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Radioquímica
Radioactividad proceso de transformación nuclear
Nucleido X está definido por 3 parámetros:
1- A número de masa suma de protones (p+) y neutrones (n)
2- Z número atómico protones
3- Contenido Energético estado de mínima E estable
otros estados E metaestables o excitados
AXZ Ejemplos : 62Co7 ; 238U92
Isótopos igual Z; diferente A 131I53 ; 127I53 ; 125I53
Propiedades químicas iguales
Isóbaros igual A; diferente Z 130Xe54 ; 130Cs55
Isómeros igual A y Z; diferente E 99mTc43 ; 99Tc43
Nucleídos estables :
n/p+ 1 para átomos ligeros
n/p+ 1,56 para átomos de alto Z
Nucleídos Inestables desintegraciones espontáneas
Corpusculares : α; Β; captura e-; neutrones
Desintegraciones
electromagnéticas : γ
Los procesos ocurren en forma simultánea y/o consecutiva siempre en igual %; igual forma de desintegración e igual contenido E siendo característicos de cada Isótopo.
ISOTOPOS PROTONES NEUTRONES ESTABILIDAD %
C-11 6 5 ARTIFICIAL
C-12 6 6 ESTABLE 98,9
C-13 6 7 ESTABLE 1,1
C-14 6 8 RADIOACTIVO TRAZAS
Nucleido Vida Media Radiación Uranio-238 4.510.000.000 años Alfa Cobalto-60 5 años Beta, Gamma Fosforo-32 14 días Beta Tritio (Hidrogeno-3) 12,26 años Beta Carbono-14 5.600 años Beta Yodo-131 8 días Beta, Gamma
a) Desintegración alfa (α); monoenergética, capturan 2 e- (al atravesar el medio) :
A X Z (A-4) Y (Z-2) + 4 α 2
Ejemplo 238U92 234Th90 + 4He2
b) Desintegración Beta (β) ; espectro continuo de energía característico :
β- : A X Z A Y (Z+1) + β- + ζ (anti neutrino)
Proceso nuclear : n p+ + e- + ζ Ej. 14 C 6 14 N 7 + β- + ζ
β+ : A X Z A Y (Z-1) + β+ + ζ (neutrino)
Proceso nuclear : p+ n+ β+ + ζ Ej. 22 Na 11 22 Ne 10 + β+ + ζ
Proceso Beta (β) generalmente acompañado de captura electrónica :
Rayos X origen orbital
Captura electrónica :
p+ + e- n + ζ A X Z A Y (Z-1) + ζ + Rayos X
Ejemplo : 51 Cr 24 + e- 51 V 23 + ζ + Rayos X
c) Desintegración por neutrones : 235 U 92 138 Cs 55 + 95 Zr 40 + 2 n
d) Desintegración γ (origen nuclear) transición isomérica
conversión internaFotones Monoenergéticos, espectro característico de cada nucleido
Esquema de desintegración
Z-1-2 1
ENucleído madre
α
γγ
Β+ c.e.
γ γ
Β-
Transición Isomérica: 99m Tc 43 99 Tc 43
Conversión Interna:
γ e- C.I.
Rx
Estados excitados
Nucleidos hijos
γ emitida excita e- interno
expulsandolo y otro e- externo ocupa su orbita liberando Rx
Ejemplos : Vida Media 15,0 h
24 Na 11
Β- 1,39 MeV; 99,997 %
Β- 4,17 MeV; 0,003 %γ 2,75 MeV
γ 1,36 MeV
99 Tc 43 Vida Media 2,12 x 105 años
Vida Media 6,0 h
99m Tc 43
γ 0,142 MeV
γ 0,140 MeV
99 Ru 44Β- 0,292 MeV
Radioactividad fenómeno nuclear cuya velocidad es una constante independiente de las condiciones físico químicas
λ : constante de desintegración característica de cada nucleído
nº de átomos que se desintegran por unidad de tiempo
-dn/dt = -λ . N -dn/N = -λ . dt integrando ln N = -λ t + cte
Para t = 0 N = N0 cte = ln N0
Por lo tanto ln N/N0 = -λ t N/N0 = e –λt
N = N0 . e-λt
proceso de desintegración sigue una ley exponencial negativa Período de semidesintegración (T) :
es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los átomos
existentes al estado inicial : t = T N = ½ N0
T = ln 2/λUnidad es el Becquerelio (Bq) = una desintegración/segundo
Tambien se acostumbra a expresar la actividades en otra unidad, el "curie" (Ci). 1 Ci equivale a 3,7x1010 desintegraciones por segundo.
INTERACCION CON LA MATERIA
Choques elásticos y/o ineslásticos con los núcleos y/o e-
a – Detección (medir) α
b – Aplicación β
c – Seguridad γ
α La interacción más importante inelástica con e-
a) Ionización
+
b) Excitación la energía de la partícula excita el e-
luego regresa a su estado basal liberando energía electromágnética Radiación
electromágnetica
β a) Interacción inelástica con e-
1) ioniza, menos que α por menor contenido energético
2) excitación
b) Choque inelástico con núcleos β es frenado cerca del núcleo, por efectos electrostáticos, la energía se disipa radiación de frenamiento (electromagnética)
c) Choque elástico con el núcleo partícula β se desvía de su trayectoria sin perder energía (retrodispersión)
d) β+ produce aniquilamiento del positrón
Al llegar al reposo β+ + e- (del medio) 2 fotones
Ejemplo de conversión de masa en energía (electromagnética β+
e-2 m C2
Fotón 511 Kev
Fotón 511 Kev
γ Puede interaccionar de 3 maneras :
a) Efecto Fotoeléctrico
Interacción con e- interno
Puede generar Rx
γ
Foto e-
b) Efecto Compton
Interacción e-
externo
γ
e- compton
c) Producción de pares fotón incidente E > 1,02 Mev, interacciona con campo eléctrico del núcleo dando un positrón y un electrón energía se transforma
en materia γe-Β+
Foton se dispersa
Penetración de los distintos tipos de radiación
Radiación al atravesar el medio cede energía (E) hasta detenerse la E es absorbida material absorbente
α penetra 5-7 cm en el aire
Β dispersión, alcance lineal > que α
γ mayor penetración que todas ( 1 cm de Pb reduce al ½ la intensidad
La radiación a la que estamos expuestos de manera natural es aproximadamente 100 mrem por año.
Rem es la unidad que integra la cantidad de dosis y sus efectos biológicos 1 Rem = 1 Rep x 1RBE
Rep es el equivalente físico de un roetgen, la dosis correspondiente a la absorción de 93 erg g-1 de tejido blando
REB es la unidad de efectividad biológica relativa
Esta condición puede variar de acuerdo a diferentes factores (altitud, condiciones del suelo, estación del año, etc.
El impacto de las radiaciones en la salud se estiman por:
a) El tiempo de exposición
b) Intensidad de la exposición
c) Organo o tejido expuesto
a) Exposición crónica:
Efectos genéticos, puede producir cáncer, lesiones precancerosas, tumores benignos, cataratas, cambios en la piel y defectos congénitos.
b) Exposición aguda : Genera lesiones en la piel, desórdenes gastrointestinales,
condiciona infecciones bacterianas, hemorragias, anemia, pérdida de fluidos corporales, esterilidad temporal, cáncer y efectos genéticos. La muerte en unos cuantos días puede ser una de sus consecuencias
Detección y medición de la Radiación
Instrumentos de detección se basan en los fenómenos de interacción de la
radiación con la materia :
1- Detectores de Ionización :
a) Sin campo eléctrico
b) Con campo eléctrico cámara de ionización, contadores proporcionales
y los detectores Geiger Muller
Cámara de Ionización
(-)
Iones se recombinan
Iones 2º guardan proporcionalidad con los 1º
Ionización total
Los detectores de ionización tienen buen rendimiento para α y β pero poca para γ (aproximadamente 1 %)
Detector de centelleo fotomultiplicador
Cristal de centelleo al incidir una radiación emite un fotón (UV ó Visible) que termina en un impulso eléctrico
Sustancias luminiscentes hay gran variedad, orgánicas, inorgánicas, sólidas, líquidas, etc.
Los detectores de centelleo se utilizan fundamentalmente para γ
Cristal NaI activadocon Tl
Espectro Rayos γ de una fuente monoenergeticaA- Pico principal es el fotopicoB- Borde Compton corresponde a la maxima E de los e- en una colisión frontal con los fotones incidentesC- Pico de back scattering corresponde a la E de los fotones que son retrodispersados en el medio circundante y reingresan al detector
Espectro Emisión γ de 137Cs con el centellador
Voltaje aplicado
Detector de Centelleo Líquido
Medida de radiacion β ; Isótopos más utilizados Tritio, 14C, 32P, 45Ca Detector sólido de cristal antraceno antraceno
Muestras (dentro de un recipiente transparente) se colocan en un líquido de centelleo que contiene un solvente aromático fluorescente, compuesto por ejemplo de 2,5 -difenil oxazol (PPO), 1,4 -bis 2-5 fenil oxazolil benceno (POPOP) y naftaleno disueltos en toxilol, dioxano, 2- metoxictanol, 2-etoxie- etcétera
El centellador interactúa con la radiación y emite luz en la región cercana al visible la que se transforma en la señal.
El fotón emitido incide sobre dos fotocátodos y 2 tubos fotomultiplicadores de manera de disminuir el ruido porque sólo se considera señal aquella que es detectada por ambos detectores simultáneamente Relación señal/ruido optimizada.
Aplicaciones
a) Análisis Radiométrico :
1- Titulación directa y/o indirecta
Ag (TSH) + Ac* (anticuerpo) Ag-Ac* (orgánico)
*Ag+ + Cl- *AgCl (inorgánico)
Analito (An)
Trazador (Tz)
b) Dilución Isotópica : sirve para determinar cuatitativamente un componente de una mezcla, que es muy difícil de separar
Actividad específica Tz : Act. Tz / Masa Tz
Actividad específica An : Act Tz / (Masa Tz + Masa An)
Act. esp. Tz / Act esp An
Despejo
Masa Analito
d) Esterilización de equipamiento médico, alimentos, etc.e) Tomografías y radioterapias. f) Medicina Nuclear para realizar diagnóstico : in vivo 99m Tc , en cámara gamma por ejemplo en la detección del cáncer de huesos e in vitro en análisis de radioinmunoensayo
c) Análisis con Radioligandos : utilizados para medios complejos como los biológicos
Radioinmunoanálisis Dosaje de hormonas, receptores, etc.
H
H*
H + Ac H-Ac
H* + Ac H* -Ac
Radiación Cósmica en la atmósfera terrestre colisiona con un átomo 14N7 p+ + 14C6 este es incorporado por las plantas y luego por los animales. Al morir estos no incorporan más 14C y van perdiendo el que poseen por el fenómeno de desintegración β 14N
T1/2 14C 5.730 años
g) Arqueología, Paleontología
Bibliografía :
”Curso de Metodología y Aplicación de Radioisótopos” (C.N.E.A.)
“ Metodología de Radioisótopos en el laboratorio moderno” Caro,R. y otros.
“Isótopos Radioactivos” Stein, J.
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