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**1. Basic concepts in nuclear physics Atomic nucleus: protons and neutrons. Fundamental particles. Standard model. Atomic and nuclear models. Isotopes. Mass defect and binding energy. Stable and unstable isotopes (Radionuclides). Stability rules. Radioactive decay. Basic characteristics and types of radioactive decay (gamma, beta, alpha, spontaneous fission, spontaneous emission of nucleons). Chemical kinetic of radioactive decay. Simple radioactive decay. Half-time. Successive radioactive decay. Branching radioactive decay. Radioactive decay series (Uranium, actinium, thorium and neptunium). Nuclear reactions. Nuclear fission. Nuclear fusion.
- Radiological protection Definition of radiological protection. Ionising radiations. Electromagnetic spectrum. Ionising radiation-matter interaction. Interaction of gamma and beta particles, gamma radiation, X rays and neutrons. Biological effects of ionising radiations. Radiological magnitudes. Detectors. Natural and artificial ionising radiations sources. Radiological protection basic principles. Dose limits. Applications of ionising radiations.**
Are p, n & e-^ fundamental particles?
barion (proton)
meson
All visible matter in the universe is made from the
first generation of matter particles
me = 9.1091 x 10-31^ kg
mN = 1.6749 x 10-27^ kg
mP = 1.6726 x 10-27^ kg
nucleons
! ! "
#
$ " $ " % % ^
& #2 !
& ' "
' " (
) % 4 ≠≠≠≠ 4
!
To specify a nuclide:
A
Z
= + +
Isotope: atoms with the same number of protons (Z) but
different number of neutrons (A); same chemical element,
different mass
me = 9.1091 x 10-31^ kg
mN = 1.6749 x 10-27^ kg
mP = 1.6726 x 10-27^ kg
nucleons
me = 0.00055 amu
mN = 1.00866 amu
mP = 1.00727 amu
nucleons
1 amu (u) = 1/12 12 C mass = 1.66057 x 10-27^ kg
- See Table 2.1. Isotopic data for some elements
- Calculate the atomic weight of H, O, Cl, U, …
= + +
measured mass of a nucleus < sum of masses
Example:
Mass of helium nucleus = 6.6447 x 10-27^ kg
4
2
Contains 2 protons and 2 neutrons
Mass = 2 x (1.6749 x 10-27^ + 1.6726 x 10-27^ ) kg
= 6.6950 x 10-27^ kg
Difference = (6.6950 – 6.6447) x 10-27^ = 0.0503 x 10-27^ kg
Energy = mc^2 = 0.0503 x 10-27^ x c^2 = 4.53 x 10-12^ J
= (4.53 x 10-12) / (1.6 x 10-19) = 2.83 x 10^7 eV
= 28.3 MeV
measured
calculated
mass defect
binding energy
Decay constant (t-1)
Number of nuclei at any time t
Number of nuclei at time = 0
Decay rate (activity)
Atomic weight
mass
General equation for simple radioactive decay
(I.S.)
Rutherford (1902) classified 3 types of
radioactivity according to penetration power
Also different charge
Important factor: conservation of nucleon number
(neutrons + protons) →→→→ (neutrons + protons)
Least penetrating – nucleus of
Change in Z and A
Parent Daughter
Mass of parent > mass of daughter + mass of alpha
Alpha
(^) − +
−
−
α = −^ − +^ α−
Release of energy (kinetic) in an alpha decay:
238 234 4 92 90 2
146 neutrons 92 protons
144 neutrons 90 protons
2 neutrons 2 protons
α = −^ − +^ α−
(^) α = − ^ (^ + − ) =
−
α
α
α =^ α
−
−
.
E(^234 Th) = 0.072 MeV
E(α) = 4.202 MeV
α =^ α
−
−
212 208 4 83 81 2
.
Fundamental state
Excitated state
It is the Rn most common type of decay (80%)
Change only in Z
3 types of beta decay
^ →^ + " +!
^ →^ + " +!
^ +^ → +!
/
(
% 0
n p
p n
/
1. Neutron made of up, down, down quarks
2. One of the down quarks is transformed into an up quark. Since the down quark has a charge of -1/3 and the up quark has a charge of 2/3, it follows that this process is mediated by a virtual W- particle, which carries away a (-1) charge (thus charge is conserved!)
3. The new up quark rebounds away from the emitted W-. The neutron now has become a proton
4. An electron and antineutrino emerge from the virtual W- boson
5. Proton, electron and antineutrino move away from one another
The intermediate stages of this process occur in about a billionth of a billionth of a billionth of a second, and are not observable
- Nucleus absorbs orbiting electron
+ (^) − → (^) + ν
7 4
Proton changes to neutron (similar to β+ decay)
Usually K electron
X-ray emission as outer electron jumps down to K
Most penetrating. Emission of photons (γ)
α- and β-decay may leave the daugther
nucleous in an excited state
Excitation energy is removed either by γ-ray
emission or by internal conversion
No change in Z and A
→ + γ
t = 10-13^ – 10-16^ s (γ-ray emission inmediately after α- and β-decay)
t > 10-10^ s (the nucleous may remain in the higher energy state for a measurable time, isomeric transition )
γ
Ed < 0.1 % Eγ.
1 .
' #
→ +−
' # $
→ +−
β-^ (13.4 MeV)
→ #+ γ
β-^ (9.0 MeV)
γ (4.4 MeV)
Isotopes with Z > 90 & A > 230. It becomes the
dominant decay mode for the heaviest nuclei
The most energetic type of radioactive decay
,. /
0 &1*
→ → + =
→ +
+
$
$
β
3* 3*
0 &1*
→ → + =
→ +
−
$
$
β
Simple
Successive
Branching
← →
4 5 ,
λ/ λ 5 λ → → → →
→'
λ
λ P > λ D or TP < TD
(^218) Po → (^214) Pb → (^214) Bi
3 m 27 m
5 4
5 4
No equilibrium
5 4 4 ( ) 5 4
= 4 ^5
λ λ λ
λ λ
5 5 5 4 5 ( ) 5 4
= = 4 ^5
λ λ −^ − λ λ
λ λ
AD = AP
← →
λ = λ (^) +λ
^
^ ^ 7^
− = λ + λ =λ λ
λ (^) = :λ
:
=
^
α^ β ← → 35.93% 64.07%
Neptunium^237 Np 2.14 ⋅⋅⋅⋅ 106 209 Bi
Thorium^232 Th 1.41 ⋅⋅⋅⋅ 1010 208 Pb
Actinium^235 U 7.04 ⋅⋅⋅⋅ 108 207 Pb
Uranium^238 U 4.47 ⋅⋅⋅⋅ 109 206 Pb
Serie Original T (y) Final
Earth age: 4.5·10^9 years
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
μ # $ #
4n + 2 series (if A/4, the remainder is 2)
Parent: 238 U, 99.3% of natural abundance
8 α-decay and 6 β-decay steps
Secular equilibrium after 7-10 T of the Rn with
the highest T (^234 U): AD = AU-
5
<
-=
<
<
<
= λ =λ
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
4>( ) '( ) 4+( 2 ) 4>
4n + 3 series (if A/4, the remainder is 3)
Parent: 235 U, 0.72% of natural abundance
11 steps
Secular equilibrium after 7-10 T of the Rn with
the highest T (^231 Pa): AD = AU-
5
<
5 <
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) (^) ( )
4n series
Parent: 232 Th
10 steps
Secular equilibrium after 7-10 T of the Rn with
the highest T (^228 Ra): AD = AU-
5
-=
5 -=
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) (^) ( ) ( )
4n +1 series
Parent: 237 Np
11 steps
Transient equilibrium after 7-10 T of the Rn
with the highest T (^233 U)
/
(^5) /
5
(^5) /
Complete radioactive decay series
El 240 Pu tiene un T = 6580 años. Calcular: a) λ. b) fracción de muestra de 240 Pu que quedara despues de 100, 1000, 6580, 10000 y 20000 años
Un trozo de papel tiene una relación 14 C/^12 C con un valor del 79.5% del que tiene una planta viva en la actualidad. Estimar la edad del trozo de papel
Calcular la energía total liberada en esta desintegración radiactiva, y la que corresponde a la partícula alfa y al Rn
" → "+
Structure of nuclei can be changed by bombarding
them with energetic particles
The changes are called nuclear reactions
As with nuclear decays, the Z and A numbers must
balance on both sides of the equation
Incoming particle
Target particle
Outcoming particle
New Rn
Which of the following are possible reactions?
(a) and (b). Reactions (a) and (b) both conserve
total charge and total mass number as required.
Reaction (c) violates conservation of mass number with the sum of the mass numbers being 240
before reaction and being only 223 after reaction.
- Energy must also be conserved in nuclear reactions
- The energy required to balance a nuclear reaction is called the Q value of the reaction - An exothermic reaction - There is a mass “loss” in the reaction - There is a release of energy - Q is positive - An endothermic reaction - There is a “gain” of mass in the reaction - Energy is needed, in the form of kinetic energy of the incoming particles - Q is negative
(d, αααα ) 10 ±±±± 2 H 2 + 0.5O 2 →→→→ H 2 O 3·10-6/molec
(d,p), (d,n) 6 ±±±± 2 3 H(d,n)^4 He 17.
(n,2n), (p,2n) -8 ±±±± 2 fisión 235 U 200
(n, αααα ), (p, αααα ) 4 ±±±± 2 ( γγγγ ,n), ( γγγγ ,p) -8 ±±±± 2
(n,p), (p,n) 0 ±±±± 2 (d,2n) -2 ±±±± 2
(n, γγγγ ), (p, γγγγ ) 8 ±±±± 2 ( αααα ,n), ( αααα ,p) -4 ±±±± 2
Reaction Q (MeV) Reaction Q (MeV)
+>+ >
=−( ( ) +( >) −( ) −( )) >
Mass defect:
Release of energy:
When 235 U undergoes fission, the average of the fragment mass is about 118, but very few fragments near that average are found. It is much more probable to break up into unequal fragments, and the most probable fragment masses are around mass 95 and 137
(^235) U + n →→→→ (^236) U* →→→→ (^140) Xe + 94 Sr + 2n T1/2 = 14s (^) ↓↓↓↓ ββββ (^) ββββ ↓↓↓↓ 75s (^140) Cs 94 Y
64s ↓↓↓↓ ββββ ββββ ↓↓↓↓ 19m (^140) Ba 94 Zr
13d ↓↓↓↓ ββββ (^140) La
40h ↓↓↓↓ ββββ (^140) Ca
La fisión del 235 U se puede producir en más de 40 formas distintas, lo que da lugar a más de 80 productos de fisión que se desintegran en unos 200 radionucleidos
Ejemplo de la desintegración de 2 de estos 80 PF en algunos de los 200 Rn
$ "( $
$ "$
$ "'/ (
$ " '
$ "
! →→→→ →→→→ ^ →→→→ ^ →→→→ →→→→
xenón-135 y el samario-149 son 2 Rn generados por desintegración radiactiva de PFs. Tienen secciones eficaces de captura de neutrones lentos muy grandes (utilidad en el reactor de fisión)
Neutrones diferidos : en estas series radiactivas pueden aparecer núcleos, que por tener un exceso de energía, se desintegren emitiendo un neutrón
Los neutrones diferidos se diferencian de los neutrones inmediatos en que se producen varios segundos después de estos últimos (importantes para mantener la reacción de fisión nuclear en cadena)
=−( ( ) +( >) −( ) −( )) >
Los neutrones producidos en la fisión son rápidos, con energía media de 2 MeV
Una forma de rebajar esta energía es que choquen contra átomos y reboten perdiendo parte de su energía que es absorbida por los átomos. El efecto es mayor cuanto más ligero es el átomo que recibe el choque
Moderador : sustancia que frena , sin capturarlos, los neutrones que se producen en la reacción de fisión hasta una velocidad en que sean capaces de producir una nueva reacción de fisión (agua, agua pesada, grafito, helio, berilio)
Energía liberada: 200 MeV / (^) ++++/ 0 >>>>/.++++/
Estado crítico : si una vez fisionado el 235 U, por cada neutrón utilizado como proyectil se consigue un neutrón útil para provocar otra reacción de fisión ( coeficiente de auto multiplicación de neutrones, Kef )
nº de nútiles > 1 estado supecrítico
nº de nútiles < 1 estado subcrítico
La operación normal de un reactor nuclear debe realizarse siempre en condiciones de criticidad
Barras de control : sustancia que captura neutrones de forma que controla o detiene completamente una reacción de fisión nuclear
criticidad
supercrítico
1939-1945 : II World War. Invasión nazi de Polonia en Sep-
1939 (agosto 2) : Einstein escribe una carta al presidente de los EEUU de America, Franklin D. Rooselvet advirtiéndole de la posibilidad de que los alemanes pudiesen construir bombas nucleares utilizando la reacción de fisión del uranio y sugiriéndole la puesta en marcha de un programa nuclear
Proyecto Manhattan (1939) : aplicar los procesos de fisión para construir una bomba atómica de fisión
1942 (Diciembre 2) : Dentro del proyecto Manhattan, Fermi y su equipo lograron la primera reacción en cadena de fisión nuclear en la Universidad de Chicago
Fermi y su grupo utilizan: uranio como combustible , grafito como moderador de n y barras de control de cadmio. En Alemania, Heisenberg trabaja en la misma dirección pero una elección incorrecta del moderador de neutrones (agua pesada) retrasa sus posibles resultados ???
1943: construcción de bombas atómicas de fisión en el laboratorio de Los Alamos (Nuevo México) bajo la dirección de J.R. Oppenheimer 16 de julio de 1945 (fin del proyecto Manhattan): explosión de una bomba atómica en el desierto de Nuevo México (Alamogordo). Trinity. 239 Pu
6 de agosto de 1945 : primera bomba atómica en Hiroshima (Japón). 140. muertos. Little Boy. 235 U 9 de agosto de 1945 : segunda bomba atómica en Nagasaki (Japón). 40. muertos. Fat Man. 239 Pu Desde 1945 no se ha empleado una bomba atómica de fisión en un conflicto bélico, pero son varios los países que disponen de esta arma nuclear 1951 : Primera central nuclear (Idaho, EEUU) para producir electricidad
1972 : Se descubre el único reactor nuclear de fisión natural en Oklo (Gabón). La relación 235 U/^238 U era superior al 3.0%, ya que hace 2000 Ma el porcentaje de 235 U era de 3.58%. Condiciones adecuadas de masa crítica de U, tamaño crítico del yacimiento, baja concentración de sustancias que capturan n (B, V, Mn, lantanidos) y alta concentración de moderador (agua y materia orgánica)
Reacción en la que 2 núcleos de átomos ligeros (isótopos
de H) se unen para formar un núcleo más pesado y estable,
junto con la liberación de partículas elementales y de una
gran cantidad de energía
Los núcleos deben aproximarse venciendo las fuerzas
electrostáticas de repulsión. Se necesita un gran aporte
de energía cinética. Esta se puede suministrar como
energía térmica o utilizando un acelerador de partículas
Fuente de energía casi inagotable y disponible en todo el mundo (D, T)
- D abunda en agua de mar (30 g/m^3 )
- T se puede generar artificialmente mediante reacciones nucleares con n y los 2 isótopos del Li, que abunda en la tierra ( ppm) y en agua de mar (0.17 ppm)
El reactor de fusión no presenta problemas de seguridad
No genera residuos radiactivos de alta actividad
No produce gases de efecto invernadero
Antes de que se pueda explotar comercialmente necesita de un gran avance científico y tecnológico
La energía liberada en el sol y en las estrellas proviene de
reacciones de fusión termonuclear (Tsol = 1.5·10^7 K)
En el sol es un proceso con varias etapas en las que el H
se transforma en He
La reacción total: ++++" (^) −−−−^ 3 →→→→ " ++++" 2 ++++' 1
% 4
++++ →→→→ ++++ ++++
" % 4
++++ →→→→ ++++ ++++
(' % 4
++++ →→→→ ++++ ++++
La solución más viable es la fusión térmica (reacciones termonucleares)
Se utilizan isótopos de hidrógeno (protio, deuterio y tritio)
Entre las posibles reacciones de fusión nuclear están:
Conjunto de medios que se emplean para conseguir la
protección sanitaria , tanto de la población en general
como de los trabajadores profesionalmente expuestos en
actividades relacionadas con las radiaciones ionizantes ,
con objeto de evitar los daños que producirían estas
radiaciones si las dosis recibidas fueran los
suficientemente elevadas
2 conceptos nuevos: radiación ionizante y dosis
www.csn.es
( ν λ
=B ν =
Radiación ionizante : tipo de radiación electromagnética de gran E y con capacidad para ionizar átomos
Ionización y excitación electrónica
Energía > 10 eV (necesaria para ionizar el O)
RI: los rayos gamma y los rayos X (los rayos
cósmicos son rayos gamma de alta energía). Las
partículas de alta energía, como partículas alfa , beta y
neutrones también tienen capacidad ionizante
El mecanismo de ionización no es el mismo en todas las
RI, sino que depende del tipo de radiación
Aire Al Capacidad de ionización
Alfa (3 MeV) 2.3 cm 0.015 mm 30.000 pares iónicos/cm aire
Beta (3 MeV) 1 m 6.5 mm 100 pares iónicos/cm aire
Gamma 102 m
La combinación de corto alcance y alta capacidad de ionización confiere a los Rn emisores alfa una gran peligrosidad en caso de ser ingeridos o inhalados
Neutrón
Una de las reacciones más importantes es la radiólisis o rotura de enlaces químicos de las moléculas, con la posibilidad de que se formen otras moléculas distintas de las originales
Una de las sustancias más abundantes en los seres vivos es el agua, por lo que la radiólisis del agua es uno de los fenómenos más importantes a la hora de valorar los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes
(^) "→→→→ " ++++
7 " →→→→ "
−−−− (^) ++++ →→→→−− −− : " * (^9)
−−−− −−−− →→→→ ++++ *
(^) " * →→→→ ++++ *
(t < 10-16^ s)
(t < 10-14^ s)
(t < 10-12^ s)
(t < 10-13^ s)
Fase física
Fase físico- química
Formación de 3 radicales primarios : hidróxilo, electrón
solvatado e hidrógeno
++++^ ^ →→→→
++++ →→→→
++++^ →→→→ ^ "++++" *
* ++++ * →→→→ *
−−−−^ −−−−
++++ →→→→ "++++ *
* * " *
++++^ →→→→ ++++
* " *
++++ →→→→
El agua oxigenada, H 2 O 2 , es un compuesto químico altamente oxidante que puede atacar y romper los enlaces químicos en moléculas complejas, como las que forman los cromosomas, dando lugar a la aparición de efectos biológicos
Nivel celular : según tipo de célula
Órganos y tejidos : médula ósea, intestino delgado,
gónadas
Organismo : síndrome de irradiación
Efectos somáticos y genéticos
Efectos inmediatos y retardados
Efectos estócasticos (probabilistas) y no estócasticos
(deterministas)
0
Actividad :
Dosis absorbida :
Dosis equivalente :
Dosis efectiva:
Dosis colectiva:
Tasa de dosis
'C = 2 −^ ^
# = ⋅ 'C
unidad SI: Gy (Gray), 1 Gy = 1 J·1kg- unidad antigua: rad, 1 rad = 10-2^ Gy
unidad SI: Sv (Sievert) 1 Sv = 1 Gy x factor de ponderación de la radiación unidad antigua: rem 1 rem = 10-2^ Sv
unidad SI: Sv factor de ponderación de tejidos y órganos
H = D·wR
D
E = ΣΣΣΣ T (HT·wT)
unidad SI: Sv·persona
unidad SI: Sv/s
¿Cuánto será el valor de la dosis efectiva para una dosis absorbida de radiación alfa de 1000 mGy en el pulmón de una persona?
H = 1000·20·0.12 + 1000·20·0.05 = 3400 mSv
H = 1000·20·0.12 = 2400 mSv
¿Y si además esa persona absorbe radiación alfa en el hígado?
Apuntes de Eduardo Gallego Radiaciones ionizantes y protección radiológica www.foronuclear.org
Berta Frutos et al. (2003) La protección al Rn en el CTE Seguridad Nuclear 27, 16-
Berta Frutos et al. (2003) La protección al Rn en el CTE Seguridad Nuclear 27, 16-
Berta Frutos et al. (2003) La protección al Rn en el CTE Seguridad Nuclear 27, 16-
Berta Frutos et al. (2003) La protección al Rn en el CTE Seguridad Nuclear 27, 16-
Barrera sobre solera más sistema de extracción (1.S.2.2)
1928: Comisión Internacional de Protección Radiológica ( ICRP ). Emite recomendaciones sobre los efectos de la RI para orientar a las autoridades de cada país encargadas de la seguridad nuclear y protección radiológica
1980: Consejo de Seguridad Nuclear ( CSN ). Organismo regulador en cuanto a seguridad nuclear y protección radiológica. Independiente del Estado
1980: Sociedad Española de Protección Radiológica ( SEPR ). Asociación independiente de carácter científico y técnico
Los 3 principios básicos de la protección radiológicas son: justificación , optimización (criterio ALARA) y limitación de dosis y riesgos individuales ALARA (As Low As Reasonably Achievable) = lo más baja que razonablemente sea posible
La dosis de radiación recibida cerca de una fuente radiactiva depende de: la distancia , el blindaje y el tiempo de permanencia
www.sepr.es
www.csn.es
www.sefn.es www.semn.es
Real Decreto 53/1992. Reglamento sobre protección sanitaria contra radiaciones ionizantes
Real Decreto 783/2001 (de 6 de julio). Reglamento sobre protección sanitaria contra radiaciones ionizantes
MEDICINA
- Radiodiagnóstico
- Radioterapia
1.7.
INDUSTRIA
- Gammografía
- Medida de espesores y densidades
- Medida de niveles
- Esterilización
- Eliminación electricidad estática
- Pararrayos
- Producción materiales luminescentes
- Detectores de humo
AGRICULTURA
- Medida de la fertilidad del suelo, irrigación y producción agrícola
- Mutación
- Lucha contra insectos, zootecnia
- Conservación de alimentos
INVESTIGACIÓN
ENERGÉTICAS
? 7 @7 A @B 7 7 C
