viernes, 16 de septiembre de 2011

Distintas fuentes radiactivas alfa, beta y gamma medidas con contador Geiger


Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar.Es un detector de partículas y de radiaciones ionizantes.

Está formado, normalmente, por un tubo con un fino hilo metálico a lo largo de su centro. El espacio entre ellos está aislado y relleno de un gas, y con el hilo a unos 1000 voltios relativos con el tubo.

Un ion o electrón penetra en el tubo (o se desprende un electrón de la pared por los rayos X o gamma) desprende electrones de los átomos del gas y que, debido al voltaje positivo del hilo central, son atraídos hacia el hilo. Al hacer esto ganan energía, colisionan con los átomos y liberan más electrones, hasta que el proceso se convierte en un alud que produce un pulso de corriente detectable (que se escucha en el video). Relleno de un gas adecuado, el flujo de electricidad se para por sí mismo o incluso el circuito eléctrico puede ayudar a pararlo.

Al instrumento se le llama un "contador" debido a que cada partícula que pasa por él produce un pulso idéntico, permitiendo contar las partículas (normalmente de forma electrónica) pero sin decirnos nada sobre su identidad o su energía (excepto que deberán tener energía suficiente para penetrar las paredes del contador).
Contador Geiger-Müller

El primer dispositivo llamado "contador Geiger", que sólo detectaba partículas alfa, fue inventado por el físico alemán Hans Geiger y su colega neocelandés sir Ernest Rutherford en 1908. En 1928 el propio Geiger mejoró el dispositivo con la ayuda del entonces estudiante Walther Müller, de forma que era capaz de detectar mayor número de radiaciones ionizantes.

La versión actual del contador fue desarrollada por el físico Sidney H. Liebson en 1947. Este dispositivo tiene una duración mayor que los dispositivos originales de Geiger y precisa de un voltaje inferior.

Fuente: Wikipedia

¿Cómo se descubrió la radiactividad?

En el año 1886 el científico francés Henri Becquerel descubrió (accidentalmente) la emisión de radición por parte de un compuesto de uranio (les llamó "rayos uránicos"). Sin embargo, el fenómeno de la radiactividad, como propiedad, no sólo del uranio sino también de otros elementos, fue descubierto por Marie Curie.

Radiactividad: ecuaciones nucleares

Las emisiones o desintegraciones radiactivas se representan mediante ecuaciones nucleares, escribiendo:
  • a la izquierda el núcleo emisor, indicando el número atómico y en número másico del mismo.
  • una flecha que indica que ha ocurrido una transformación.
  • a la derecha la radiación emitida y el núcleo resultante, indicando también su número atómico y su número másico.
Emisión alfa α 
Se sabe que el núcleo de uranio-235 emite una partícual α. Esta transformación se puede representar mediante la siguiente ecuación nuclear:

La ecuación nuclear se lee:
"Un núcleo de uranio-235 emite una partícula alfa y se transforma en un núcleo de torio-231".

Observa que al emitir una partícula alfa:
  • disminuye el número atómico (Z); se pierden dos protones. En este caso, Z disminuye de 92 a 90. 
  • disminuye el número másico (A); se pierden en total 4 nucleones. En este caso, A disminuye de 235 a 231. 
Si cambia el número atómico se forma un elemento diferente, en este ejemplo el uranio, Z=92, se convierte en torio, Z=90.


Emisión beta β
El núcleo de carbono-14 emite una partícula β. Esta transformación se representa:
La ecuación nuclear se lee:
"Un núcleo de carbono-14 emite una partícula beta y se transforma en un núcleo de nitrógeno-14"

Observa que al emitirse una partícula beta:
  • aumenta el número atómico (Z); se forma un protón.  En este caso, Z aumenta de 6 a 7.
         Recuerda que esto se debe a que, durante un emisión beta, un neutrón del núcleo se transforma en un protón y un electrón.
  •   no cambia en número másico (A).

Emisión gamma γ 
Una emisión gamma (γ) consiste en ondas electromagnéticas de naturaleza similar a la luz, en general con mayor energía que los rayos X. Por lo tanto, al emitirse radiación gamma no se modifica ni el número atómico ni el número másico del núcleo emisor, sólo cambia su energía. No se modifica Z, entonces el elemento es el mismo.

Ejemplos:

Mediante los paréntesis rectos y el asterisco se representa un núcleo inestable por exceso de energía.

Las emisiones α y β no se dan simultáneamente, pero sí pueden darse consecutivamente. Las emisiones γ pueden acompañar a las emisiones α y β.

Radiactividad: tipos de emisiones radiactivas


Dijimos que los núcleos inestables tienden a estabilizarse espontáneamente emitiendo emitiendo partículas, ondas electromagnéticas o ambas, transformándose en otros núcleos.

Las partículas emitidas pueden ser:
  • Partículas alfa. Se simbolizan mediante la letra griega α; cada partícula alfa está formada por dos protones y dos neutrones.
Núcleo radiactivo emitiendo una partícula alfa.
       
  • Partículas beta. Se representan con la letra griega β; cada partícula beta es un electrón.
Emisión de una partícula beta.
En el núcleo no hay electrones, ¿cómo es posible que un electrón escape del núcleo atómico?
Lo que ocurre es que, en el núcleo, un neutrón se transforma en un protón y un electrón que luego es emitido fuera del átomo.
La radiación emitida se denomina radiación gamma y se simbolizan con la letra griega γ .Es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones.
Radiación gamma.

jueves, 15 de septiembre de 2011

El NÚCLEO: Inestabilidad nuclear

Consideremos que:
  • El núcleo es extremadamente pequeño en comparación con el tamaño total del átomo.
  • El núcleo está formado por protones y neutrones, muy juntos, ocupando un pequeño volumen.
El núcleo está formado por protones y neutrones.
         
  • Lo protones tienen carga positiva.
  • Las cargas eléctricas de igual signo se repelen. 
       
Entonces,
      ¿Por qué los protones, con igual carga, pueden estar juntos en el núcleo? ¿acaso no se repelen? 

El modelo considera la existencia de un tipo especial de fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte, que impide la separación de los protones apesar de la repulsión eléctrica que existe entre ellos.
También podemos suponer que los neutrones, al no tener carga eléctrica, contribuyen a disminuir las repulsiones entre protones.

Inestabilidad nuclear y fuerza nuclear fuerte1
Todo lo que observamos en el universo se encuentra sometido a solamente cuatro fuerzas, llamadas fuerzas fundamentales. Estas fuerzas son:
  • La fuerza de atraccción gravitatoria.
  • La fuerza electromagnética.
  • La fuerza nuclear fuerte.
  • La fuerza nuclear débil
Para entender el fenómeno de la inestabilidad nuclear sólo es necesario considerar, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética
En la tabla siguiente encontrarán las cuatro fuerzas en orden de mayor a menor intensidad:
Notemos que la fuerza nuclear fuerte es 100 veces mayor que la electromagnética, de ahí su nombre, es la fuerza más fuerte que existe. Pero a diferencia de la electromagnética solamente puede actuar dentro de un radio de acción de 0,000000000000001 m. A diferencia de la electromagnética que actúa siempre.
Existe otra diferencia muy importante, la fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva. Entre cargas iguales es repulsiva y entre cargas diferentes es atractiva. En cambio la fuerza fuerte es siempre atractiva y así tiene que ser para mantener la estabilidad del núcleo atómico y consecuentemente de toda la materia. El núcleo atómico esta formado por protones, de carga positiva y neutrones, sin carga eléctrica. Los protones se encuentran sometidos a la repulsión de la fuerza electromagnética, para que esta fuerza de repulsión no destruya el núcleo atómico tiene que existir otra fuerza mucho más intensa que la electromagnética y que mantenga unido a los protones y neutrones del núcleo. Esta es la fuerza nuclear, que la denominamos fuerza nuclear fuerte. La característica de esta fuerza nuclear fuerte es que es atractiva y interacciona solamente dentro del núcleo, recordemos que su distancia de acción es muy pequeña. Además esta interacción actúa entre protones y protones, neutrones y neutrones y entre protones y neutrones. Por supuesto, los neutrones al no tener carga eléctrica solamente notan la fuerza nuclear fuerte, en cambio los protones al tener carga positiva notan la fuerza de repulsión electromagnética y la fuerza de atracción nuclear fuerte.

Los diferentes elementos se forman añadiendo protones en el núcleo atómico, pero a medida que el núcleo va creciendo aumenta su volumen y por supuesto su radio. Al colocar más protones aumenta la fuerza de repulsión electromagnética, pero la naturaleza es sabia y al ir creciendo el número de protones aumenta más el número de neutrones. Es decir, los neutrones actúan como un "pegamento" entre protones, a más protones mucho más pegament. Con todo esto, resulta que los núcleos grandes contienen más neutrones que protones. Pero al ir añadiendo protones y neutrones llega un momento que el diámetro nuclear es mayor que la distancia de acción de la fuerza nuclear fuerte. Esto es cuando el diámetro nuclear es mayor que los 0,000000000000001 m. 

¿Qué ocurre entonces?
Cuando el tamaño nuclear supera los 60 protones y neutrones se vuelve inestable. Los protones mas alejados solamente notan la fuerza de repulsión electrostática, la fuerza nuclear fuerte no los alcanza, y salen despedidos del núcleo en direcciones opuestas.  
En la imagen se representa el núcleo. Algunos protones y neutrones dentro del radio de acción de la fuerza nuclear fuerte, pero hay dos protones que se encuentran más lejos y solamente interaccionan mediante la fuerza de repulsión electrostática. Estos protones saldrán expedidos del núcleo.
Cuando esto ocurre, decimos que el núcleo es inestable.
Inestable: Que es incapaz de mantener o recuperar el equilibrio. Que sufre continuas o frecuentes alteraciones de sus condiciones y características. Elemento o sustancia que tiende a alterarse, descomponerse o sufrir una reacción química rápidamente.
 

Radiactividad 
A partir de lo que hemos expuesto es fácil ver que las causas naturales de la inestabilidad nuclear son:
  • Exceso de protones.
  • Elevado número de nucleones.
  • Exceso de energía. 
Los núcleos tienden a estabilizarse espontáneamente emitiendo partículas, ondas electromagnéticas, o ambas, según el caso, transformándose en otros núcleos.
Este fenómeno se conoce como RADIACTIVIDAD.

La radiactividad es el fenómeno que se produce en el núcleo de algunos átomos, los cuales se modifican emitiendo radiaciones.

Se denomina radioisótopos a los isótopos que espontáneamente se transforman liberando energía, son radiactivos. Los núcleos d estos isótopos se denominan radionucleidos.

En general, de cada elemento existen isótopos estables e isótopos inestables o radioisótopos.
Protio y deuterio son los isótopos estables del hidrógeno, mientras que el tritio es el isótopo inestable o  radiactivo.
 Fuentes:
 1Tomado y adaptado de http://abcienciade.blogspot.com/2008/03/radioactividad.html
  Libro "Todo se transforma" Saravia, Segurola, Franco, Nassi. Editorial Contexto.