Resumen: Radiaciones ionizantes y su interacción

📋 Esquema del Curso

1. Descubrimiento y fuentes de radiación
2. Estructura atómica y molecular
3. Núcleo, nucleidos e isótopos
4. Masa, energía y unidades nucleares
5. Radiación electromagnética
6. Radiactividad y desintegración
7. Reacciones e ionización
8. Partículas cargadas en la materia
9. Fotones y neutrones en la materia

📖 1. Descubrimiento y fuentes de radiación

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Fuentes naturales : comprenden los rayos cósmicos y los materiales radiactivos de la corteza terrestre, los materiales de construcción, el aire, los alimentos y el organismo humano.

★ Imprescindible

• En 1896, Henri Becquerel descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación capaz de atravesar papel negro e impresionar una placa fotográfica. — H. Becquerel

• En 1898, los esposos Curie aislaron de la pechblenda dos elementos radiactivos nuevos: el polonio y el radio.

Complementos

• La dosis natural depende de: la altura sobre el nivel del mar, el contenido radiactivo del suelo y de los materiales de construcción, la evolución tecnológica

💡 Truco mnemotécnico

Becquerel → Curie → fuentes naturales y artificiales

📖 2. Estructura atómica y molecular

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Átomo : la individualidad que constituye la materia y conserva su identidad durante las reacciones químicas.
• Molécula : el menor constituyente de una sustancia que conserva sus propiedades químicas.

★ Imprescindible

📌 Los protones tienen carga positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen carga negativa y una masa aproximadamente 1.840 veces menor que la del protón o el neutrón.

Complementos

• Las moléculas de sustancias simples contienen átomos de la misma especie, mientras que las moléculas de sustancias compuestas contienen átomos de especies diferentes.

• El núcleo atómico tiene un tamaño del orden de $10^{-15}\,\text{m}$ y el átomo completo un tamaño del orden de $10^{-10}\,\text{m}$.

💡 Truco mnemotécnico

Átomo conserva identidad; molécula conserva propiedades químicas

📖 3. Núcleo, nucleidos e isótopos

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Número atómico : es el número de protones del núcleo y determina el elemento químico; en un átomo neutro coincide con el número de electrones.
• Isótopos : son nucleidos del mismo elemento con igual número atómico Z y distinto número másico A, por lo que tienen igual número de protones y distinto número de neutrones.

★ Imprescindible

📐 Fórmula — El número másico de un núcleo satisface $A=Z+N$, donde $Z$ es el número de protones y $N$ el número de neutrones.

• El uranio natural contiene un 99,27% de uranio-238 y un 0,73% de uranio-235.

Complementos

• Los isótopos del hidrógeno son:
  • hidrógeno ordinario
  • deuterio
  • tritio

📌 Los isóbaros tienen igual número másico A y distinto número atómico Z, mientras que los isótonos tienen igual número de neutrones N.

💡 Truco mnemotécnico

A = Z + N

📖 4. Masa, energía y unidades nucleares

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Electronvoltio : la energía cinética que adquiere un electrón inicialmente en reposo al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio y equivale a $1{,}6\times10^{-19}\,\text{J}$.

★ Imprescindible

📐 Fórmula — La equivalencia entre masa y energía se expresa mediante $E=mc^2$, donde c es la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente $3\times10^8\,\text{m/s}$. — Einstein, Teoría de la Relatividad, 1905

• La unidad de masa atómica es la doceava parte de la masa del átomo de carbono-12 y vale aproximadamente $1{,}66\times10^{-27}\,\text{kg}$.

Complementos

• Los múltiplos del electronvoltio son:
  • el kiloelectronvoltio, keV = 1.000 eV
  • el megaelectronvoltio, MeV = 10^6 eV
  • el gigaelectronvoltio, GeV = 10^9 eV

💡 Truco mnemotécnico

Masa ↔ energía mediante E = mc²

📖 5. Radiación electromagnética

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Radiación electromagnética : está formada por campos eléctrico y magnético oscilantes que se propagan por el espacio a una velocidad aproximada de $3\times10^8\,\text{m/s}$ en el vacío.
• Fotón : es un paquete de energía de la radiación electromagnética, con masa en reposo nula.

★ Imprescindible

📌 La radiación electromagnética se comporta como onda en la refracción, difracción e interferencia, y como corpúsculo en el intercambio de energía con átomos y núcleos.

Complementos

• La luz visible ocupa aproximadamente el intervalo de 780 nm para el rojo a 380 nm para el violeta.

💡 Truco mnemotécnico

Onda para propagación; fotón para intercambio energético

📖 6. Radiactividad y desintegración

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Radiactividad : es la transformación nuclear espontánea mediante la cual un núcleo inestable modifica su composición y se transforma en otro núcleo más estable.

📝 Puntos esenciales

📐 Fórmula — La ley de desintegración radiactiva es $N=N_0e^{-\lambda t}$ y la constante de desintegración se relaciona con el período mediante $\lambda=\frac{0{,}693}{T}$.

• Tras un período de semidesintegración queda la mitad de los átomos iniciales, tras dos períodos queda la cuarta parte y tras tres períodos queda la octava parte.

• 🔄 En la desintegración alfa:

  1. se emite un núcleo de helio
  2. Z disminuye en 2
  3. A disminuye en 4

📌 En la desintegración beta negativa un neutrón se transforma en protón y Z aumenta en 1; en la beta positiva un protón se transforma en neutrón y Z disminuye en 1; en ambos casos A permanece constante.

• La desintegración gamma emite un fotón cuando un núcleo excitado pierde energía, sin cambiar su número atómico ni su número másico.

💡 Truco mnemotécnico

Alfa → beta → gamma

📖 7. Reacciones e ionización

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Reacción nuclear : es un proceso en el que un núcleo interactúa con otro núcleo, una partícula o un fotón para producir uno o más núcleos y partículas.
• Radiación ionizante : son partículas o fotones capaces de penetrar en la materia y producir ionización en sus átomos constituyentes.

★ Imprescindible

📌 Las partículas cargadas son radiaciones directamente ionizantes, mientras que los fotones y los neutrones son indirectamente ionizantes porque producen partículas cargadas secundarias.

Complementos

📌 En una reacción nuclear, la partícula inductora se denomina proyectil y el núcleo bombardeado se denomina núcleo blanco.

💡 Truco mnemotécnico

Proyectil + blanco → núcleo intermedio → productos

📖 8. Partículas cargadas en la materia

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Bremsstrahlung : es la radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada se frena o desvía cerca de un núcleo atómico.

★ Imprescindible

📌 La colisión elástica desvía la partícula y transfiere energía cinética sin alterar el átomo ni el núcleo, mientras que la colisión inelástica modifica la estructura electrónica y produce excitación o ionización.

📌 La ionización primaria es producida por la partícula cargada incidente, mientras que la ionización secundaria es producida por los electrones liberados durante la ionización primaria.

Complementos

• El bremsstrahlung es prácticamente despreciable para protones, deuterones y partículas alfa, pero adquiere gran importancia para electrones con energías superiores a algunos MeV, especialmente en medios de elevado Z.

💡 Truco mnemotécnico

Colisión elástica → inelástica → radiativa

📖 9. Fotones y neutrones en la materia

★ Imprescindible

• El efecto fotoeléctrico absorbe completamente el fotón y transfiere toda su energía a un electrón, el efecto Compton transfiere solo parte de la energía y dispersa un fotón secundario, y la creación de pares transforma el fotón en un electrón y un positrón.

• La creación de pares requiere una energía mínima del fotón de 1,02 MeV.

📌 El efecto fotoeléctrico predomina a bajas energías, el efecto Compton a energías intermedias y la creación de pares a energías altas por encima de 1,02 MeV.

• Para detener neutrones rápidos se emplea primero agua, parafina o plástico para moderarlos y después cadmio o boro para absorber los neutrones térmicos.

📌 Los neutrones interactúan sin fuerzas coulombianas y pueden sufrir dispersión o absorción, mientras que las partículas cargadas interactúan principalmente mediante fuerzas electrostáticas.

Complementos

• La atenuación de la radiación electromagnética al atravesar la materia sigue una ley de decrecimiento exponencial.

• Las dispersiones elásticas de neutrones transfieren energía con máxima eficacia a núcleos de masa similar, especialmente a los núcleos de hidrógeno, produciendo protones de retroceso.

💡 Truco mnemotécnico

Fotones: fotoeléctrico, Compton, pares; neutrones: dispersión y captura

📊 Tablas de síntesis

Tipos de desintegración radiactiva

Interacciones de fotones