¿Qué es la descomposición radiactiva? – Definición

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. Dosimetría de radiación

¿Qué es la descomposición radiactiva?

Notación de reacciones nucleares: desintegraciones radiactivas
Notación de reacciones nucleares – desintegraciones radiactivas
Fuente: chemwiki.ucdavis.edu

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 velocidad 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 tres modos básicos de desintegración radiactiva:

  • Decaimiento alfa . La desintegración alfa  representa la desintegración de un  núcleo padre  a una hija a través de la emisión del núcleo de un átomo 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 .
  • Desintegración beta . La desintegración beta  o  desintegración β  representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de la partícula 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.
  • Decadencia gamma . La desintegración gamma  o la  desintegración γ  representa la desintegración de un núcleo padre a una hija a través de la emisión de  rayos gamma  (fotones de alta energía). 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.

Modos de descomposición importantes adicionales:

  • Captura de electrones . La captura de electrones  es un proceso en el cual un núcleo padre captura uno de sus electrones orbitales y emite un neutrino. La captura de electrones , conocida también como  desintegración beta inversa, a  veces se incluye como un tipo de  desintegración beta , porque el proceso nuclear básico, mediado por la interacción débil, es el mismo.
  • La conversión interna . La conversión interna  es un proceso electromagnético, por el cual un estado excitado nuclear decae por la  emisión directa  de uno de sus  electrones atómicos . La conversión interna  compite con  la emisión gamma , pero en este caso los campos multipolares electromagnéticos del  núcleo  no producen la emisión de un rayo gamma, sino que los campos interactúan directamente con los electrones atómicos. A diferencia de  la desintegración beta , que se rige por una  fuerza débil , el  electrón  se emite desde el átomo radiactivo, pero no desde el núcleo.
  • Caries de neutrones . La desintegración 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.
  • Caries de protones . La desintegración de protones  es un tipo raro de desintegración radiactiva de núcleos que contienen protones enexceso , en los que un protón simplemente es expulsado del  núcleo.
  • Fisión espontánea . La fisión espontánea (SF) es una forma de desintegración radiactiva que se encuentra solo en elementos químicos muy pesados.

Naturaleza de la decadencia

El bario-137m es un producto de un producto de fisión común: el cesio-137. El principal rayo gamma del bario-137m es el fotón 661keV.
El bario-137m es un producto de un producto de fisión común: el cesio-137. El principal rayo gamma del bario-137m es el fotón 661keV.

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 desintegran 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.

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:

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

Actividad – Actividad específica

Radioactividad - BecquerelUna medida de radiactividad (actividad) se basa en el conteo de desintegraciones por segundo . La unidad de actividad del SI es el becquerel (Bq), igual a un segundo recíproco. La actividad depende solo del número de desintegraciones por segundo, no del tipo de desintegración, la energía de los productos de desintegración o los efectos biológicos de la radiación. Se puede utilizar para caracterizar la tasa de emisión de radiación ionizante. Actividad específicaes la actividad por cantidad de un radionúclido, por lo tanto, la actividad específica se define como la actividad por cantidad de átomos de un radionúclido particular. Por lo general, se administra en unidades de Bq / g, pero otra unidad de actividad de uso común es el curie (Ci) que permite la definición de actividad específica en Ci / g.

Las unidades de actividad (el curie y el becquerel) también se pueden usar para caracterizar una cantidad total de liberaciones controladas o accidentales de átomos radiactivos .

Unidades de actividad

  • Bequerel . El becquerel es una unidad SI de radioactividad definida en 1974. Se nombra en honor a Henri Becquerel, un físico francés que descubrió la radioactividad en 1896. Un becquerel (1Bq) es igual a 1 desintegración por segundo .
  • Curie . El curie es una unidad de radioactividad no SIdefinida en 1910. Originalmente se definió como equivalente al número de desintegraciones quesufrirá un gramo de radio-226 en un segundo . Actualmente, un curie se define como 1Ci = 3.7 x 10 10 desintegraciones por segundo .
  • Rutherford . Rutherford (símbolo Rd ) también es una unidad no SI definida como la actividad de una cantidad de material radiactivo en el que se desintegra un millón de núcleos por segundo .

Ley de descomposición radiactiva

vida media de la mesaLos cálculos de la desintegración de los núcleos radiactivos son relativamente sencillos, debido al hecho de que solo hay una ley fundamental que rige todo el proceso de desintegración. Esta ley establece que la probabilidad por unidad de tiempo de que un núcleo decaiga es una constante, independiente del tiempo. Esta constante se llama la constante de desintegración y se denota por λ, «lambda». La desintegración radiactiva de cierto número de átomos (masa) es exponencial en el tiempo.

Ley de desintegración radiactiva: N = Ne -λt

La tasa de desintegración nuclear también se mide en términos de vidas medias . La vida media es la cantidad de tiempo que le toma a un isótopo dado perder la mitad de su radioactividad. Si un radioisótopo tiene una vida media de 14 días, la mitad de sus átomos se habrán descompuesto en 14 días. En 14 días más, la mitad de la mitad restante se descompondrá, y así sucesivamente. Las vidas medias varían desde millonésimas de segundo para productos de fisión altamente radiactivos hasta miles de millones de años para materiales de larga duración (como el uranio natural ). Darse cuenta delas vidas medias cortas van con grandes constantes de descomposición. El material radiactivo con una vida media corta es mucho más radiactivo (en el momento de la producción) pero obviamente perderá su radiactividad rápidamente. No importa qué tan larga o corta sea la vida media, después de que hayan pasado siete vidas medias, queda menos del 1 por ciento de la actividad inicial.

La ley de desintegración radiactiva se puede derivar también para cálculos de actividad o cálculos de masa de material radiactivo:

(Número de núcleos) N = Ne -λt     (Actividad) A = Ae -λt      (Masa) m = me -λt

, donde N (número de partículas) es el número total de partículas en la muestra, A (actividad total) es el número de desintegraciones por unidad de tiempo de una muestra radiactiva, m es la masa del material radiactivo restante.

Half-Life and Decay Constant

En los cálculos de radioactividad, se debe conocer uno de los dos parámetros ( constante de desintegración  o  vida media ), que caracterizan la tasa de desintegración. Existe una relación entre la vida media (t 1/2 ) y la constante de desintegración λ. La relación puede derivarse de la ley de descomposición estableciendo N = ½ N o . Esto da:

donde  ln 2  (el logaritmo natural de 2) es igual a 0.693. Si se da la constante de desintegración (λ), es fácil calcular la vida media, y viceversa.

 

Cadena de descomposición

En física, una  cadena de desintegración radiactiva  es una secuencia de  núcleos atómicos inestables  y sus  modos de desintegración , lo que conduce a un núcleo estable. Las fuentes de estos núcleos inestables son diferentes, pero la mayoría de los ingenieros se ocupan de  las cadenas de desintegración radiactiva que se producen de forma natural  conocidas como  series radiactivas . Tenga en cuenta que, en  los reactores nucleares , hay muchos tipos de cadenas de descomposición de fragmentos de  fisión . Los fragmentos de fisión son  altamente inestables  (radiactivos) y sufren más  desintegraciones radiactivas  para  estabilizarse .

Ver también: cadena de decaimiento radiactivo

Decaimiento de calor en el reactor

Calor de descomposición

Cuando se apaga un reactor, la fisión esencialmente cesa, pero   todavía se produce energía de descomposición . La energía producida después del apagado se denomina  calor de descomposición . La cantidad de producción de calor de descomposición después del apagado está directamente influenciada por el  historial de energía  (acumulación de productos de fisión) del reactor antes del apagado y por el nivel de  consumo de combustible. (acumulación de actinidias, especialmente en el caso del manejo del combustible gastado). Un reactor que funciona a plena potencia durante 10 días antes del apagado tiene una generación de calor de descomposición mucho mayor que un reactor que funciona a baja potencia durante el mismo período. Por otro lado, cuando el reactor cambia su potencia del 50% al 100% de la potencia total, la relación entre el calor de descomposición y la potencia de neutrones cae aproximadamente a la mitad de su nivel anterior, y luego se acumula lentamente a medida que el inventario de productos de fisión se ajusta al nuevo poder.

El calor de descomposición producido después de que el reactor se apaga a plena potencia es inicialmente equivalente a aproximadamente  6 a 7%  de la potencia térmica nominal. Dado que  la desintegración radiactiva  es  un proceso aleatorio  a nivel de átomos individuales, se rige por la  ley de desintegración radiactiva . Tenga en cuenta que el combustible nuclear irradiado contiene una gran cantidad de isótopos diferentes que contribuyen al  calor de descomposición , que están sujetos a la ley de descomposición radiactiva. Por lo tanto, un modelo que describe el  calor de descomposición  debe considerar el calor de descomposición como una  suma de funciones exponenciales con diferentes constantes de descomposición y contribución inicial a la tasa de calor. Los fragmentos de fisión con una vida media corta son mucho más radiactivos (en el momento de la producción) y contribuyen significativamente a la descomposición del calor, pero obviamente perderán su parte rápidamente. Por otro lado, los fragmentos de fisión y los elementos transuránicos con una vida media larga son menos radiactivos (en el momento de la producción) y producen menos calor de descomposición, pero obviamente perderán su parte más lentamente. Esta tasa de generación de calor en descomposición disminuye a  aproximadamente 1%  aproximadamente  una hora  después del apagado.

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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: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.