radiación gamma. Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, donde se produce el electrón relativamente energético. El electrón secundario producirá múltiples eventos de ionización , por lo tanto, la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
  • Radiación de neutrones . La radiación de neutrones consiste en neutrones libres a cualquier energía / velocidad. Los neutrones pueden ser emitidos por fisión nuclear o por la descomposición de algunos átomos radiactivos. Los neutrones tienen carga eléctrica cero y no pueden causar ionización directamente. Los neutrones ionizan la materia solo indirectamente . Por ejemplo, cuando los neutrones golpean los núcleos de hidrógeno, se produce radiación de protones (protones rápidos). Los neutrones pueden variar desde partículas de alta velocidad y alta energía hasta partículas de baja velocidad y baja energía (llamadas neutrones térmicos). Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción.

Materiales básicos para el blindaje de partículas alfa.

Las características clave de la radiación de neutrones se resumen en algunos puntos siguientes:

• Los neutrones son partículas neutras , sin carga eléctrica neta.
• Los neutrones no pueden causar ionización directamente . Los neutrones ionizan la materia solo indirectamente.
• Los neutrones se dispersan con núcleos pesados muy elásticamente . Los núcleos pesados ​​reducen la velocidad de un neutrón y mucho menos absorben un neutrón rápido.
• Los neutrones pueden viajar cientos de pies en el aire sin ninguna interacción. La radiación de neutrones es altamente penetrante .
• Para absorberlos, primero se deben reducir la velocidad de los neutrones. Este punto solo puede cumplirse con material que contenga núcleos ligeros (por ejemplo, núcleos de hidrógeno).
• Una absorción de neutrones (se podría decir que protege) provoca el inicio de ciertas reacciones nucleares  (por ejemplo, captura radiactiva o incluso fisión ), que se acompaña de varios otros tipos de radiación . En resumen, los neutrones hacen que la materia sea radiactiva, por lo tanto, con los neutrones tenemos que proteger también los otros tipos de radiación.
• Los neutrones libres (fuera de un núcleo) son inestables y se descomponen a través de la desintegración beta. La descomposición del neutrón implica la interacción débil y está asociada con una transformación de quark (un quark hacia abajo se convierte en un quark hacia arriba).
• La vida media de un neutrón libre es de 882 segundos (es decir , la vida media es de 611 segundos).
• Existe un fondo natural de neutrones de neutrones libres en todas partes de la Tierra y es causado por muones producidos en la atmósfera, donde los rayos cósmicos de alta energía colisionan con partículas de la atmósfera de la Tierra.

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 cortos caminos. En los reactores nucleares se producen, por ejemplo, en el combustible (desintegración alfa de núcleos pesados). Las partículas alfa son emitidas comúnmente por todos los núcleos radiactivos pesados ​​que se encuentran 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.