Dosimetría de radiación

En la protección radiológica, hay tres formas de proteger a las personas de las fuentes de radiación identificadas:

• Limitando el tiempo. La cantidad de exposición a la radiación depende directamente (linealmente) del tiempo que las personas pasan cerca de la fuente de radiación. La dosis puede reducirse limitando el tiempo de exposición .
• Distancia. La cantidad de exposición a la radiación depende de la distancia desde la fuente de radiación. De manera similar al calor de un incendio, si está demasiado cerca, la intensidad de la radiación de calor es alta y puede quemarse. Si está a la distancia correcta, puede resistir allí sin ningún problema y, además, es cómodo. Si está demasiado lejos de la fuente de calor, la insuficiencia de calor también puede dañarlo. Esta analogía, en cierto sentido, puede aplicarse a la radiación también de fuentes nucleares.
• Blindaje  Finalmente, si la fuente es demasiado intensa y el tiempo o la distancia no proporcionan suficiente protección contra la radiación, se debe usar el blindaje. El blindaje contra la radiación generalmente consiste en barreras de plomo, concreto o agua. Incluso el uranio empobrecido puede usarse como una buena protección contra la radiación gamma , pero por otro lado, el uranio es un blindaje absolutamente inapropiado de la radiación de neutrones. En resumen, depende del tipo de radiación a proteger, qué blindaje será efectivo o no.

Principios de blindaje de neutrones

Los mejores materiales para proteger los neutrones deben ser capaces de:

• Disminuya la velocidad de los neutrones  (el mismo principio que la moderación de neutrones ). El primer punto solo puede cumplirse con material que contenga átomos ligeros (por ejemplo, átomos de hidrógeno), como agua, polietileno y hormigón. El núcleo de un núcleo de hidrógeno contiene solo un protón. Como un protón y un neutrón tienen masas casi idénticas , una dispersión de neutronesen un núcleo de hidrógeno puede ceder una gran cantidad de su energía (incluso la energía cinética completa de un neutrón puede transferirse a un protón después de una colisión). Esto es similar a un billar. Como una bola blanca y otra bola de billar tienen masas idénticas, la bola blanca que golpea a otra bola puede detenerse y la otra bola comenzará a moverse con la misma velocidad. Por otro lado, si una pelota de ping pong se lanza contra una bola de boliche (neutrones versus núcleo pesado), la pelota de ping pong rebotará con muy poco cambio en la velocidad, solo un cambio en la dirección. Por lo tanto, el plomo es bastante ineficaz para bloquear la radiación de neutrones, ya que los neutrones no están cargados y simplemente pueden pasar a través de materiales densos.

• 

  Absorbe este neutrón lento. Los neutrones térmicos se pueden absorber fácilmente mediante captura en materiales con secciones transversales de captura de neutrones altas (miles de graneros) como boro , litio o cadmio . Generalmente, solo una capa delgada de dicho absorbente es suficiente para proteger los neutrones térmicos. El hidrógeno (en forma de agua), que se puede usar para reducir la velocidad de los neutrones, tiene una sección transversal de absorción de 0.3 graneros. Esto no es suficiente, pero esta insuficiencia puede compensarse con un grosor suficiente del escudo de agua.

• Blindar la radiación que lo acompaña . En el caso del escudo de cadmio, la absorción de neutrones se acompaña de una fuerte emisión de rayos gamma . Por lo tanto, es necesario un escudo adicional para atenuar los rayos gamma . Este fenómeno prácticamente no existe para el litio y es mucho menos importante para el boro como material de absorción de neutrones. Por esta razón, los materiales que contienen boro se usan a menudo en escudos de neutrones. Además, el boro (en forma de ácido bórico) es muy soluble en agua, lo que hace que esta combinación de escudo de neutrones sea muy efectiva.

El agua como escudo de neutrones

El agua debido al alto contenido de hidrógeno y la disponibilidad es efectiva y la protección común de neutrones . Sin embargo, debido al bajo número atómico de hidrógeno y oxígeno, el agua no es un escudo aceptable contra los rayos gamma. Por otro lado, en algunos casos, esta desventaja (baja densidad) puede compensarse con un alto espesor del escudo de agua. En el caso de los neutrones, el agua modera perfectamente los neutrones, pero con la absorción de neutrones por el núcleo de hidrógeno se producen rayos gamma secundarios con alta energía. Estos rayos gamma penetran altamente en la materia y, por lo tanto, pueden aumentar los requisitos sobre el grosor del escudo de agua. Agregar un ácido bórico puede ayudar con este problema (absorción de neutrones en los núcleos de boro sin una fuerte emisión de rayos gamma), pero da como resultado otros problemas con la corrosión de los materiales de construcción.

El hormigón como escudo de neutrones

El blindaje de neutrones más utilizado en muchos sectores de la ciencia e ingeniería nuclear es el escudo de hormigón. El hormigón también es material que contiene hidrógeno , pero a diferencia del agua, el hormigón tiene una densidad más alta ( adecuado para el blindaje gamma secundario ) y no necesita ningún mantenimiento. Debido a que el concreto es una mezcla de varios materiales diferentes, su composición no es constante. Entonces, cuando nos referimos al concreto como un material de protección de neutrones, el material utilizado en su composición debe informarse correctamente. En general, el hormigón se divide en hormigón «ordinario» y hormigón «pesado» . El concreto pesado utiliza agregados naturales pesadoscomo baritas (sulfato de bario) o magnetita o agregados fabricados como hierro, bolas de acero, punzón de acero u otros aditivos. Como resultado de estos aditivos, el concreto pesado tiene una densidad más alta que el concreto ordinario (~ 2300 kg / m ³ ). El hormigón muy pesado puede alcanzar una densidad de hasta 5.900 kg / m ³ con aditivos de hierro o hasta 8900 kg / m ³ con aditivos de plomo. El concreto pesado proporciona una protección muy efectiva contra los neutrones.

La detección de neutrones es muy específica, dado que los neutrones son partículas eléctricamente neutras, por  lo que están sujetos principalmente a fuerzas nucleares fuertes pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).

Convertidores de neutrones

Para este propósito, hay disponibles dos tipos básicos de interacciones de neutrones con la materia:

• Dispersión elástica . El neutrón libre puede ser dispersado por un núcleo, transfiriendo parte de su energía cinética al núcleo. Si el neutrón tiene suficiente energía para dispersar los núcleos, el núcleo que retrocede ioniza el material que rodea el convertidor. De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente livianos para una aplicación práctica. La carga producida de esta manera puede ser recogida por el detector convencional para producir una señal detectada. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos de luz. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos (los neutrones rápidos no tienen una sección transversal alta para la absorción) permitiendo la detección de neutrones rápidos sin un moderador .
• Absorción de neutrones . Este es un método común que permite la detección de neutrones de todo el espectro de energía . Este método se basa en una variedad de reacciones de absorción ( captura de radiación , fisión nuclear , reacciones de reordenamiento, etc.). Aquí el neutrón es absorbido por el material objetivo (convertidor) que emite partículas secundarias como protones, partículas alfa, partículas beta, fotones ( rayos gamma ) o fragmentos de fisión. Algunas reacciones son reacciones de umbral (que requieren una energía mínima de neutrones), pero la mayoría de las reacciones se producen a energías epitermales y térmicas.. Eso significa que se requiere la moderación de los neutrones rápidos, lo que conduce a una información energética deficiente de los neutrones. Los núcleos más comunes para el material convertidor de neutrones son:
  • ¹⁰ B (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 3820 graneros y el boro naturaltiene una abundancia de ¹⁰ B 19,8%.
  • ³ Él (n, p). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 5350 graneros y el helio natural tiene una abundancia de ³ He 0.014%.
  • ⁶ Li (n, α). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 925 graneros y el litio natural tiene una abundancia de ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Donde la sección transversal de captura de neutrones para neutrones térmicos es σ = 20820 graneros y el cadmio naturaltiene una abundancia de ¹¹³ Cd 12,2%.
  • ²³⁵ U (n, fisión). Donde la sección transversal de fisión para neutrones térmicos es σ = 585 graneros y el uranio natural tiene una abundancia de ²³⁵ U 0.711%. El uranio como convertidor produce fragmentos de fisión que son partículas cargadas pesadas. Esto tiene una ventaja significativa. Las partículas cargadas pesadas (fragmentos de fisión) crean una señal de salida alta, porque los fragmentos depositan una gran cantidad de energía en un volumen sensible al detector. Esto permite una fácil discriminación de la radiación de fondo (radiación ei gamma). Esta característica importante se puede utilizar, por ejemplo, en una medición de potencia de un reactor nuclear, donde el campo de neutrones se acompaña de un fondo gamma significativo.

Detección de neutrones térmicos.

Los neutrones térmicos son neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante de temperatura 290K (17 ° C o 62 ° F). La energía más probable a 17 ° C (62 ° F) para la distribución Maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s). Esta parte del espectro de energía de neutrones constituye la parte más importante del espectro en los reactores térmicos .

Los neutrones térmicos tienen una sección transversal efectiva de absorción de neutrones diferente (y a menudo mucho más grande ) ( fisión o captura radiactiva ) para un nucleido dado que los neutrones rápidos.

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. En los reactores nucleares, los detectores de ionización gaseosa son los más comunes, ya que son muy eficientes, confiables y cubren una amplia gama de flujo de neutrones. Varios tipos de detectores de ionización gaseosa constituyen el llamado  sistema de instrumentación nuclear excore (NIS) . El sistema de instrumentación nuclear excore monitorea el nivel de potencia del reactor mediante la  detección de fugas de neutrones  desde el núcleo del reactor.

Detección de neutrones usando la cámara de ionización

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de los neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de 0,48 MeV 

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo  el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando una cámara de ionización es usar el trifluoruro de boro gaseoso   (BF ₃ ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los  contadores BF ₃ generalmente se operan en la región proporcional.

Cámara de fisión – Detectores de amplio rango

Las cámaras de fisión  son detectores de ionización utilizados para detectar neutrones. Las cámaras de fisión pueden usarse como detectores de rango intermedio para monitorear el flujo de neutrones (potencia del reactor) al nivel de flujo intermedio. También proporcionan indicaciones, alarmas y señales de disparo del reactor. El diseño de este instrumento se elige para proporcionar una superposición entre los canales de rango de fuente y el rango completo de los instrumentos de rango de potencia.

En el caso de las cámaras de  fisión , la cámara está recubierta con una capa delgada de uranio 235 altamente enriquecido   para detectar neutrones. Los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. A  neutrones térmicos  causará un átomo de uranio-235 a  la fisión , con los dos  fisión fragmentos  producidos que tiene una alta  energía cinética  y causando la ionización del gas argón dentro del detector. Una ventaja de usar el recubrimiento de uranio-235 en lugar de boro-10 es que los fragmentos de fisión tienen una energía mucho mayor que la partícula alfa de una reacción de boro. Por lo tanto Las cámaras de fisión  son  muy sensibles  al flujo de neutrones y esto permite que las cámaras de fisión operen en  campos gamma más altos  que una cámara de iones sin compensación con revestimiento de boro.

Láminas de activación y cables de flujo

Los neutrones pueden detectarse utilizando láminas de activación y cables de flujo . Este método se basa en la activación de neutrones, donde una muestra analizada se irradia primero con neutrones para producir radionucleidos específicos . La desintegración radiactiva de estos radionucleidos producidos es específica para cada elemento (nucleido). Cada nucleido emite los rayos gamma característicos que se miden mediante espectroscopía gamma , donde los rayos gamma detectados a una energía particular son indicativos de un radionucleido específico y determinan las concentraciones de los elementos.

Los materiales seleccionados para las láminas de activación son, por ejemplo:

• indio
• oro,
• rodio,
• hierro
• aluminio  
• niobio

Estos elementos tienen grandes secciones transversales para la captura radiactiva de neutrones . El uso de múltiples muestras absorbentes permite la caracterización del espectro de energía de neutrones. La activación también permite la recreación de una exposición histórica a neutrones. Los dosímetros de accidentes de criticidad disponibles comercialmente a menudo utilizan este método. Al medir la radioactividad de las láminas delgadas, podemos determinar la cantidad de neutrones a los que se expusieron las láminas.

Los cables de flujo pueden usarse en reactores nucleares para medir los perfiles de flujo de neutrones del reactor. Los principios son iguales. El alambre o papel de aluminio se inserta directamente en el núcleo del reactor , permanece en el núcleo durante el tiempo requerido para la activación al nivel deseado. Después de la activación, el alambre o lámina de fundente se retira rápidamente del núcleo del reactor y se cuenta la actividad. Las láminas activadas también pueden discriminar los niveles de energía al colocar una cubierta sobre la lámina para filtrar (absorber) ciertos neutrones de nivel de energía. Por ejemplo, el cadmio se usa ampliamente para absorber neutrones térmicos en filtros de neutrones térmicos.

Detección de neutrones rápidos

Los neutrones rápidos son neutrones de energía cinética mayor de 1 MeV (~ 15 000 km / s). En los reactores nucleares, estos neutrones generalmente se denominan neutrones de fisión. Los neutrones de fisión tienen una distribución de energía de Maxwell-Boltzmann con una energía media (para la fisión de 235U ) 2 MeV. Dentro de un reactor nuclear, los neutrones rápidos se reducen a las energías térmicas a través de un proceso llamado moderación de neutrones . Estos neutrones también son producidos por procesos nucleares como la fisión nuclear o reacciones (ɑ, n).

En general, hay muchos principios de detección y muchos tipos de detectores. Pero debe agregarse, la detección de neutrones rápidos es una disciplina muy sofisticada, ya que la sección transversal de los neutrones rápidos es mucho más pequeña que en el rango de energía para los neutrones lentos. Los neutrones rápidos a menudo se detectan primero moderándolos (desacelerándolos) a energías térmicas. Sin embargo, durante ese proceso se pierde la información sobre la energía original del neutrón, su dirección de viaje y el tiempo de emisión.

Proton Recoil – Detectores de retroceso

El tipo más importante de detectores para neutrones rápidos son aquellos que detectan directamente las partículas de retroceso , en particular los protones de retroceso resultantes de la dispersión elástica (n, p). De hecho, solo los núcleos de hidrógeno y helio son lo suficientemente livianos para una aplicación práctica. En el último caso, las partículas de retroceso se detectan en un detector. Los neutrones pueden transferir más energía a los núcleos de luz. Este método es apropiado para detectar neutrones rápidos que permiten la detección de neutrones rápidos sin un moderador . Este método permite medir la energía del neutrón junto con la fluencia de neutrones, es decir, el detector puede usarse como un espectrómetro. Los detectores de neutrones rápidos típicos son centelleadores líquidos., detectores de gases nobles a base de helio-4 y detectores de plástico (centelleadores). Por ejemplo, el plástico tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo tanto, es útil para detectores de neutrones rápidos , cuando se usa como centelleador.

Espectrómetro Bonner Spheres

Existen varios métodos para detectar neutrones lentos, y pocos métodos para detectar neutrones rápidos. Por lo tanto, una técnica para medir neutrones rápidos es convertirlos en
neutrones lentos y luego medir los neutrones lentos. Uno de los métodos posibles se basa en las esferas de Bonner . El método fue descrito por primera vez en 1960 por Ewing y Tom W. Bonner y emplea detectores de neutrones térmicos (generalmente centelleadores inorgánicos como ⁶ LiI) integrados en esferas de moderación de diferentes tamaños.  Las esferas de Bonner se han utilizado ampliamente para la medición de espectros de neutrones con energías de neutrones que van desde térmicas hasta al menos 20 MeV. Un espectrómetro de neutrones de esfera de Bonner (BSS) consiste en un detector de neutrones térmicos, un conjunto de conchas esféricas de polietilenoy dos casquillos de plomo opcionales de varios tamaños. Para detectar neutrones térmicos se puede utilizar un detector ³ He o centelleadores inorgánicos como ⁶ LiI. Los centelleadores LiGlass son muy populares para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Detección de neutrones usando el contador de centelleo

Los contadores de centelleo  se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones que incluyen medidores de medición de radiación de mano, monitoreo personal y ambiental de  contaminación radiactiva , imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares. Son ampliamente utilizados porque pueden fabricarse de manera económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.

Los contadores de centelleo se pueden usar para detectar  la radiación alfa ,  beta y  gamma . Se pueden usar también para la  detección de neutrones . Para estos fines, se utilizan diferentes centelleadores.

• Neutrones . Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).  Los neutrones rápidos  (> 0.5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo  centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos  dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos. La ventaja de los centelleadores 6LiGlass es su estabilidad y su amplia gama de tamaños.

Interacciones de neutrones con materia

Los neutrones son partículas neutras, por lo tanto, viajan en línea recta , desviándose de su camino solo cuando chocan con un núcleo para dispersarse en una nueva dirección o ser absorbidos. Ni los electrones que rodean (nube de electrones atómicos) un núcleo ni el campo eléctrico causado por un núcleo cargado positivamente afectan el vuelo de un neutrón. En resumen, los neutrones chocan con los núcleos , no con los átomos. Una característica muy descriptiva de la transmisión de neutrones a través de la materia en masa es la longitud media del camino libre ( λ – lambda ), que es la distancia media que recorre un neutrón entre las interacciones. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

λ = 1 / Σ

Los neutrones pueden interactuar con los núcleos de una de las siguientes maneras:

Existen varias formas y tipos 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 los 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 caminos cortos.
  • 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.

La estabilidad nuclear es un concepto que ayuda a identificar la estabilidad de un isótopo. Para identificar la estabilidad de un isótopo es necesario encontrar la relación de neutrones a protones. Para determinar la estabilidad de un isótopo puede usar la relación neutrón / protón (N / Z). Además, para ayudar a comprender este concepto, hay un gráfico de los nucleidos, conocido como gráfico de Segre. Este gráfico muestra una gráfica de los nucleidos conocidos en función de sus números atómicos y de neutrones. Se puede observar en la tabla que hay más neutrones que protones en los nucleidos con Z mayor que aproximadamente 20 (Calcio). Estos neutrones adicionales son necesarios para la estabilidad de los núcleos más pesados. El exceso de neutrones actúa algo así como el pegamento nuclear.Ver también: Livechart – iaea.org

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 eléctrica 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 o muy pocos neutrones para un número determinado de protones, el núcleo resultante no es estable y sufre desintegración radiactiva . Los isótopos inestables se desintegran a través de varias vías de desintegración radiactiva, más comúnmente desintegración alfa, desintegración beta o captura de electrones. Se conocen muchos otros tipos raros de descomposición, como la fisión espontánea o la emisión de neutrones. Cabe señalar que todas estas vías de descomposición pueden estar acompañadas por la posterior emisión deRadiación gamma . Las caries alfa o beta puras son muy raras.

¿Qué es la radiación?

La definición más general es que la radiación es energía que proviene de una fuente y viaja a través de algún material o por el espacio. La luz, el calor y el sonido son tipos de radiación. Esta es una definición muy general, el tipo de radiación discutido en este artículo se llama radiación ionizante . La mayoría de las personas conectan el término radiación solo con radiación ionizante, pero no es correcto. La radiación nos rodea. En, alrededor y sobre el mundo en que vivimos. Es una fuerza de energía natural que nos rodea. Es una parte de nuestro mundo natural que ha estado aquí desde el nacimiento de nuestro planeta. Debemos distinguir entre:

• Radiación no ionizante . La energía cinética de las partículas ( fotones , electrones, etc. ) de la radiación no ionizante es demasiado pequeña para producir iones cargados al pasar a través de la materia. Las partículas (fotones) solo tienen energía suficiente para cambiar las configuraciones de valencia rotacional, vibracional o electrónica de las moléculas y átomos objetivo. La luz del sol, las ondas de radio y las señales de los teléfonos celulares son ejemplos de radiación no ionizante (fotón). Sin embargo, aún puede causar daño , como cuando se quema el sol.

• Radiación ionizante . La energía cinética de las partículas ( fotones, electrones, etc. ) de la radiación ionizante es suficiente y la partícula puede ionizar (para formar iones al perder electrones) átomos objetivo para formar iones. La simple radiación ionizante puede eliminar electrones de un átomo.

El límite no está claramente definido, ya que diferentes moléculas y átomos se ionizan a diferentes energías. Esto es típico de las ondas electromagnéticas. Entre las ondas electromagnéticas pertenecen, en orden de frecuencia (energía) creciente y longitud de onda decreciente: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Los rayos gamma , los rayos X y la parte ultravioleta superior del espectro son ionizantes, mientras que la luz ultravioleta inferior, la luz visible (incluida la luz láser), el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio se consideran radiaciones no ionizantes.

Núcleos estables – Núcleos inestables

La estabilidad nuclear está determinada por la competencia entre dos interacciones fundamentales. 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 . Los isótopos inestables se  desintegran a través de varias vías de desintegración radiactiva, más comúnmente desintegración alfa, desintegración beta o captura de electrones. Se conocen muchos otros tipos raros de descomposición, como la fisión espontánea o la emisión de neutrones.

El  principio de exclusión de Pauli  también influye en la  energía crítica  de  los núcleos fisionables  y  fisionables . Por ejemplo, los actínidos con un número impar de neutrones son usualmente fisibles (fisionables con neutrones lentos) mientras que los actínidos con un número par de neutrones no son fisibles (pero son fisionables con neutrones rápidos). Los núcleos pesados ​​con un número par de protones y un número par de neutrones son (debido al principio de exclusión de Pauli) muy estables gracias a la aparición de ‘spin emparejado’. Por otro lado, los núcleos con un número impar de protones y neutrones son en su mayoría inestables.

Números mágicos de protones y neutrones

Un número mágico es un número de nucleones en un núcleo , que corresponde a capas completas dentro del núcleo atómico. Los núcleos atómicos que consisten en un número mágico de nucleones tienen una energía de unión promedio por nucleón más alta de lo que cabría esperar según predicciones como la fórmula de masa de von Weizsaecker (también llamada fórmula de masa semiempírica – SEMF ) y, por lo tanto, son más estables contra la desintegración nuclear. Los números mágicos son predichos por el modelo de caparazón nucleary se prueban mediante observaciones que han demostrado que hay discontinuidades repentinas en las energías de separación de protones y neutrones a valores específicos de Z y N. Estos corresponden al cierre de las capas (o subcapas). Los núcleos con conchas cerradas están más unidos que el siguiente número más alto. El cierre de los depósitos ocurre en Z o N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. Se encuentra que los núcleos con números pares de protones y neutrones son más estables que aquellos con números impares. Los núcleos que tienen tanto el número de neutrones como el número de protones iguales a uno de los números mágicos pueden llamarse » doblemente mágicos «, y se encuentran particularmente estables.Existen otras propiedades especiales de los núcleos, que tienen un número mágico de nucleones:

1. Mayor abundancia en la naturaleza. Por ejemplo, el helio-4 se encuentra entre los núcleos más abundantes (y estables) del universo.
2. Todos los elementos estables al final de la serie de descomposición tienen un «número mágico» de neutrones o protones. Los núcleos He-4, O-16 y Pb-208 (82 protones y 126 neutrones) que contienen números mágicos de neutrones y protones son particularmente estables. La relativa estabilidad de estos núcleos recuerda a la de los átomos de gas inerte (capas electrónicas cerradas).
3. Los núcleos con N = número mágico tienen secciones de absorción de neutrones mucho más bajas que los isótopos circundantes.
4. Estos núcleos parecen tener una forma perfectamente esférica; tienen cero momentos eléctricos cuadrupolo.
5. Los núcleos de números mágicos tienen mayor energía de primera excitación.

Energía de ionización

La energía de ionización , también llamada potencial de ionización , es la energía necesaria para eliminar un electrón del átomo neutro.

X + energía → X ⁺ + e ^–

donde X es cualquier átomo o molécula capaz de ionizarse, X ⁺ es ese átomo o molécula con un electrón eliminado (ion positivo), y e ^– es el electrón eliminado.

Hay una energía de ionización por cada electrón sucesivo eliminado. Los electrones que rodean el núcleo se mueven en órbitas bastante bien definidas. Algunos de estos electrones están más unidos en el átomo que otros. Por ejemplo, solo se requieren 7.38 eV para eliminar el electrón más externo de un átomo de plomo, mientras que se requieren 88,000 eV para eliminar el electrón más interno.

• La energía de ionización es más baja para los metales alcalinos que tienen un solo electrón fuera de una cubierta cerrada.
• La energía de ionización aumenta a través de una fila en el máximo periódico para los gases nobles que tienen conchas cerradas.

Por ejemplo, el sodio requiere solo 496 kJ / mol o 5.14 eV / átomo para ionizarlo. Por otro lado, el neón, el gas noble, que lo precede inmediatamente en la tabla periódica, requiere 2081 kJ / mol o 21.56 eV / átomo.

La energía de ionización asociada con la eliminación del primer electrón se usa con mayor frecuencia. El n energía º ionización se refiere a la cantidad de energía requerida para quitar un electrón de la especie con una carga de ( n -1).

1ra energía de ionización

X → X ⁺ + e ^–

2da energía de ionización

X ⁺ → X ²⁺ + e ^–

3ra energía de ionización

X ²⁺ → X ³⁺ + e ^–

Por ejemplo, solo se requieren 7.38 eV para eliminar el electrón más externo de un átomo de plomo, mientras que se requieren 88,000 eV para eliminar el electrón más interno.

Electronvoltio – Unidad de energía

Electronvoltio (unidad: eV) . Los electronvoltios son una unidad tradicional de energía, particularmente en física atómica y nuclear . Electronvolt es igual a la energía obtenida por un solo electrón cuando se acelera a través de 1 voltio de diferencia de potencial eléctrico . El trabajo realizado sobre la carga está dada por los tiempos de carga la diferencia de voltaje, por lo tanto el trabajo W en electrones es: W = qV = (1,6 x 10 ^-19 C) x (1 J / C) = 1,6 x 10 ^-19 J . Como se trata de una unidad muy pequeña, es más conveniente utilizar múltiplos de electronvoltios: kiloelectrvoltios (keV), megaelectrvoltios (MeV), gigavoltios (GeV), etc. Desde que Albert Einstein demostró quemasa y energía son equivalentes y convertibles una en la otra, el electronvoltio es también una unidad de masa. Es común en la física de partículas, donde las unidades de masa y energía a menudo se intercambian, expresar la masa en unidades de eV / c ² , donde c es la velocidad de la luz en el vacío (de E = mc ² ). Por ejemplo, se puede decir que el protón tiene una masa de 938.3 MeV , aunque estrictamente hablando debería ser 938.3 MeV / c ² . Para otro ejemplo, una aniquilación electrón-positrón ocurre cuando un electrón cargado negativamente y un positrón cargado positivamente (cada uno con una masa de 0.511 MeV / c ²) chocar. Cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan, lo que resulta en la conversión completa de su masa en reposo a energía pura (de acuerdo con la fórmula E = mc ² ) en forma de dos rayos gamma (fotones) de 0.511 MeV opuestos .

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0.511 MeV)

• 1 eV = 1,603 x 10 ^-19 J
• 1 eV = 3.83 x ^10-20 cal
• 1 eV = 1.52 x 10 ^-22 BTU

Ejemplo de energías en electronvoltios

• Los neutrones térmicos son neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante de temperatura 290K (17 ° C o 62 ° F) . La energía más probable a 17 ° C (62 ° F) para la distribución Maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s).
• La energía térmica de una molécula está a temperatura ambiente aproximadamente 0.04 eV .
• Aproximadamente 1 eV corresponde a un fotón infrarrojo de longitud de onda de 1240 nm.
• Los fotones de luz visible tienen energías en el rango 1.65 eV (rojo) – 3.26 eV (violeta).
• La primera resonancia en la reacción n + ²³⁸ U es a 6.67 eV (energía del neutrón incidente), que corresponde al primer nivel virtual en ²³⁹ U , tiene un ancho total de solo 0.027 eV, y la vida media de este estado es 2.4 × 10 ^-14 s.
• La energía de ionización del hidrógeno atómico es de 13,6 eV .
• El carbono 14 se desintegra en nitrógeno 14 a través de la desintegración beta (desintegración beta pura). Las partículas beta emitidas tienen una energía máxima de 156 keV, mientras que su energía media ponderada es de 49 keV .
• Los fotones de rayos X médicos de diagnóstico de alta energía tienen energías cinéticas de aproximadamente 200 keV.
• El talio 208, que es uno de los nucleidos en la cadena de descomposición de ²³² U , emite rayos gamma de 2.6 MeV que son muy enérgicos y altamente penetrantes.
• La energía cinética típica de la partícula alfa de la desintegración radiactiva es de aproximadamente 5 MeV . Es causado por el mecanismo de su producción.
• La energía total liberada en un reactor es de aproximadamente 210 MeV por ²³⁵ U de fisión , distribuida como se muestra en la tabla. En un reactor, la energía recuperable promedio por fisión es de aproximadamente 200 MeV , siendo la energía total menos la energía de la energía de los antineutrinos que se irradian.
• El rayo cósmico puede tener energías de 1 MeV – 1000 TeV .

El agua como un escudo de radiación gamma

En resumen, el blindaje efectivo de la radiación gamma se basa en la mayoría de los casos en el uso de materiales con las siguientes dos propiedades:

• Alta densidad de material.
• alto número atómico de material (materiales con alto contenido de Z)

Aunque el agua no es material de alta densidad ni de alta Z , se usa comúnmente como escudos gamma. El agua proporciona una protección contra la radiación de los conjuntos de combustible en una piscina de combustible gastado durante el almacenamiento o durante el transporte desde y hacia el núcleo del reactor . Aunque el agua es un material de baja densidad y un material de baja Z, se usa comúnmente en centrales nucleares, porque estas desventajas pueden compensarse con un mayor espesor.

Capa de agua de valor medio

La capa de valor medio expresa el espesor del material absorbente necesario para la reducción de la intensidad de radiación incidente en un factor de dos .

Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales con energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

El agua como blindaje de neutrones

El agua debido al alto contenido de hidrógeno y la disponibilidad es efectiva y común de blindaje de neutrones . Sin embargo, debido al bajo número atómico de hidrógeno y oxígeno, el agua no es un escudo aceptable contra los rayos gamma. Por otro lado, en algunos casos, esta desventaja (baja densidad) puede compensarse con un alto espesor del escudo de agua. En el caso de los neutrones, el agua modera perfectamente los neutrones, pero con la absorción de neutrones por el núcleo de hidrógeno se producen rayos gamma secundarios con alta energía. Estos rayos gamma penetran altamente la materia y, por lo tanto, pueden aumentar los requisitos sobre el grosor del escudo de agua. Agregar un  ácido bórico puede ayudar con este problema (absorción de neutrones en los núcleos de boro sin una fuerte emisión de rayos gamma), pero resulta en otros problemas con la corrosión de los materiales de construcción.

Ver también: Blindaje de neutrones.