T5.- Cuantificación y fuentes habituales de radiactividad

Ejercicio:

Elegid dos fuentes de radiactividad (al menos), una natural y una artificial, y buscad los valores de actividad que poseen (o de dosis que producen). Comparado los posibles efectos biológicos de la exposición a esas fuentes.

A continuación se explica una breve introducción sobre las principales fuentes de radiación natural y artificial.

1. Radiación natural: Es la que manifiestan los isotopos que se encuentran en la naturaleza.

Fuentes de radiación naturales (dosis anuales medias)

A estas radiaciones se las denomina radiación de fondo o radiación natural y forman

parte del medio ambiente. La dosis debida a fuentes naturales es variable y depende de

diversos factores como: 

• La altura sobre el nivel del mar, ya que la radiación es retenida en parte por la atmósfera. La gente que vive en las grandes alturas recibe dosis mucho más elevadas de radiación externa y en algunos casos puede ser de hasta un 50% superior a la media. 
• Contenido de material radiactivo en el suelo o materiales de construcción utilizados. Existen zonas, por ejemplo graníticas, cuyo contenido en material radiactivo es elevado y por tanto contribuyen a una mayor dosis en la población residente en ella. 
• La evolución tecnológica modifica la exposición del hombre a las radiaciones. Por ejemplo en la combustión del carbón se liberan a la atmósfera trazas de material radiactivo natural, el uso de fertilizantes fosfatados aumenta la irradiación debido a los radionucleidos naturales que contienen, etc. 

La fuente de radiactividad elegida como fuente natural es 1 kg de plátano.

1 kg de plátano = 4 gramos de potasio (k). 

Se sabe que el potasio natural tiene 0,012% de potasio radiactivo (⁴⁰K), por lo que la cantidad de potasio radiactivo que posee 1 kg de plátano = 48 mg.
La actividad de 1 kg de plátano es 120,4 Bq y la dosis absorbida es 1,1·10^-8 Gy/seg. El factor por el que hay que multiplicar para obtener la dosis equivalente es 1, ya que la emisión es de partículas beta. Por tanto, la dosis equivalente es de 1,1·10^-8 Sv/seg.

Radiación Artificial:

Es la que ha sido provocada por transformaciones nucleares artificiales.

Clases y componentes de la radiación:

Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes, conocidas como partículas, desintegraciones y radiación:

Partícula alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque muy ionizantes. Son muy energéticas. 

Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (masa A >100). Estos núcleos tienen muchos protones y la repulsión eléctrica es muy fuerte, por lo que tienden a obtener N aproximadamente igual a Z (número atómico), y para ello se emite una partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía, que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, por lo que estas partículas salen con velocidades muy altas.

Desintegración beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. 
Radiación gamma: Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. En este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más baja emitiendo los rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. 

Fuentes de radiación artificiales (dosis anuales medias, mrem)

La fuente de radiactividad elegida como fuente artificial es el Plutonio 238 (²³⁸Pu).

Se considera el material es una esfera con una masa de 1 kg. Para calcular el número de átomos que hay en este material se utiliza el número de Avogadro:

A partir de la ecuación que relaciona la actividad radiactiva y el número de átomos radiactivos, se puede obtener la actividad de 1 kg de Plutonio 238:

donde:

• A: actividad radiactiva
• λ: constante de desintegración radiactiva
• N: número de átomos radiactivos
• T: periodo de semidesintegración

El periodo de semidesintegración del plutonio 238 es 87,7 años 

Como la actividad se define como el número de desintegraciones por segundo y la desintegración del Plutonio 238 es por emisión de particular α, se puede interpretar que en 1 kg de Plutonio 238 se desintegran 6,342·10¹⁴ partículas α en un segundo.

La desintegración de una partícula α produce una energía de 3.727,378 MeV, que se lo puede calcular con la siguiente ecuación E = m·c².

La energía que produce 1 kg de Plutonio 238 se transforma a segundos 378.754,24 J/seg.

Considerando que le afecta la mitad del ángulo solido de radiación producido por la esfera de plutonio 238, la radiación que absorbe es la mitad que la que produce 1 kg de plutonio 238, es decir, 189.377,12 J/seg. Esta energía se podría registrar a una distancia de cero metros, pero hay que tener en cuenta que decae exponencialmente con la distancia por la facilidad de la partículas alfa para interactuar con la materia.

Además, suponemos que el sujeto al que le afecta la radiación tiene una masa de 70 kg y la radiación se reparte uniformemente en toda su masa. Por tanto:

Para hallar la dosis equivalente, hay que multiplicar el valor de dosis absorbida por un factor W_R, que por tratarse de emisión de partículas α, el factor es 20.

Conclusiones:

• Se puede observar que la dosis absorbida por 1 kg de plátano es muchísimo menor que la dosis absorbida por 1 kg de plutonio 238.
• La dosis letal para una persona es 10 Sv máximo, por lo que se deduce que el sujeto tiene una esperanza de vida 184,8 us.

Bibliografías:

• http://www.ugr.es/~amaro/radiactividad/tema7/node10.html
• http://electromedicina.galeon.com/Quieres/Radiolog/radlog01.htm
• http://html.rincondelvago.com/radiactividad-artificial-y-natural.html
• Instituto Balseiro. (s. f.).  Protección radiológica: fuentes naturales y artificiales de radiación. Recuperado el 1 de Marzo de 2015
  Leer más: http://ingenieria-quimica9.webnode.es/products/fuentes-de-radiacion-artificial-/

• González G., y Rabin C. (2011). Para entender las radiaciones. Uruguay: DIRAC-Facultad de Ciencias. Recuperado el 10 de Enero de 2015 de divnuclear.fisica.edu.uy/libro/Para_entender_las_radiaciones.pd